呼倫貝爾高平原地區淺層地下水脆弱性評價

張　川,唐　蘊,唐克旺

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所,北京　100038; 2.中國地質大學(北京)水資源與環境學院,北京　100083)

呼倫貝爾高平原地區淺層地下水脆弱性評價

張川1,2,唐蘊1,唐克旺1

(1.中國水利水電科學研究院水資源研究所,北京100038; 2.中國地質大學(北京)水資源與環境學院,北京100083)

摘要：在充分考慮呼倫貝爾高平原地區水文地質條件的情況下,提出了基于DRASTIC模型的DRASL評價方法,利用層次分析法確定各指標權重,結合ArcGIS平臺對呼倫貝爾高平原地區淺層地下水進行脆弱性分區,并對評價指標的合理性做了相關的敏感性分析。結果表明,高脆弱性地區主要分布在海拉爾區周邊和滿洲里市東郊,土地利用和地下水位埋深是影響呼倫貝爾高平原地區地下水脆弱性的關鍵因素。

關鍵詞：呼倫貝爾高平原;地下水脆弱性;層次分析法;DRASTIC模型;敏感性分析;ArcGIS平臺

國外地下水脆弱性評價研究工作開始較早,1987年,Aller等[1]提出了地下水脆弱性評價DRASTIC模型方法,先后應用于美國Columbia、Wyoming等10個縣區的地下水脆弱性評價工作中,并被加拿大、南非等國采用[2-4]。1991年,DRASTIC模型方法被Lobo-Ferreira博士引入歐共體,并先后在多個國家使用,歐盟委員會(EEC)地下水工作組采用了該評價模型方法作為歐盟各國家統一的地下水脆弱性評價方法。目前該評價方法也是國際應用最為廣泛的地下水脆弱性評價方法。

國內地下水脆弱性評價工作約在1995年起步[5-7],自我國跟歐盟1996年合作引進了DRASTIC模型方法后,楊慶等[8-9]在大連、廣州等地區采用DRASTIC模型方法進行了地下水脆弱性評價研究,中國地質調查局在2004年把DRASTIC方法列入GWI-D3《地下水脆弱性評價技術要求》,將其作為地下水脆弱性評價的推薦方法[10]。

呼倫貝爾高平原地區(以下簡稱研究區)由于工礦企業和農牧業比較發達,且地下水開采布局不合理,分布不均,加之不規范的地下水開發利用,導致區內地下水受到污染的可能性較大,同時對境內自然保護區的生態環境造成潛在威脅。因此,對研究區開展地下水脆弱性評價工作具有重要的現實意義。本文基于DRASTIC模型提出了DRASL評價方法,利用層次分析法確定各指標權重,結合ArcGIS平臺對研究區淺層孔隙水脆弱性進行評價分析,為該地區地下水資源的保護和可持續利用提供科學依據。

1研究區概況

研究區位于內蒙古自治區境內東北部,北緯47°38′～49°58′、東經116°10′～120°11′之間,北以額爾古納河為界與俄羅斯接壤,南抵蒙古,西鄰呼倫湖,東連鄂溫克自治旗。面積約3.72萬km2,占自治區總土地面積的3.14%,行政區劃包括海拉爾區、鄂溫克自治旗、陳巴爾虎旗、新巴爾虎右旗、新巴爾虎左旗及滿洲里市。區內大部分地區仍保留著完整的天然草原景觀,是東北地區現存最大的草原畜牧業基地。

研究區深居內陸,緯度偏高,遠離海洋,屬中溫帶大陸季風和半干旱草原氣候。多年平均氣溫0～3℃,多年平均降水量250～400 mm,多年平均蒸發量在1 000～2 000 mm間變化。降水量自東向西遞減,同降水量分配相反,蒸發量自東向西逐漸增大。區內主要流經的河流有海拉爾河、額爾古納河、烏爾遜河、克魯倫河、輝河和伊敏河等,與研究區毗鄰的兩大湖泊為呼倫湖和貝爾湖,形成了廣袤的沖積平原、沙質波狀高平原、湖濱平原、沼澤濕地以及沙地。區內現有輝河和呼倫湖兩大國家級自然保護區,在保護珍稀鳥類、濕地、草原和森林生態系統方面有著重要的生態價值。2012年,呼倫貝爾市水資源總量為272.94億m3,人均占有量約為1.07萬m3,水資源人均占有量比較豐富。

區內第四系地層分布廣泛,全新統至下更新統地層均有分布,由于所處的地貌位置、地層結構和沉積厚度的不同,地下水的賦存條件差異也很大,據此將研究區內地下水劃分為兩個基本類型:松散巖類孔隙水、基巖裂隙水,其中,松散巖類孔隙水含水層是該區的主要含水層,主要分布在河谷平原、波狀高平原及沼澤濕地中。含水層主要由砂、砂礫石、含黏土砂礫石組成,因為所處的地貌位置以及含水層結構、巖性、補徑排條件的差異,其富水性也有明顯的不同。研究區內孔隙潛水的主要補給來源是大氣降水,南部的孔隙水也接受貝爾湖和哈拉哈河地表水的側向補給。研究區內潛水水化學特征有著一定的水平分帶性,與區域內地下水的補給區、徑流區和排泄區的分布情況是一致的,在高平原大部分區域內,由于地下水受地形起伏的控制,徑流情況較差,地下水中各離子含量較高,一般為重碳酸硫酸氯化物或重碳酸氯化物型水,礦化度為1～3 g/L,且部分離子含量超標,受人為因素影響較大。

2研究區水資源及開發利用現狀

2012年研究區縣級行政區總供水量為4.75億m3,地表水供水量約為1.92億 m3,地下水供水量約為2.83億 m3,各縣級行政區供水量情況見表1。

表1　2012年研究區各縣級行政區供水量　萬m3

2012年研究區縣級行政區總用水量為4.79億m3,地下水用水量約為2.83億 m3,占總用水量的59.08%。其中,農業灌溉用水3 035萬 m3,林牧漁業用水7 399萬 m3,工業用水2.03億 m3,城鎮公共用水923萬 m3,居民生活用水2 567萬 m3,生態用水1.36億 m3。

3研究區淺層地下水脆弱性評價

由于研究區內含水層水力傳導系數和包氣帶介質數據難以獲取,可采用已有的含水層介質和土壤介質類型數據代替其進行評價;該區地形坡度基本上在2%以內,地形起伏不大,對污染物的運移變化影響不大,故不用考慮地形坡度的影響;土地利用類型是反映人類活動行為對地下水以及污染物運移影響比較重要的因子,在評價過程中可以考慮選取該評價因子。據此,結合研究區實際水文地質條件,本文選擇了影響地下水脆弱性的地下水位埋深(D)、含水層凈補給量(R) 、土壤介質(S)、含水層組巖性(A) 和土地利用類型(L)5 個評價指標,建立基于DRASTIC模型的DRASL評價指標體系對研究區淺層地下水脆弱性進行評價。

3.1指標數據的選取

a. 地下水位埋深。地下水位埋深是地下潛水水面到地表之間的距離,表征了水從地表入滲進入到含水層所經歷的路程長短,據此可以確定污染物與周圍介質的接觸時間,是評價模型當中最重要的影響因子。一般來說,地下水位埋深越大,污染物在遷移時被稀釋或降解的可能性就越大,地下水脆弱性就越低;反之,地下水位埋深越小,地下水脆弱性也就越高。研究區的地下水位埋深多在0～50 m之間,差異較大,本文收集到的地下水位埋深數據來自于當地水利部門調查的研究區138眼地下水監測井數據,在ArcGIS平臺中處理后可得到研究區地下水位埋深分布圖,等級評分見表2。

表2　DRASL評價指標等級劃分和賦值

b. 含水層凈補給量。含水層的凈補給量是地表水入滲進入地下并最終進入到含水層的水量,可以通過年降水量減去年蒸發量、地表徑流量及植物和土壤蓄水量來獲取含水層的凈補給量數據。一般來說,含水層凈補給量越多,污染物隨著地表水入滲遷移進入到含水層的量也就越大,地下水脆弱性越高;反之,含水層凈補給量越少,地下水脆弱性也就越低。但隨著凈補給量的增加,污染物被稀釋、降解以及發生氧化還原反應的可能性也就越高,反而地下水脆弱性會降低。研究區含水層的補給項主要包括降雨入滲和灌溉入滲,本文收集到的含水層凈補給量數據來源于當地水利部門水資源調查評價成果,是2014年以縣為單位統計的補給量的平均值,包括降雨入滲補給量和灌溉入滲補給量,在ArcGIS平臺中處理后可得到研究區含水層凈補給量分布圖,等級評分見表2。

c. 含水層介質。含水層是能夠給出或透過一定水量的巖層和土層。含水層中地下水的流動受含水層介質的制約,相應的污染物隨水流遷移也受地下水流和含水層介質的影響。一般來說,含水層介質顆粒越大,滲透系數越大,含水層介質的稀釋能力越小,地下水脆弱性越高;反之,含水層介質顆粒越小,滲透系數越小,地下水脆弱性越低。研究區內地下水含水層主要為松散巖類孔隙含水層,本文收集到的含水層介質類型數據來源于中國地質調查局全國地質資料館紙質報告,掃描并在ArcGIS平臺中處理后可得到研究區含水層介質類型分布圖,等級評分見表2。

d. 土壤介質。土壤介質是非飽和帶上部具有生物活動的部分,通常為平均厚度2 m或小于2 m的地表風化層。土壤介質對滲入到含水層的地下水補給量有一定的影響,因而污染物在隨水流入滲到含水層的過程中也會受到影響。一般來說,土壤介質顆粒大小、有機質含量、黏土礦物含量、黏土的脹縮性能、含水量等對地下水脆弱性有著很大影響,土壤介質顆粒越小、黏土礦物含量越高、土壤的脹縮性越小、有機質含量越高、含水量越高,地下水脆弱性越低;反之地下水脆弱性越高。研究區的土壤介質大部分為砂土以及砂質壤土,對當地的地下水脆弱性影響較大,本文收集到的土壤介質類型數據來源于“中國土壤科學數據庫2011版”(中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所數字土壤實驗室制作),經ArcGIS平臺處理后可得到研究區土壤介質類型分布圖,等級評分見表2。

e. 土地利用類型。土地利用類型是人類在改造利用土地進行生產和建設的過程中所形成的各種具有不同利用方向和特點的土地利用類別。人類活動的不斷加劇是導致地下水環境受到破壞的主要原因之一,而土地利用類型的變化則是人類活動的真實寫照,主要表現在不同的地表覆蓋物對降水入滲和蒸發的影響,從而影響到地下水的補給和排泄,進而污染物的運移也會受到相應的影響,可以通過對土地利用類型變化的研究來分析其對地下水脆弱性高低的影響。本文收集到的是土地利用類型數據來源于研究區2014年5—9月的TM遙感影像,分辨率30 m,通過遙感解譯并根據研究區實際情況將土地利用類型分為耕地、草地、林地、未利用土地、水域以及城鄉、工礦和居民用地等6種類型,在ArcGIS平臺中處理后可得到研究區土地利用類型分布圖,等級評分見表2。

3.2評價指標權重的確定

本文基于層次分析法(AHP)[11]確定DRASL評價方法中各評價指標的權重大小,盡量避免傳統模型中權重賦值過程中人為因素的干擾,針對目標層,對準則層的5個評價指標采用1～9標度法比較:地下水位埋深不僅影響含水層補給量的大小,而且也影響污染物進入到含水層的能力,是5個評價指標中最重要的因子;而土地利用類型決定了含水層凈補給量的大小以及地形的起伏,影響力比地下水位埋深稍弱;其次是含水層凈補給量,該因子的大小直接決定了進入到含水層污染物的數量,比之土地利用類型影響力稍弱;對研究區來說,其含水層組巖性主要是砂、砂礫石以及砂礫巖等,土壤介質類型主要為砂土以及砂質壤土,對地下水脆弱性的影響區別不大,但污染物遷移最終進入含水層,兩者中含水層介質又稍顯重要。

根據以上分析,在參考研究區實際水文地質條件基礎上,考慮到5個指標對地下水脆弱性影響程度不同,可將土壤介質取標度2,含水層介質取標度3,含水層凈補給量取標度4,土地利用類型取標度5,地下水位埋深取標度6。采用層次分析法計算并經一致性檢驗后獲得地下水位埋深、土地利用類型、含水層凈補給量、含水層介質、土壤介質這5個評價指標的權重依次為0.30、0.25、0.20、0.15、0.10。

4評價結果及分析

4.1評價結果

在ArcGIS軟件中選取柵格為基本的評價單元,柵格大小100 m×100 m,柵格數3 027×2 644個,將5個評價指標按劃分的權重進行空間疊加,可以得到研究區淺層地下水脆弱性分區結果如圖1所示。

按照自然間斷點分級法將研究區脆弱性指數分為5個區間:低脆弱性[1.50，2.79),較低脆弱性[2.79，3.34),中等脆弱性[3.34，3.90),較高脆弱性[3.90，4.63),高脆弱性[4.63，7.48]。

4.2結果分析

a. 低脆弱性及較低脆弱性區。主要位于高平原區新巴爾虎左旗境內西北部、西南新巴爾虎右旗境內以及海拉爾河以北低山丘陵、額爾古納河東南沖積平原一帶,分布面積2.07萬km2,占高平原區總面積的55.6%。該區地下水位埋深較大,多在23～50 m范圍內,含水層自凈能力較強,土壤類型以黏土和黏壤土為主,大部分為牧區,土地利用方式以草地為主,除北部海拉爾河一帶降水補給較多外,其他大部分地區降水補給少,且該地區人口不密集,耕地、城鎮稀少,對地下水的開發利用很少,地下水脆弱性相對較低。

b. 中等脆弱性地區。主要位于高平原區南部烏爾遜河以東沖積平原、東部伊敏河以西一帶、輝河以南沖積平原一帶以及海拉爾河中下游一帶,分布面積1.10萬km2,占高平原區總面積的29.6%。該區地下水位埋深在10～20 m之間,主要接受大氣降水入滲補給,部分地區接受河流側向補給,含水層巖性以細砂、砂巖、砂礫巖為主,含水層具有一定的自凈能力,會有少許污染物隨水流進入到含水層,土壤以砂土、砂質壤土為主,土地利用以草地為主,有少部分未利用土地,含水層凈補給量在100 mm/a以下,地下水脆弱性中等。

c. 較高脆弱性及高脆弱性區。主要位于高平原區東北海拉爾區、陳巴爾虎旗和鄂溫克族自治旗兩旗政府駐地周邊、滿洲里市東郊、輝河以北沖積平原以及新巴爾虎左旗阿木古郎鎮周邊,分布面積0.55萬km2,占總面積的14.8%。該區地下水類型主要為松散巖類孔隙水,地下水位埋深淺,多在0～10 m之間,污染物易進入含水層,含水層自凈能力較差,含水層凈補給量在150～200 mm/a之間,土地利用以耕地及城鄉、工礦和居民用地為主,其次為草地。該區人口密集,人類活動頻繁,農牧業及工礦業較發達,地下水開采量大,水位水質易受影響,地下水脆弱性高。

根據研究區地下水脆弱性評價分區結果,提出地下水污染預防對策:①對研究區內地下水脆弱性高的地區,例如海拉爾區、陳巴爾虎旗和鄂溫克族自治旗兩旗政府駐地周邊、滿洲里市東郊以及輝河以北沖積平原,應頒布相關管理條例,規范地下水開采行為和農藥化肥的使用情況;對地下水脆弱性低的地區,例如廣大草原牧區,應加強地下水監測和管理,防止人為污染;②對一些地下水脆弱性高且以開采地下水為主的地區,例如滿洲里市鐵路水源地一帶和城鎮人口聚集區,應盡快建立水源地保護區,采取有效保護隔離措施,避免地下水遭到污染而無法保障供水安全;③在已受到污染的含水層地帶,應該開展地下水修復及土壤修復工作。

4.3敏感性分析

由于水文地質條件不同,相同的地下水脆弱性評價指標在不同的研究區影響程度是不一樣的,例如在華北平原地下水位埋深是很重要的影響因子,對地下水脆弱性有著很大的影響;而在地下水位埋深差異小的地區,影響則不是那么明顯。

對影響研究區地下水脆弱性的評價指標進行敏感性分析,討論每個指標參與評價的必要性,分析判斷對該區地下水脆弱性影響最高和最低的指標,也是對地下水脆弱性評價指標選取合理性的一個驗證。敏感性高的評價指標對地下水脆弱性影響較大,在野外調查和室內數據資料收集時應著重考慮,增加采樣密度,提高數據精度;敏感性低的評價指標對地下水脆弱性影響較低,可以適當放寬其數據要求;敏感性最低的指標,在需要調整地下水脆弱性評價指標體系時可以考慮去掉。

目前地下水脆弱性評價中有兩種敏感性分析方法,分別是由Napolitano等[12]提出的單參數敏感分析法和Lodwick等[13]提出的地圖移除參數分析法,本文采用單參數敏感分析法對研究區脆弱性評價參數進行指標敏感性分析。單參數敏感分析法用于評價每個指標對地下水脆弱性的影響,通過計算每個指標的有效權重進行分析。有效權重是每個指標評分和對應權重的乘積占研究區地下水脆弱性指數的百分比,計算公式為

(1)

式中:W為單指標有效權重;Pr為指標評分;WP為指標對應權重;I為地下水脆弱性指數。

表2　研究區評價指標有效權重分布

計算結果(表2)表明,有效權重平均值從大到小依次為地下水位埋深(34.50%)、土地利用類型(27.60%)、含水層凈補給量(14.41%)、土壤介質(12.65%)和含水層介質(10.84%),其中,地下水位埋深和土地利用類型是影響研究區地下水脆弱性最重要的兩個指標,敏感性較高;含水層凈補給量、土壤介質和含水層介質敏感性稍低,三者對研究區地下水脆弱性影響程度基本一致。總體來看,不存在敏感性特別低的評價指標,選取指標較為合理。本文基于層次分析法確定的評價指標的權重值(地下水位埋深0.30、土地利用類型0.25、含水層凈補給量0.20、含水層介質0.15和土壤介質0.10),與敏感性分析得到的有效權重相比,差異較小,指標權重確定較為合理。

5結論

a. 研究區地下水脆弱性整體上處于較低水平,地下水防污性能良好,較高脆弱性及高脆弱性地區分布面積為0.55萬km2,僅占研究區總面積的14.8%,這些地區人口密集,存在著農業、工業和生活污染源,易隨水流遷移進入含水層污染地下水。

b. 通過敏感性分析與層次分析法相互驗證,可知選取的5個評價指標以及權重分配較為合理,其中,地下水位埋深和土地利用類型是影響研究區地下水脆弱性的最重要因素,如何搜集這兩個評價指標更為準確和具有代表性的數據是該地區地下水脆弱性評價工作的關鍵。

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Assessment of shallow groundwater vulnerability in Hulunbeir high plain

ZHANG Chuan1,2,TANG Yun1，TANG Kewang1

(1.DepartmentofWaterResources,ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch，Beijing100038,China；2.SchoolofWaterResourcesandEnvironment,ChinaUniversityofGeosciences(Beijing)，Beijing100083,China)

Abstract：After fully considering the hydrogeology condition of the Hulunbeir high plain, the DRASL assessment method based on the DRASTIC model was established. The index weight was determined using the analytic hierarchy process (AHP), the partition based on the vulnerability of shallow groundwater in the Hulunbeir high plain was conducted combining with the ArcGIS platform, and the sensitivity analysis of the assessment index rationality was performed. Results show that the regions with high vulnerability mainly distribute in the Hailar District and the east part of Manzhouli City. The land use and groundwater depth are key factors affecting the vulnerability of groundwater in the Hulunbeir high plain.

Key words：Hulunbeir high plain; vulnerability of groundwater; analytic hierarchy process; DRASTIC model; sensitivity analysis; ArcGIS platform

DOI：10.3880/j.issn.1004-6933.2016.03.004

基金項目：科技基礎性工作專項(2012FY130400);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07201006)

作者簡介:張川(1989—),男,碩士研究生,研究方向為水環境遙感。E-mail:zhangchuan0803@163.com 通信作者:唐蘊,教授級高級工程師,博士。E-mail:tangyun@iwhr.com

中圖分類號：P641.8

文獻標志碼：A

文章編號：1004-6933(2016)03-0019-05

(收稿日期：2015-04-01編輯：熊水斌)