区域地下水系统防污性能评价方法探讨与验证--以鲁北平原为例刘春华;张光辉;王威;孟素花;杨丽芝;纪汶龙;刘治政【摘要】In regional groundwater vulnerability assessment, the impact factors are multiple and complex, and hence it is difficult to determine the evaluation system and the weights of factors objectively. This problem has affected the credibility of the assessment results. Selecting the Northern Shandong Plain as the study area, the authors used innovative overlay and index method. The conventional DRASTIC model was improved and converted into DRITCS model to evaluate groundwater vulnerability. The evaluation factors of DRITCS model included the groundwater depth, integrated lithology of the aeration zone, thickness of clay layer with the thickness of a single layer over 0.5 m within 2 m of land surface, aquifer thickness, permeability coefficient, and net recharge. A key factor in groundwater vulnerability assessment was determined reasonably, which represented the changes of the clay layer in the aeration zone. The DRITCS model was used to evaluate the groundwater vulnerability in northern Shandong plain as an example and was verified by nitrogen pollution status of the study area. The verification of groundwater vulnerability assessment results of northern Shandong plain indicates that the proposed method can reflect objectively the spatial differences and regional distribution characteristics of groundwater vulnerability caused by phase transition of the basin. It is proved that the DRITCS Model has goodpracticability.%区域地下水系统防污性能评价，面临影响因子多又复杂、评价指标难以客观性选定和权重不易确定等难题，以至严重影响评价结果的可信性。
本文以鲁北平原为例，在以往地下水脆弱性评价常用的DRASTIC 模型基础上，采用创新的迭置指数方法，改进为“DRITCS 法”，选择地下水位埋深、包气带综合岩性、地表2 m内单层厚度大于0.5 m的粘土层厚、含水砂层厚度及其渗透系数、和地下水净补给量等因子，组成区域地下水系统防污性能评价模型。
合理地确定了区域地下水系统防污性能评价中关键指标——包气带粘性土层变化影响，并在鲁北平原示范性应用和通过以面源污染为主的三氮污染现状验证的结果表明：本文提出的方法能够客观地反映流域性相变造成的地下水系统防污性能空间差异性和区位分布特征，具有较强的实用性。
【期刊名称】《地球学报》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】6页(P217-222)【关键词】区域地下水;防污性能;包气带;粘性土层;评价与验证【作者】刘春华;张光辉;王威;孟素花;杨丽芝;纪汶龙;刘治政【作者单位】中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061; 山东省地质调查院，山东济南 250013;中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061;山东省第一地质矿产勘查院，山东济南 250014;中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 050061;山东省地质调查院，山东济南 250013;山东省地质调查院，山东济南 250013;山东省地质调查院，山东济南250013【正文语种】中文【中图分类】X523;X820.6自 Margat(1968)提出“地下水脆弱性(Groundwater vulnerability)”以来, 国内外水文地质学家和有关研究部门都在试图客观表达“地下水脆弱性”(又名“防污性能”), 以便更好地利用和保护地下水。
美国环保署(USEPA)和国际水文地质协会(IAH)提出, 地下水系统对人类活动或自然变化的有效敏感性具有固有脆弱性和特殊脆弱性之分, 前者表征地下水系统对污染和人类活动影响的内在固有敏感性,后者表征地下水对某一特定污染源或人类活动影响的脆弱性(张丽君, 2006)。
由于各个地区水文地质条件不同, 所以, 涌现出许多种地下水脆弱性评价方法。
Foster方法(GOD 法)以地下水露头、包气带地层岩性和地下水位埋深作为主要评价指标, 在英国应用于水源地污染风险的地下水脆弱性评价中。
Aller等(1987)提出的DRASTIC方法, 以地下水位埋深(D)、地下水净补给量(R)、含水层岩性(A)、土壤岩性(S)、地形坡度(T)、包气带影响(I)和含水层渗透系数(C)等作为主要评价指标, 在美国、加拿大、南非和欧共体等国家较广泛采用。
但是, 该方法应用中各指标之间存在较多的重复性, 对评价结果具有一定的不确定性影响。
国内的地下水脆弱性研究始于 1996年, 欧盟与中国合作将DRASTIC方法推荐我国应用。
我国学者曾从不同的角度, 探讨了“地下水脆弱性”各种方法(杨庆等, 1999; 钟佐燊等, 2005; 马荣等, 2011; 张翼龙等, 2012; 邹胜章等, 2014), 也发现了在平原区区域地下水脆弱性评价中, DRASTIC方法存在上述不足带来的明显影响。
杨庆等(1999)直接利用DRASTIC法评价了大连市地下水易污性。
雷静等(2003)在DRASTIC法的基础上, 增加了土壤有机质含量和地下水开采量等指标, 去掉了包气带岩性等3项指标, 在唐山平原区应用。
范琦等(2007) 将DRASTIC法改进为DRUA模型, 在河北栾城地区进行了地下水脆弱性评价。
严明疆等(2009)在研究了人类活动影响下地下水脆弱性演变特征基础上,完成了太行山前滹沱河流域平原区地下水脆弱性评价。
孟素花等(2010)根据华北平原地下水脆弱性评价的需要, 将DRASTIC法精简为5项指标体系, 较成功地实现华北平原全区的地下水脆弱性评价。
但是, 如何合理确定包气带中粘性土层及其多层或厚度变化的影响, 以及如何确定各项指标权重等问题, 对区域地下水脆弱性评价具有不可忽视的影响。
从倡导地下水资源保护的出发点和易理解的角度, 本文将Groundwater vulnerability引申为“地下水系统防污性能”这一概念, 等同于 USEPA和IAH提出的地下水的固有脆弱性, 可以理解为土壤-岩石-地下水系统抵御污染物污染地下水的能力,不考虑人类活动和污染源的影响, 而只考虑水文地质内部因素, 突出“地下水系统防污性能”的表达,进一步完善了评价指标的选定和处理方法, 更为客观地反映了区域地下水系统抵御来自地表的污染物影响能力的空间分布状况。
示范研究区——鲁北平原, 位于华北平原东南缘, 地貌单元较为复杂, 自西南向东北依次为黄河冲积平原、冲积-海积平原、黄河三角洲和滨海平原等地貌单元(图 1), 包括黄河以北的全部山东省行政区域, 面积3.2×104km2。
多年平均降水量563.8 mm, 多年平均蒸发量1785.1 mm。
区内地下水补给源, 主要为大气降水、地表水和灌溉水; 地下水的主要排泄途径为蒸发和开采, 蒸发量和开采量占到地下水总排泄量的 99%。
包气带岩性, 多为结构松散、渗透性良好的粉土。
浅层地下水含水岩组以第四系松散岩类的细砂、粉细砂等为主, 地下水水位埋深0.5～25 m, 地下水流向自西南向东北流动(杨丽芝等, 2011, 2013)。
根据区域地下水流和污染质运移参数的影响因子空间变化特征, 提出迭置指数方法, 改进DRASITC评价模型为DRITCS法, 如式(1)所示:即, 对每个评价因子进行评分(Fj)后, 分别加权(权重Fjw)求和, 由此获得地下水防污性的评价指数(DDRITCS)。
式(1)中, 各项评价因子的意义如下:D为地下水位埋深: 是指地表至潜水面的深度,它决定污染物到达含水层的时间以及污染在到达含水层前与周围物质接触发生各种反应的时间。
地下水水位埋深愈大, 污染物达到地下水中所需时间愈长, 降解、吸附等作用愈充分, 地下水防污性能愈好。
R为地下水净补给量: 是指地下水总补给量减去潜水蒸发量、开采、越流及侧向流出量, 它是污染物进入地下水的载体和动力, 补给量愈大, 能够溶解带入地下水的污染物愈多, 地下水受污染的可能性就愈大, 地下水防污性能愈差。
I为包气带综合岩性: 它是地表污染物通过包气带进入地下水中能力的重要影响因素。
粘性土层愈多或愈厚, 入渗系数越小, 地下水防污性能愈强。
本研究中采用, 由式(2)处理包气带岩性状况。
式中, A为包气带岩性加权平均评分值; Ai为计算层段内不同岩层的评分; Hi为计算层段内各岩层厚度, 计算层段为地面至地下水面。
T为含水层中砂卵砾层的累积厚度: 主要反映地下水储存空间的大小。
厚度愈大, 储水空间愈大,稀释能力愈强, 地下水防污性能愈高。
C为含水层渗透系数: 主要影响地下水流动速度。