天山北坡經濟帶東段淺層地下水固有脆弱性評價

王 濤,徐 明

(1.新疆地礦局第一水文工程地質大隊,新疆 烏魯木齊 830000 ;2.新疆維吾爾自治區地質環境監測院,新疆 烏魯木齊 830000)

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天山北坡經濟帶東段淺層地下水固有脆弱性評價

王 濤1,徐 明2

(1.新疆地礦局第一水文工程地質大隊,新疆 烏魯木齊 830000 ;2.新疆維吾爾自治區地質環境監測院,新疆 烏魯木齊 830000)

基于改進的DRASTIC方法,選擇地下水埋深、含水層凈補給量、含水層巖性、土壤介質類型、地面坡度、淺層地下水水質、包氣帶介質類型、含水層滲透系數和潛水蒸發量9項評價指標,分別確定其評分體系和權重體系,并利用ArcGis 10.2中的圖層空間疊加分析功能,對天山北坡經濟帶東段地區的淺層地下水固有脆弱性進行評價。結果表明:脆弱性較高區和中等區占研究區總面積的80.17%,地下水整體脆弱性偏高,而導致研究區淺層地下水脆弱性偏高的主要因素為地下水埋深較小、含水層滲透性較強、淺層地下水水質差。

淺層地下水;脆弱性評價;改進的DRASTIC方法;評分體系;天山北坡經濟帶東段地區

新疆是絲綢之路經濟帶的重要核心區,當前其經濟體量、資源稟賦、地緣優勢以及發展速度均位于西北五省區前列,而天山北坡經濟帶在打造絲綢之路經濟帶核心區的進程中又處于不可替代的重要地位。在以往的研究成果中,天山北坡經濟帶的區域性地下水脆弱性研究尚屬空白,因此筆者針對天山北坡經濟帶東段地區開展地下水脆弱性評價,為該區域經濟和生態環境的和諧發展提供借鑒。

對地下水脆弱性迄今為止仍沒有一個明確概念,但目前多數研究者認為,從廣義概念的角度考慮,地下水脆弱性是指在自然環境發生變化或受到人類活動影響的條件下,地下水可能受到破壞的程度,它同時也反映了地下水的自我防護能力[1-2]。地下水環境的脆弱性在通常情況下也可代表地下水的易污染程度[3],主要與地下水的賦存條件和含水層空間結構關系密切,也與地下水的運移特征和自我保護能力等因素有關[4-6]。固有脆弱性和特殊脆弱性通常是地下水脆弱性研究的兩個方面,而地下水固有脆弱性評價是本次研究的主要內容。

圖1 研究區示意圖

1 研究區概況

研究區位于天山北麓東部平原區,行政區隸屬于新疆昌吉回族自治州阜康市、吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘哈薩克自治縣,總面積為24 776 km2,在天山北坡經濟帶東段地區(圖1)。

研究區屬典型的大陸性干旱半干旱氣候,氣溫的季節變化幅度劇烈,降水稀少而蒸發強烈。多年平均氣溫約為3℃,降水量為46.1～335.4 mm,蒸發量為1 241.7～2 046.7 mm,無霜期為121 d。研究區內無大型水系分布。

研究區內地貌單元類型主要包括礫質平原、細土平原和沙漠。礫質平原分布在研究區南部山前一帶,地層巖性主要為第四系上更新統沖洪積卵礫石,地形坡度較大,一般為1.5%～2.5%;細土平原分布在研究區中部,地層巖性主要為第四系上更新統沖洪積砂礫石、粉土、粉質黏土,地形坡度一般為0.5%～1.5%;沙漠分布在研究區北部,地層巖性主要為第四系全新統風積細砂,地形坡度一般小于0.5%。

研究區地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙水,含水層厚度由南向北逐漸減小,南部山前沖洪積礫質平原含水層厚度一般為200～300 m,中部細土平原含水層厚度逐漸減小至100 m,在北部沙漠邊緣,受下部新近系整體抬升的影響,第四系厚度不斷減小,含水層厚度一般為20～60 m。研究區內地下水由東南向西北方向徑流,主要接受南部山前的地下水側向徑流補給、河流滲漏補給以及大氣降水入滲補給,以向下游側向徑流、人工開采為主要排泄方式,在埋深小于5 m的區域蒸發蒸騰也是主要的排泄方式之一。研究區南部平原區淺層地下水水質總體較好,溶解性總固體小于1 g/L,水化學類型以重碳酸型、重碳酸硫酸型為主,而北部沙漠區水質總體較差,溶解性總固體一般為1～3 g/L,局部地區大于10 g/L,水化學類型以氯型、氯硫酸型為主。

2 評價方法及評價因子的確定

2.1 評價方法

目前國內外學者評價地下水脆弱性的方法主要有迭置指數法、過程數學模擬法、統計法和模糊數學法等[7-8],其中迭置指數法又分為水文地質背景參數法和參數系統法[9-14]。美國環境保護局于1987年首先提出了參數系統法[14],是目前國內外地下水脆弱性評價中應用廣泛的方法之一,而參數系統法中的DRASTIC方法,更是作為一種標準化方法被普遍采用,多次應用于國內外地下水脆弱性評價工作中,并取得了良好的效果。DRASTIC方法采用的是一種經典的加權評分法,主要適用于區域性的淺層地下水脆弱性評價。本次研究中,結合研究區的實際情況,對DRASTIC方法進行改進,同時利用ArcGis 10.2中的圖層空間疊加分析工具,對研究區的淺層地下水固有脆弱性進行評價。

2.2 評價因子

以DRASTIC方法的評價體系為基礎,結合本次研究區水文地質條件、氣象特征以及地下水水質天然背景值的分布情況,選擇9項指標作為本次研究區淺層地下水脆弱性評價的評價因子,這些指標包括:地下水埋深D、含水層凈補給量R、含水層巖性A、土壤介質類型S、地面坡度T、淺層地下水水質Q、包氣帶介質類型I、含水層滲透系數C和潛水蒸發量E[15-16],其中淺層地下水水質和潛水蒸發量是本次研究中新納入DRASTIC方法的2個評價因子。

2.3 評價模型

DRASTIC方法的計算公式為

(1)

式中:IE為地下水脆弱性綜合評價指數;Vi為第i個評價因子的評分值;Wi為第i個評價因子的權重。

3 地下水脆弱性評價

3.1 各評價因子評分體系

根據中國地質調查局編寫的GWI-D3《地下水脆弱性評價技術要求》中評價因子的評分標準,結合本次研究區的地質、水文地質條件及氣象特征,對DRASTIC方法進行改進,建立各評價因子的評分體系。

a. 地下水埋深D。研究區地下水埋深由南向北逐漸減小,南部山前礫質平原地下水埋深一般大于30 m,細土平原地下水埋深一般為10～30 m,沙漠地下水埋深一般為5～10 m,研究區北部的沙漠北緣一帶,呈東西向分布有一條地下水淺埋帶,埋深一般為3～5 m,局部地勢低洼處埋深為1～3 m或小于1 m。地下水埋深在地下水脆弱性評價中是一個相對重要的評價因子,埋深越小,越不利于地下水的自我防護,含水層越易受到污染,則該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區的地下水埋深進行評分,結果見表1。

b. 含水層凈補給量R。在本次地下水固有脆弱性評價中,含水層凈補給量主要考慮大氣降水入滲補給量。結合研究區實際情況可知,地表水系在研究區內分布稀疏且不均勻,地表水對地下水的滲漏補給主要發生在研究區南部的山前沖洪積礫質平原,補給距離較短,隨后即被引用消耗殆盡因此地表水滲漏補給對地下水固有脆弱性評價的貢獻不大,不參與評價。凈補給量越大,含水層越易受到污染,則該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越小。按照該原則對研究區的含水層凈補給量進行評分,結果見表1。

c. 含水層巖性A。研究區內含水層巖性主要包括卵石、砂礫石和細砂3類,含水層巖性顆粒越粗,地下水運移條件相對越好,含水層越易受到污染,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區的含水層巖性進行評分,結果見表1。

d. 土壤介質類型S。研究區內土壤介質類型主要包括砂礫石、細砂、粉土和粉質黏土4類,在土壤介質顆粒相對較粗的區域,含水層防污性能越差,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區的土壤介質類型進行評分,結果見表1。

表1 各評價因子評分及權重

e. 地形坡度T。研究區內地形坡度由南向北逐漸減小,南部礫質平原地形坡度一般為1.5%～2.5%,中部細土平原一般為0.5%～1.5%,北部沙漠一般小0.5%。地形坡度較小的區域,地下水徑流條件相對較差,不利于地下水通過徑流的方式自凈,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區的地形坡度進行評分,結果見表1。

f. 淺層地下水水質Q。淺層地下水水質是地下水脆弱性的重要體現,在水質較好的區域,評分較低,地下水脆弱性也相對較低;反之則較高。按照該原則對研究區的淺層地下水水質進行評分,結果見表1。

g. 包氣帶介質類型I。研究區內包氣帶介質類型主要包括卵石、砂礫石、細砂、粉土和粉質黏土6類,包氣帶介質一般呈由南向北巖性顆粒由粗變細的分布特征。礫質平原包氣帶巖性一般為卵石和砂礫石,細土平原包氣帶巖性一般為粉土和粉質黏土,沙漠包氣帶巖性主要為細砂。包氣帶巖性顆粒越粗,污染物通過包氣帶進入含水層的時間越短,含水層防污性能越差,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區的包氣帶介質類型進行評分,結果見表1。

h. 含水層滲透系數C。含水層滲透系數是體現含水層透水性能的一個重要指標,當含水層的滲透系數較大時,含水層防污性能越差,該評價因子在評分體系中的分值就越高;反之則越低。按照該原則對研究區的含水層滲透系數進行評分,結果見表1。

i. 潛水蒸發量E。研究區位于半干旱地區,降水稀少而蒸發強烈,地下水資源相對貧乏,因此潛水蒸發量在地下水脆弱性評價中應重點考慮。地下水埋深較小的區域,潛水蒸發量較大,水質較差,含水層也較易受到污染,因此評分較高;反之則較低。按照該原則對研究區的潛水蒸發量進行評分,結果見表1。

3.2 權重體系

在本次研究中,以各項評價因子在DRASTIC方法中的標準權重為基準值,結合研究區的實際情況,對研究區地下水脆弱性評價中各評價因子的重要程度與基準值的一致性進行分析,結果顯示,基準值與研究區的實際情況基本吻合,因此對基準值進行歸一化計算,建立本次地下水脆弱性評價中各因子的權重體系(表1)。

3.3 脆弱性綜合評價指數

按照式(1)計算研究區的脆弱性綜合評價指數值IE,并根據表2中的標準評價研究區淺層地下水的脆弱性程度和易污染程度。

表2 脆弱性綜合評價指數及脆弱性、易污染程度對照關系

4 評價結果

按照上述方法和原則確定研究區淺層地下水脆弱性評價的評分體系和權重體系,采用改進后的DRASTIC方法,同時利用ArcGis 10.2的圖層空間分析平臺,根據研究區的客觀規律疊加并整合各評價因子的分區圖(圖2),最終獲得研究區的地下水脆弱性分區圖,并對淺層地下水脆弱性進行評價。由評價結果可知,研究區淺層地下水IE值的分布區間為3.45～7.68,按照表2中的分級標準可將研究區劃分為淺層地下水脆弱性低區、脆弱性較低區、脆弱性中等區、脆弱性較高區和脆弱性高區。

圖2 研究區淺層地下水脆弱性分區

a. 脆弱性低區。低區分布在研究區南部礫質平原與細土平原交界一帶,面積為1 174.068 km2。該區地下水埋深一般為10～30 m,含水層巖性以砂礫石為主,包氣帶介質類型為粉質黏土,含水層滲透系數為5～10 m/d,水質良好。

b. 脆弱性較低區。較低區主要分布在研究區中部的細土平原,分布面積為2 760.433 km2。該區域地下水埋深為10～30 m,含水層巖性主要為砂礫石、細砂,土壤和包氣帶介質類型均為粉質黏土及細砂,含水層滲透系數為5～10 m/d,水質良好,降水量100～200 mm,潛水蒸發量1 200～1 600 mm。

c. 脆弱性中等區。中等區主要分布在研究區南部的阜康市、吉木薩爾縣、奇臺縣和木壘哈薩克自治縣山前礫質平原區,以及阜康市北部沙漠區,分布面積為12 830.646 km2。其中,南部山前礫質平原區地下水埋深一般大于30 m,含水層巖性以卵石為主,滲透系數大于40 m/d,水質良好;西北部沙漠區地下水埋深一般為10～30 m,含水層巖性以細砂為主,滲透系數為1～5 m/d,水質較差。

d. 脆弱性較高區。較高區主要分布在研究區北部的五彩灣地區以及木壘哈薩克自治縣山前平原區,分布面積為7 033.312 km2。該區域地下水埋深一般小于10 m,含水層及包氣帶巖性均為砂礫石,土壤介質類型主要為粉質黏土,含水層滲透系數為1～5 m/d,其中五彩灣地區降水量小于50 mm,潛水蒸發量大于2 000 mm,水質極差。

e. 脆弱性高區。高區主要分布在研究區東北部的芨芨湖、老君廟一帶,分布面積為978.059 km2。該區域地下水埋深一般小于5 m,含水層巖性以砂礫石為主,土壤和包氣帶介質類型均為砂礫石,含水層滲透系數為10～20 m/d,降水量小于50 mm,潛水蒸發量為1 600～2 000 mm,水質較差。

5 結 語

a. 根據研究區的地質及水文地質條件,分別確定淺層地下水脆弱性評價的評分體系和權重體系,采用改進的DRASTIC方法,同時利用ArcGis 10.2的圖層空間分析平臺,疊加并整合各評價因子的分區圖,最終獲得研究區地下水脆弱性的分區圖及評價結果:研究區淺層地下水IE值的分布區間為3.45～7.68,可劃分為脆弱性低區、脆弱性較低區、脆弱性中等區、脆弱性較高區和脆弱性高區5個分區。

b. 通過脆弱性分區可以看出,淺層地下水脆弱性較高區和中等區占研究區總面積的80.17%,說明研究區淺層地下水整體脆弱性偏高,主要是由于地下水埋深較小、含水層滲透性較強、潛水蒸發強烈、淺層地下水水質差等因素造成的。

c. 從脆弱性分區圖中不難發現,在五彩灣和芨芨湖地區,由于地下水埋深極小,且上部包氣帶透水性較強,沒有連續分布的有效隔水層,因此屬脆弱性略高-較高區,地下水較易污染。但該區域為準東經濟技術開發區的重點核心區,目前不僅煤礦分布眾多,各類大型的煤電、煤化工及煤電冶企業也不斷建成,這給相對脆弱的地下水環境帶來了嚴重的威脅。因此,筆者僅從本次研究成果的角度考慮,建議各企業在建設和運行過程中,嚴格開展地下水環境影響評價工作,對可能造成地下水污染的區域按照最高防滲標準進行防滲,對污廢水切實做到不亂排亂放,在大力發展經濟的同時,也為地下水環境保護工作貢獻一份力量。

[ 1 ] 范琦,王貴玲,藺文靜,等.地下水脆弱性評價方法的探討及實例[J].水利學報,2007,38(5):601-605.(FAN Qi,WANG Guiling,LIN Wenjing,et al.New mehod for evaluating the vulnerability of groundwater[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38(5):601-605.(in Chinese))

[ 2 ] 王萬金,陳登齊.西南巖溶區典型地下河流域地下水脆弱性評價[J].水資源保護,2012,28(4):45-49.(WANG Wanjin,CHEN Dengqi.Evaluation of frangibility of groundwater in a typical subterranean river basin in karst area of Southwest China[J].Water Resources Protection,2012,28(4):45-49.(in Chinese))

[ 3 ] 賀新春,邵東國,陳南祥,等.地下水環境脆弱性分區研究[J].武漢大學學報(工學版),2005,38(1):73-78.(HE Xinchun,SHAO Dongguo,CHEN Nanxiang,et al.Research on partitioning of groundwater environmental vulnerability[J].Engineering Journal of Wuhan University,2005,38(1):73-78.(in Chinese))

[ 4 ] 張立杰,鞏中友,孫香太.地下水環境脆弱性的模糊綜合評判[J].哈爾濱師范大學自然學報,2001,18(2):109-112.(ZHANG Lijie,GONG Zhongyou,SUN Xiangtai.Fuzzy comprehensive judgement of groundwater environmental vulnerability[J].Natural Sciences Journal of Harbin Normal University,2001,18(2):109-112.(in Chinese))

[ 5 ] ZABET T A.Evaluation of aquifer vulnerability to contamination potential using the DRASTIC method[J].Environmental Geology,2002,43:203-208.

[ 6 ] 龍文華,陳鴻漢,李志,等.西遼河平原(內蒙古部分)地下水固有脆弱性評價[J].地質通報,2010,29(4):598-602.(LONG Wenhua,CHEN Honghan,LI Zhi,et al.Evaluation of the groundwater intrinsic vulnerability in West Liaohe plain,Inner Mongolia,China[J].Geological bulletin of China,2010,29(4):598-602.(in Chinese))

[ 7 ] DIXON B,李大秋,EARLS J,等.地下水脆弱性評價方法研究[J].環境保護科學,2007,33(5):64-67.(DIXON B,LI Daqiu,EARLS J,et al.Study on groundwater vulnerability assessment method[J].Environmental Protection Science,2007,33(5):64-67.(in Chinese))

[ 8 ] 姜桂華.關中盆地地下水脆弱性研究[D].西安:長安大學,2002.

[ 9 ] 劉仁濤,付強,李偉業,等.地下水脆弱性研究與探討[J].水資源與水工程學報,2006,17(6):1-5.(LIU Rentao,FU Qiang,LI Weiye,et al.Study on the groundwater vulnerability[J].Journal of Water Resources & Water Engineering,2006,17(6):1-5.(in Chinese))

[10] 雷靜.地下水環境脆弱性的研究[D].北京:清華大學,2002.

[11] 李濤.基于MapInfo的大沽河地下水庫脆弱性研究[D].青島:中國海洋大學,2004.

[12] ALER L,BENNET T,LEHR J H,et a1.A standardized system for evaluating groundwater pollution potential using hydrogeological settings[M].Oklahoma: Environmental Protection Agency,1987.

[13] 孟憲萌,束龍倉,盧耀如.基于熵權的改進DRASTIC模型在地下水脆弱性評價中的應用[J].水利學報,2007,38(1):94-99.(MENG Xianmeng,SHU Longcang,LU Yaoru.Modified DRASTIC model for groundwater vulnerability assessment based on entropy weight[J].Journal of Hydraulic Engineering,2007,38(1):94-99 (in Chinese))

[14] 張翼龍,陳宗宇,曹文庚,等.DRASTIC與同位素方法在內蒙古呼和浩特市地下水防污性評價中的應用[J].地球學報,2012,33(5):819-825.(ZHANG Yilong,CHEN Zongyu,CAO Wengeng,et al.The application of DRASTIC and isotope method to the evaluation of groundwater vulunerability in Hohhot,Inner Mongolia[J].Acta Geoscientica Sinica,2012,33(5):819-825.(in Chinese))

Vulnerability assessment of shallow groundwater in eastern section of Northern Tianshan Mountain Economic Belt

WANG Tao1, XU Ming2

(1.No. 1HydrologyandEngineeringGeologyDepartment,XinjiangBureauofGeologyandMineralResources,Urumqi830000,China; 2.GeologicalEnvironmentMonitoringInstitutionofXinjiang,Urumqi830000,China)

Based on the modified DRASTIC method, nine indices, including the depth of groundwater, net recharge of the aquifer, aquifer lithology, soil medium type, surface slope, quality of shallow groundwater, medium type of aeration zone, permeability coefficient of the aquifer, and evaporation discharge of phreatic water, were chosen as assessment indices to determine the scoring system and weighting system. The overlay analysis function of ArcGis 10.2 was used to evaluate the shallow groundwater vulnerability in the eastern section of the Northern Tianshan Mountain Economic Belt. The research results show that 80.17% of the research area can be classified as higher and medium zones of vulnerability. In those zones, groundwater was more vulnerable. Low depth of groundwater, high permeability of the aquifer, and poor quality of shallow groundwater were the main factors that caused high vulnerability of shallow groundwater in the study area.

shallow groundwater; vulnerability assessment; modified DRASTIC method; scoring system; eastern section of Northern Tianshan Mountain Economic Belt

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.009

中國地質調查局國家重要能源基地水文地質環境地質調查項目(1212011220970)

王濤(1985—),男,工程師,碩士,主要從事水文地質、環境地質、地下水環境影響評價等研究。E-mail:270158186@qq.com

P641.8

A

1004-6933(2017)01-0041-05

2016-05-30 編輯：徐 娟)