基于DRASTIC模型的城市地下水脆弱性評價綜述

楊貴芳，姜月華，李 云

(1.中國地質科學院研究生部，北京 100037;2.南京地質礦產研究所，江蘇 南京 210016)

基于DRASTIC模型的城市地下水脆弱性評價綜述

楊貴芳1，2，姜月華2，李 云2

(1.中國地質科學院研究生部，北京 100037;2.南京地質礦產研究所，江蘇 南京 210016)

地下水脆弱性評價是環境規劃和決策的有用手段，國內外已有很多研究，也提出了各種計算防污性能的模型。文章針對城市地下水污染問題介紹了評價地下水防污性能的DRASTIC模型。對DRASTIC模型的指標體系和評價方法進行了介紹，列舉了DRASTIC模型的局限性;綜述了目前國內外基于 DRASTIC模型的城市地下水脆弱性分析的改進的模型及其應用實例，并對其應用前景進行了展望。

城市地下水;脆弱性;DRASTIC模型;應用前景

近年來隨著經濟發展和城市擴大，世界上很多國家水環境面臨的壓力正在逐漸增大，地下水作為城市飲用水的主要的自然資源［1，2］，現已面臨日益嚴重的污染問題。在伊朗，由于人口增長和農業的發展導致地下水污染問題十分嚴峻［3］，阿根廷由于國際商品價格的升高和新技術的引進致使該國農業擴張，從而增添了土地利用對自然資源的壓力，對地下水產生了巨大的污染威脅［4］，中國也毫不例外的遭遇這樣的問題，再加上水資源利用率低、污染排放量大，導致中國水環境形勢日益嚴峻，帶來深刻的環境與生態危機，因此，保護和改善地下水環境，實現地下水資源可持續開發利用，是目前及今后人類面臨的重要任務［5，6］。地下水污染具有不容易發覺、治理困難的特點，一旦受到破壞很難修復，為了有效地保護地下水免受污染，必須立足以防為主的原則，首先應該確定地下水易受污染的區域，即各個區域地下水的污染脆弱性［7］。

地下水脆弱性這一術語由 Margat1968年首次提出，但在其后的二十幾年間，地下水脆弱性概念的定義問題基本上處于眾說紛紜的狀態［8，9］。在1987年以前，有關地下水脆弱性的概念多是從水的角度給地下水脆弱性以不同的定義。1987年的土壤與地下水脆弱性國際會議認為地下水脆弱性指地下水對外界污染源的敏感性，是含水層的固有特性。地下水脆弱性對不同污染物是不同的。美國國家科學研究委員會于1993年給予地下水脆弱性如下定義:地下水脆弱性是污染物到達最上層含水層之上某特定位置的傾向性與可能性。同時，該委員會將地下水脆弱性分為兩類:一類是本質脆弱性(Intrinsic Vulnerability)，另一類是特殊脆弱(Specific Vulnerability)。本質脆弱性是指在天然狀態下含水層對污染所表現出的內部固有的敏感性，它不考慮污染源或污染物的性質和類型，是靜態、不可變和人為不可控制的。特殊脆弱性是對特定的污染物或人類活動所表現的敏感性，它與污染源和人類活動有關，是動態、可變和人為可控制的。也就是說，對于某一給定含水層，其本質脆弱性是恒定的，特殊脆弱性隨污染源或污染物的不同而變化［10－12］。國內關于地下水脆弱性還沒有明確的定義，對其定義多引用外文資料。在叫法上常以“地下水的易污染性”、“污染潛力”等來代替“地下水脆弱性”。總之，鑒于目前的研究水平，國內外都傾向于美國國家科學委員會關于將地下水脆弱性分為兩類的主張［13］。地下水污染脆弱性評價及其制圖是目前國際水文地質研究的熱點和前沿課題，也是防治地下水污染問題工作的前導，其成果可為自然環境、社會經濟等方面提供管理決策的重要依據［14］。國內外很多學者研究并使用了 DRASTIC方法對城市地下水防污性能進行評價［15－22］，并結合研究區實際情況對DRASTIC模型進行了改進。根據一個地區的區域特征選取評價參數對這個地區的地下水進行定量的評價并結合GIS繪制該地區地下水脆弱性分區圖，對今后制訂地下水資源管理、土地利用、環境保護及城市規劃等政策措施具有較重要的參考指導作用。

1 DRASTIC模型介紹

地下水脆弱性評價的主要方法有水文地質背景值法、參數系統法、相關分析法與數值模型法等。參數系統法中的DRASTIC評價標準是目前地下水脆弱性評價中應用最廣泛的方法，它是由美國環境保護局于1987年提出的，先后應用于美國各地的地下水脆弱性評價工作中，取得了良好的效果，并被加拿大、南非、歐共體各國等相繼采用。我國從20世紀90年代開始引進該方法，近年來進行該方法研究的學者不斷增多，并在全國多處地方得到應用［12］。

1.1 DRASTIC模型評價因子選擇

由于不同地區水文地質條件不同，地下水防污性能也不同，影響的因子很多，選擇的原則是對地下水防污性能影響大并且資料容易取得的因子。據此DRASTIC模型選擇了以下7個因子:D為地下水埋深(depth of water－table)，R為凈補給量(net recharge)，A為含水層介質(aquifer media)，S為土壤介質(soil media)，T為地形坡度(topography)，I為包氣帶影響(impact of the vadose)，C為水力傳導系數(hydraulic conductivity of the aquifer)。按每個因子的英文大寫字頭，命名為 DRASTIC模型［23－30］。DRASTIC評價指標由 3部分組成:權重、范圍(類別)和定額。各評價參數根據其對地下水脆弱性影響的作用大小被賦予一定的權重。權重值是不變的常數，分為所有污染物權重值和農藥類污染物權重值兩類。權重值大小為1～5，最重要的評價參數取 5，最不重要的評價參數取1。各評價參數權重取值的大小要結合具體的評價區域來選定。在評價過程中，按照各評價指標數值的大小或種類的不同劃分不同的范圍或類別，并賦予各自的定額。將7項指標的評分進行加權和的運算就可以確定DRASTIC脆弱性指數［23］。用下列公式計算DRASTIC指數:

式中:DI為 DRASTIC指數，W為該因子的權重，R為該因子的評分［23，24］。

1.2 DRASTIC模型的局限性

由于評價因子資料易于獲取，評價模型簡單，易于掌握，DRASTIC模型應用最為廣泛，但是仍然有很多局限，不應盲目照搬，總結起來該模型存在以下局限性:

(1)DRASTIC模型屬于經驗性方法，其評價模型是線性的，缺乏理論上的嚴謹性［29］。

(2)DRASTIC模型忽略了污染物、含水層厚度和包氣帶滲透系數對地下水污染的影響。含水層厚度主要考慮其稀釋能力［30］。

(3)補給量和含水層滲透系數越大，地下水污染的可能性越大的看法片面。補給量足夠大的稀釋作用及滲透系數大使水交替加快的稀釋作用未予以考慮，這是DRASTIC模型的不足［23］。

(4)含水層滲透系數設計不合理，滲透系數104～411 m/d介質一般是粘性土，粘性土極少成為含水層［23］。

(5)潛水和承壓水是差別很大的兩類含水層，其防污性能的影響因子不同，把這兩類含水層放在一起，用同一種模型來評價是很不合適的［30］。

(6)在有資料可利用的條件下，把土壤介質和包氣帶介質分開是可取的，但土壤介質權重為2，包氣帶介質權重為5，后者的權重明顯大于前者，不合理。因為土壤不僅含有較大比例的細粒物質，而且有機質含量高，有大量細菌，因此其吸附容量和降解有機污染物的能力都大于包氣帶介質［23］。

(7)包氣帶介質考慮不全面:第一，包氣帶常常由多種介質組成，以哪種介質評分，沒有明確規定;第二，對松散沉積物包氣帶巖性考慮不周全，僅列入粉土/粘土，其他粘性土沒有列入;第三，如以包氣帶中某種介質評分，還必須考慮其厚度，該模型沒有考慮［23］。

(8)評價參數之間存在依賴性［23］。

(9)各評價指標的定額為離散值，一定程度上掩蓋了指標本身連續變化這一客觀事實對脆弱性的影響，不能客觀的反映實際問題［23］。

(10)各評價指標權重是根據專家意見確定的，且被視為定值，不隨研究區實際水文地質條件的不同而改變，影響結果的客觀性［23，29］。

(11)DRASTIC模型的評價指標的權重為定值，但是影響地下水脆弱性的實際水文地質情況相當復雜，所以應根據各地區的實際水文地質條件，并運用經驗知識和指標數據來確定指標權重［30］。

(12)DRASTIC模型的評價指標是固定不變的，而在不同地區地下水脆弱性影響因素的相對重要程度是不同的，因而指標也會有所不同［23］。

1.3 DRASTIC模型在地下水污染研究中的應用實例

DRASTIC模型具有應用的局限性，但是該模型也是地下水脆弱性評價應用最廣泛的模型。大多數情況，各國科研工作者往往根據研究區的實際情況，有目的的對DRASTIC模型加以改進與修正，使其能夠更加符合研究區存在的客觀問題。國外有很多相關的研究，Panagopoulos G.P.等［31］認為對DRASTIC模型進行修正和優化可以更精確的預測固有脆弱性，其在GIS環境下聯合使用簡單的統計學和地質統計學技術修正了DRASTIC模型的所有參數的權重和定額，修正后的模型運用結果表明地下水污染風險與污染物濃度之間的相關性大大的得到了提高。Samira Akhavan等［32］在 Hamadan－Bahar平原使用修正的DRASTIC模型提高了地下水受污染物影響的預測能力。Mohamed Sinan，Moumtaz Razack根據摩洛哥馬拉喀什含水層特征，區別含水層垂直脆弱性和地下水敏感性，使用改進的DRASTIC模型為研究區含水層水資源優化管理和土地利用計劃提供了有用的決策工具［33］。Enrique Gomezdelcampo，J.Ryan Dickerson對 DRASTIC模型中的地下水埋深(D)、土壤介質(S)和地形(T)進行了改進并加入了土地使用的參數，將改進的DRASTIC模型對瀉湖環境中糞肥使用對地下水影響進行評價［34］。國內科研工作者也根據不同區域的實際情況對DRASTIC模型做了具體的改進并在相應的城市地下水脆弱性評價中加以應用。鐘佐燊在探討地下水防污性能評價方法中就提出了根據中國情況用DRTA模型評價潛水的防污性能，用DLCT模型評價承壓含水層的防污性能［23］。李立軍在松原市地下水防污性能評價中應用在DRASTIC模型基礎上改進的DRTA模型進行了該區的地下水防污性能評價，并且評價結果采用 MapGIS軟件實現可視化顯示［35］。李輝、陳鴻漢等在特定的條件下簡化 DRASTIC模型對湛江市淺層地下水防污性能進行了評價，表明結果能較真實的反映湛江市淺層地下水防污性能［36］。劉香、王潔等結合我國華北平原沉降帶沖洪積含水層水文地質特征，提出了一套適用于層狀含水層水文地質條件的城市地下水脆弱性評價模型——RAMIP模型，并將其應用在廊坊市淺層地下水脆弱性評價中［37］。陳浩、王貴玲等結合我國存在大面積污水灌溉區，且污灌區主要集中在城市周邊的實際情況，確定DRSICP模型［27］。陳少坤、付強等根據三江平原的實際情況，提出了基于熵權的DRASCLP評價方法，并對三江平原的地下水脆弱性進行評價［38］。周金龍、吳彬等根據內陸干旱區的特點，提出了 DRAV 模型［28，39］，對新疆焉耆縣平原區的地下水脆弱性進行了評價。王焰新、Broder J.Merkel等根據城市區域研究的具體情況提出了 DRAMIC模型［40］，并使用該模型對武漢市區第四系含水層地下水有機污染敏感性研究加以應用［17］。

1.4 DRASTIC模型應用前景

近年來，隨著 GIS技術的日臻完善和普及，人們對多變量、多數據的復雜系統的研究跨上了一個新臺階。雖然GIS技術已經在地下水脆弱性評價中得到應用，但兩者的結合程度和適應程度還遠遠不夠，主要矛盾是目前所獲得的信息量滿足不了GIS的要求。但是我們完全有理由相信，GIS技術與各種數學模型的結合將是地下水脆弱性評價的一個最主要的發展方向［23］，由于GIS可以使得一個復雜模型的結果更加的清晰為決策者提供了實用的工具［41］。地下水脆弱性包括固有脆弱性和特殊脆弱性，單純評價地下水的固有脆弱性可以說明天然狀態下地下水系統對污染和人類開發利用所表現的固有脆弱性，但是卻經常出現地下水對某一特定污染源或人類活動的脆弱性表現更突出的現象，因此在以后的地下水脆弱性評價工作中廣泛收集土地和地下水開發方式、強度和污染負荷等內容，將地下水的固有脆弱性和特殊脆弱性結合起來分析，也是地下水脆弱性評價的下一步發展方向［20］，這也對DRASTIC模型的應用提出了新的挑戰。

2 結語

自1968年法國的Margat首次提出地下水脆弱性這一概念以來，國內外許多專家、學者都對其進行了討論和研究，相繼提出多種模型進行概念的量化，DRASTIC模型是城市地下水脆弱性評價應用最廣泛的模型。由于各個地區具體情況不同，結合地區實際情況對DRASTIC模型進行改進加以應用能夠更好的對研究區脆弱性進行評價。隨著人們對地下水脆弱性的認識程度逐漸的加深，加上科技水平的不斷上升，相信地下水脆弱性方面的諸多問題會不斷的得到解決，隨著研究的不斷深入和發展，DRASTIC模型的內涵會逐漸的豐富和完善，加上計算機技術的協助必能在全球生態環境的保護和資源合理開發利用方面發揮重要的作用。

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Review on Urban Groundwater Vulnerability Assessment by Using DRASTIC Model

YANG Gui－ fang1，2，JIANG Yue － hua2，LI Yun2
(1.Graduate Department of China Academy of Geological Science，Beijing 100037;2. Nanjing Institute of Geology and Mineral Resources，Nanjing 210016，Jiangsu)

Groundwater vulnerability assessment is a useful tool for environmental planning and decision－making.Many studies have been carried out and several models have been developed for assessing groundwater vulnerability worldwide.In the paper，it introduces the DRASTIC model which assesses groundwater vulnerability. It also presents the index system as well as evaluate method and specifies the limitations of the DRASTIC model;after that，it summarizes modified models of the DRASTIC model and the apply cases，finally，it outlooks the apply prospect of the model.

Urban groundwater;vulnerability;DRASTIC model and application prospect

TV211.1+2

A

1004－1184(2012)01－0005－04

2011－10－10

楊貴芳(1985－)，女，安徽宿州人，研究生，主攻方向:地下水有機污染。