西南巖溶區典型地下河流域地下水脆弱性評價

王萬金,陳登齊

(貴州地質工程勘察院,貴州貴陽 550008)

地下水脆弱性是指由于自然條件變化或人類活動影響,地下水遭受破壞的趨向和可能性[1-4]。對地下水環境的脆弱性進行評價,可以幫助制定地下水管理戰略和方針,以最大限度地保護地下水資源。

筆者選取西南巖溶區典型的地下河流域——貴州省安龍縣四方洞地下河流域進行地下水脆弱性評價。

1 評價指標體系的構建

四方洞地下河位于貴州省黔西南州安龍縣境內,是一個巖溶地下水系統[5],流域面積1 290 km2,而碳酸鹽巖出露面積占整個流域面積的80.13%。巖溶地下水系統是一個獨特的水循環系統, 具有循環系統變異敏感度高、抗干擾能力弱、穩定性差等一系列脆弱性特征[1,6-7]。造成地下水境脆弱的原因很多, 為了能夠對地下水脆弱性進行客觀的評價,必須建立統一的評價指標體系, 并對不同脆弱區的脆弱程度進行量化。對流域內地下水環境現狀進行調查分析,并綜合了相關專家及相關專業人員的意見,得出在影響巖溶石山地區地下水脆弱性的諸多因素中,出露地層、地下水埋深、石漠化程度、植被覆蓋率、土層厚度、巖層產狀是其中主要的影響因素,將這6 項主要影響因素作為地下水脆弱性評價指標, 構建地下水脆弱性評價指標體系。

a.出露地層。出露地層通常也是該區地下水的主要含水層,作為地下水資源的載體,它本身具有的特性,如巖溶化程度、孔隙度、滲透率、導水率或有效滲透系數等,很大程度上決定了其抵抗水污染的能力。評價區的出露地層由老至新分別為：二疊系茅口組(P2m)、龍潭組(P3l)、長興組(P3c),三疊系夜郎組(T1y)、永寧鎮組(T1yn)、羅樓組(T2l)、關嶺組(T2g)、楊柳井組(T2y)、壟頭組(T2l)、竹竿坡組(T3z)、賴石科組(T3ls)、把南組(T3b)、火把沖組(T3h)、二橋組(T3e)。

b.地下水埋深。地下水埋深決定了污染物到達含水層之前傳輸媒介材料的深度,以及污染物與周圍介質接觸的時間。通常,地下水埋深越大,污染物到達含水層所需的時間越長,則污染物稀釋的機會就越多。

c.石漠化程度。石漠化導致了土地涵養水源的能力下降,人畜飲水困難,可利用耕地面積減少,土壤肥力下降,農業生產力低下,并加快了地下水系統的循環速度。石漠化嚴重的地區地下水系統脆弱性較高。

d.植被覆蓋率。植被覆蓋程度對地下水資源的影響主要體現在大氣降水及地表水的下滲速度、地下水匯流速度、含水層保水效率等[8]。植物還具有一定的污水凈化功能,因此植被覆蓋率高的地區含水層的脆弱性等級低。

e.土層厚度。土壤類型和土層厚度不同,其自然降解污染物組分及污染物入滲的能力也不同,土層越厚,持水量越大,雨后滯蓄在土層及裂隙中的水以蒸發形式返回大氣,因此土層越厚,含水層的脆弱性就越低。

f.巖層產狀。巖層產狀為含水層固有特性,對大氣降水及地表水的下滲速度、地下水的匯流速度、含水層的保水效率都有較大影響。巖層傾角平緩的地區含水層的脆弱性等級相對較高。

2 評價因子實際值的量化

目前尚無統一的地下水脆弱性分級標準,沒有普遍認可的地下水脆弱性評價依據。為達到定量評價地下水脆弱性的目的,就需對地下河系統各項地下水脆弱性評價指標進行量化。根據調查人員在野外的調查情況,綜合相關專家及技術人員的意見,分別對各個評價指標進行評分。為計算方便,評價因子的分值取[1,5]之間的整數。對四方洞地下河系統地下水脆弱性各評價指標的賦值見表1。

3 評價指標權重的賦值

由于各評價指標體系因子在指標體系中的作用不同,對地下水脆弱性的影響程度也不相同,為了區分它們對評價系統影響的差異[9-10],需要確定各個評價指標因子的權重。研究采用層次分析法(簡稱AHP)[11]來確定四方洞地下河系統地下水脆弱評價指標的權重。

a.建立判斷矩陣。根據層次分析法的比例標度及含義,綜合相關專家及專業技術人員意見,對單個評價指標進行評分,建立判斷矩陣A。

b.計算評價指標因子的權重(利用求和法)。將判斷矩陣A 按列求和,并作歸一化處理,求得矩陣B：

將矩陣 B 按行求和得矩陣 V, V =[2.84 0.91 0.78 0.54 0.52 0.41]T,再將矩陣V進行 歸 一 化 處 理 得 矩 陣 W, W =[0.47 0.15 0.13 0.10 0.09 0.07]T。矩陣W 即為各評價指標因子權重：出露地層為0.47,地下水埋深為0.15,石漠化程度為0.13,植被覆蓋率為0.10,土層厚度為0.09,巖層產狀為0.07。

表1 對四方洞地下河系統地下水脆弱性評價指標的賦值

c.進行一致性檢驗。

矩陣A×W=[2.89 0.93 0.80 0.55 0.53 0.41]T

計算判斷矩陣最大特征根值λmax：

計算一致性指標CI ：

查找相應的平均隨機一致性指標RI, 可查表得出n =6 時,RI =1.24。

計算一致性比例CR ：

CR ＜0.1,故判斷矩陣A 一致性好,得出的各評價指標因子權重值是較為合理的,可以運用于實際生產中。

4 地下水脆弱度計算公式

對四方洞地下河系統進行地下水脆弱性評價,可視為利用數學模型對一個面域做某項評價。要解決面域的評價問題,可先把面域分解為無數個點,再對這無數個點按一定的標準作出相應的評價,最后整合各個點的評價結果,得出整個面域的評價結果。

針對具體的一個點(小區域),上述6 項評價指標在實際中均有相應的值與之對應。根據表1 查出其單項指標對應分值,將其與各評價指標因子權重值相乘,再相加,得出一個點(小區域)脆弱性總分值[12]。其數學計算公式為

式中：F 為一個點(小區域)脆弱性評價總分值;fi為單個評價指標的分值;ki為對應fi的權重值。

得出單個點(小區域)的總分值后,結合各評價指標因子權重值,對F 值采用加權平均法,將評價區地下水劃分為低脆弱、較低脆弱、中等脆弱、較高脆弱、高脆弱5 個等級。脆弱性評價總分值F 與脆弱等級的對應關系是：低脆弱, F ＜1.5;較低脆弱,1.5 ＜F ＜2.5;中等脆弱,2.5 ＜F ＜3.5;較高脆弱,3.5 ＜F ＜4.5;高脆弱,F ＞4.5。

5 地下水脆弱度評價過程

目前地理信息系統(GIS)已具有了空間疊加分析的能力。本次評價采用簡單易操作的Arcview3.2軟件,對各評價指標進行空間疊加分析,以圖示的方法得出最終的評價結果。

具體過程簡述如下：

a.用Arcview3.2 分別制作同比例尺的各評價指標實際值分布圖(圖1)。

b.在Arcview3.2 中輸入分析函數(公式1)進行各指標的疊加分析,得出四方洞流域地下水脆弱性評價圖(圖2)。

經分析,四方洞地下河系統地下水高脆弱區面積約100.85km2,占流域面積的7.8%,主要分布于興仁縣、李關、屯腳、普坪一帶,該區出露地層主要為三疊系中統楊柳井組(T2y)、三疊系中統關嶺組(T2g),石漠化嚴重,植被覆蓋率低;地下水較高脆弱區面積約587.3 km2,占流域面積的45.5%,主要分布于安龍縣、錢相、篤山及交樂、海子一帶,該區出露地層主要為三疊系下統永寧鎮組(T1yn)、三疊系中統關嶺組(T2g),主要為中度石漠化分布區,植被覆蓋率較低;脆弱性較低及低的區域主要為植被覆蓋較好、土層厚度大的灑雨地區及碎屑巖分布區域。

6 污染現狀與脆弱性分區對比分析

2011 年1 月,在四方洞地下河流域內取地表水樣6 組、地下水樣12 組,并整合當地水環境監測部門資料,綜合分析四方洞流域地表水和地下水的水質現狀,再結合上述地下水脆弱性分區,四方洞流域地下水、地表水污染現狀與地下水脆弱性分區對照圖作出(圖3)。

由圖3 可以看出,四方洞地下河流域內主要污染源(煤礦、金礦)多分布于地下水脆弱性較低或低的區域,這些區域的地下水未受明顯污染,但地表水體污染嚴重。受污染的地表水流經地下水脆弱度等級較高的中下游地區,通過裂隙、落水洞、地下河入口等進入高脆弱區的地下水系統[13-14], 對流域北部、中部地區的地下水造成嚴重的污染。經水質化驗表明,興仁縣至李關鄉一帶3 個水文鉆孔的水質為Ⅲ類水質,2 個巖溶泉的水質為Ⅳ類水;四方洞出口的水質為Ⅳ類水;四方洞地下河北邊支管道的水已受污染。相反,在沒有礦山開采活動的流域南面,雖然地下水脆弱性較高,但該區域內的地下水及地表水并未受明顯污染。由此可以看出地下水脆弱性反映了自然界和人類活動對地下水的影響程度。

圖1 各脆弱性評價指標量化值分布

圖2 四方洞流域地下水脆弱性分區

圖3 四方洞流域地下水、地表水污染現狀與地下水脆弱性分區對比

在西南巖溶石山地區,有很多地下河流域在水文地質條件、礦產資源分布及城鎮布局方面與四方洞地下河類似。建議在類似地下河流域內進行礦產資源開發及城鎮建設的同時,應加強對生產、生活污廢水排放的控制和處理,盡可能保護地表水環境,從而降低地下水環境被污染的程度。

[1] 章程.貴州普定后寨地下河流域地下水脆弱性評價與土地利用空間變化的關系[D] .北京：中國地質科學院,2003.

[2] 孫才志, 林山杉.地下水脆弱性概念的發展過程與評價現狀及研究前景[J] .吉林地質,2000,19(1)：429-434.

[3] 姜桂華.地下水脆弱性研究進展[J] .世界地質, 2002(1)：33-38.

[4] 彭穩,裴建國.巖溶含水層脆弱性評價方法探討[J] .水資源保護,2010,26(6)：9-11.

[5] 袁道先.中國巖溶學[M] .北京：地質出版社, 1993.

[6] 劉建剛,唐揚, 陳麗.石灰巖吸附痕量鉬的試驗研究[J] .河海大學學報：自然科學版,2010, 38(3)：300-304.

[7] 閆志為, 張志衛, 王佳佳.硫酸水對方解石和白云石礦物的溶蝕作用[J] .水資源保護,2009,25(2)：79-80.

[8] 李強.典型表層巖溶泉水化學對暴雨響應特征研究：以廣西馬山弄拉蘭電堂泉為例[J] .水資源保護, 2008,24(2)：14-16.

[9] 茍鵬飛, 蔣忠勇, 林濤, 等.典型巖溶地下河入、出口處強降雨過程中水動態變化[J] .水資源保護, 2011, 27(1)：6-8.

[10] 郭芳, 姜光輝, 袁道先.南方巖溶區地下河主要離子濃度變化趨勢分析[J] .水資源保護, 2008,24(1)：16-19.

[11] 孫宏才, 田平, 王蓮芬.網絡層次分析法與決策科學[M] .北京：國防工業出版社,2010.

[12] 王恩, 束龍倉,劉麗紅, 等.基于改進支持向量回歸的巖溶天窗水位預測模型[J] .河海大學學報：自然科學版,2011,39(1)：19-21.

[13] 殷昌平, 孫庭芳.地下水水資源勘查與評價[M] .北京：地質出版社, 1993.

[14] 鄧振平, 周小紅,鄒勝章, 等.在線監測儀在巖溶地下水示蹤試驗中的應用：廣西臨桂縣羅錦地下水示蹤試驗[J] .水資源保護,2009,25(2)：75-77.