中國北方巖溶水脆弱性評價模型及改進

孫少游，馬靜晨，劉全國，李世君,楊 楠，潘 懋

（1. 北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2. 北京大學，北京 100087；3. University of British Columbia, Vancouver, Canada V6P4Y7。）

中國北方巖溶水脆弱性評價模型及改進

孫少游1，馬靜晨1，劉全國1，李世君1,楊 楠2,3，潘 懋2

（1. 北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100048；2. 北京大學，北京 100087；3. University of British Columbia, Vancouver, Canada V6P4Y7。）

根據(jù)北方地區(qū)巖溶含水層的特征，基于改進歐洲方法，利用ArcGIS構建了包括指標體系、權重、評分體系的北方地區(qū)巖溶含水層脆弱性評價模型。并運用該模型，對北京房山巖溶含水層脆弱性進行了評價。結果表明:巖溶水脆弱性較高的區(qū)域位于巖溶發(fā)育的地區(qū)尤其是溶洞周圍，而在范圍較小的研究區(qū)，降雨及植被覆蓋因素的影響較小。模擬結果顯示，北京房山巖溶區(qū)90%處于脆弱性較低的范圍，只有研究區(qū)西北部巖溶發(fā)育強烈的小部分區(qū)域脆弱性較高，建議加強進一步調(diào)研或應加強保護。

歐洲方法; ArcGIS; 巖溶水; 脆弱性; 房山

0 前言

巖溶水是地下水的主要賦存形式之一，肩負著世界大約25%人口的飲水任務（Derek et al，2007）。中國巖溶地下水分布面積約82.83×104km2，可開采資源量約為870.02×108km3/a，占全國地下水可開采資源總量的6.7%，也是某些地區(qū)主要的供水水源。賦存巖溶水的巖溶含水層地質(zhì)成因獨特，其一旦遭受污染，恢復治理將極其困難，特別在以巖溶水作為唯一水源的地區(qū)，其影響更是致命的。因此，對巖溶含水層進行脆弱性評價并及時采取保護措施是十分必要的（趙玉國，2011）。

地下水脆弱性指的是污染物質(zhì)到達含水層系統(tǒng)某一特定位置的傾向性與可能性（鐘佐燊，2005；Derek et al，2007）。國內(nèi)外專家通過理論研究與實例驗證已經(jīng)提出了多種地下水脆弱性評價的方法（彭穩(wěn)等，2010；趙玉國，2011；Goldseheider，2003），其中使用最廣泛的是DRASTIC，但它主要適用于孔隙含水層，對巖溶含水層脆弱性評價的適用性較差（鐘佐燊，2005；Daly et al，2002）。為此，又先后出現(xiàn)了針對巖溶含水層脆弱性評價的不同方法，如EPIK、越南模型、Slovenia模型、二元法、COP方法等（邢立亭等，2009；徐慧珍等，2006；章程等，2007），其中以歐洲模型考慮的指標最為全面,評價體系也最為完善，是目前對巖溶含水層脆弱性指標闡述最詳細的方法（彭穩(wěn)等，2010；張強等，2009），中國的蔣勇軍等人在對我國西南地區(qū)巖溶含水層脆弱性評價時，以歐洲方法為藍本進行了改進（張強，2009；楊桂芳，2002）。

近30年來，盡管地下水脆弱性研究方面的發(fā)展迅速，關于巖溶區(qū)地下水脆弱性研究卻進展緩慢。本文改進的巖溶水脆弱性評價模型基于較完善的歐洲方法，選取中國北方典型巖溶區(qū)北京市房山區(qū)為試點，結合《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準——地下水脆弱性評價技術指南建議稿》，運用ArcGIS作為工作環(huán)境，對評價因子進行優(yōu)化，形成了一套適用于中國北方巖溶水脆弱性評價的程序化方法，提高了巖溶水脆弱性評價的準確率。

1 歐洲方法

歐洲方法是基于“起源—路徑—目標”模型，可應用在地下水資源和水源地保護中，在此模型中將潛在污染物質(zhì)的釋放區(qū)視為“起源”；“目標”是地下水面或水井、泉；“路徑”包括從起源到目標之間的全部路徑（Goldseheider，2003）。歐洲方法的地下水脆弱性評價模型考慮四個因素：覆蓋層O（Overlying layers）、徑流特征C（Concentration of flow）、降水條件P（Precipitation regime）、巖溶系統(tǒng)發(fā)育K（Karstic network development）。

2 評價模型及改進

本文的巖溶水脆弱性評價模型的指標及原理如圖1所示。

以秦嶺淮河為界，中國南、北方巖溶在巖溶發(fā)育程度、巖溶水含水介質(zhì)、巖溶水動態(tài)、賦存條件等方面都存在一系列差異，而國內(nèi)的《中華人民共和國環(huán)境保護行業(yè)標準——地下水脆弱性評價技術指南建議稿》并沒有對中國南、北方巖溶發(fā)育的特點做出詳細區(qū)分。另外，歐洲方法目前的主要試點在歐洲發(fā)達地區(qū)，這些地區(qū)基礎地質(zhì)資料豐富，巖溶勘察詳實，而在我國大部分巖溶區(qū)，勘察資料獲取存在一定的困難。基于上述問題，評價模型個別因子的選取應根據(jù)我國北方與歐洲方法的特點上有所區(qū)分。本文對歐洲模型進行了如下改進，詳見表1：

圖1 巖溶水脆弱性評價模型原理圖Fig.1 The Theory of Evaluation M odel of Vulnerability of Karst Water

（1）中國北方的年均降雨量在50～800mm左右，極端降雨（暴雨＞50mm/d，大雨＞25mm/d）次數(shù)極少，故本文將降雨條件P的次級因素概化為年均降雨量Ar（我國北方各地的降雨主要集中在夏季，故取值選取近30年來6—8月降雨量的均值）與年均極端降雨次數(shù)Se。P值越大，代表該地區(qū)脆弱性越低。

（2）考慮到中國北方巖溶發(fā)育的落水洞與消水河發(fā)育極少，但有少量溶洞發(fā)育，故將歐洲方法中的落水洞、消水河的影響合并為溶洞因素，且溶洞是否在降雨情況下處于活躍狀態(tài)仍需要鑒定。因此，用Tv因子來鑒定溶洞在全年中所起的作用。其中，距離溶洞越近的區(qū)域，其脆弱性越高。

（3）巖溶區(qū)與非巖溶區(qū)植被覆蓋情況及坡度對脆弱性的影響是相反的，因此，需以分水嶺為界區(qū)分快速補給區(qū)和緩慢補給區(qū)。快速補給區(qū)是溶洞周邊區(qū)域，地形坡度越大、植被覆蓋越少，其脆弱性越高，緩慢補給區(qū)與此相反。

（4）因為C、O、P、K各因素對脆弱性指數(shù)的貢獻程度是不同的，故利用專家打分法對各因素賦權重后進行疊加計算。

3 改進模型的應用

房山位于北京市西南，其地理坐標為東經(jīng)115°25′—116°15′，北緯39°30′—39°55′，屬于大清河水系，境內(nèi)地勢西北高，東南低。以鳳凰山—上寺嶺—霞云嶺分水嶺為界，北部為大石河，南部為拒馬河。北部大石河切割較淺，由霞云嶺向北經(jīng)薊縣系地層進入寒武系、奧陶系灰?guī)r地層之中，沿岸現(xiàn)巖溶溶蝕作用形成的洼地，并受構造作用影響形成佛子莊泉、河北泉等多處泉。南部低山丘陵區(qū)廣泛分布薊縣系霧迷山組碳酸鹽巖，受拒馬河切割影響，形成兩岸陡峭的峰叢、峰林等巖溶地貌，且?guī)r溶洞穴較發(fā)育，形成石花洞、云水洞等重點景觀巖溶洞穴。山區(qū)巖溶裂隙發(fā)育，地下水入滲補給條件好。

根據(jù)房山區(qū)的水文地質(zhì)資料，結合以上改進模型進行的巖溶水脆弱性評價結果如圖2所示。

表1 模型因子改進前后對比表Tab.1 M odel factor comparison before and after improvement

圖2 房山區(qū)巖溶水脆弱性評價結果Fig.2 Evaluation of the vulnerability of karst water in fangshan

4 結果分析

根據(jù)此次收集的房山區(qū)基礎地質(zhì)、水位、降雨以及植被覆蓋于地形坡度等資料，利用本文基于ArcGIS改進的北方巖溶水脆弱性評價模型得到的房山區(qū)巖溶水脆弱性評價結果顯示：

（1）降雨因素對整個研究區(qū)的影響完全相同，這是因為研究區(qū)面積較小，整個研究區(qū)的降雨情況基本相同。

（2）覆蓋層因素于土壤類型以及土地利用類型有關，在整個研究區(qū)的中部，覆蓋層產(chǎn)生的脆弱性較低；在西北和東南的部分區(qū)域，脆弱性評價最低，因為土壤類型及性質(zhì)較好，對地下水產(chǎn)生了較強的保護能力。

（3）落水洞于消水河對研究區(qū)的影響較大，因為溶洞周邊會產(chǎn)生坡度較大的地帶，這一地帶使得地表水可以快速流入溶洞，從而將地表污染物以及與地表水混合的其他污染物一并帶入。研究區(qū)中有小面積脆弱性高的地區(qū)主要位于溶洞附近，因污染物通過點狀快速入滲進入溶洞，通過溶洞迅速進入巖溶含水層。

（4）研究區(qū)4/5的面積處于脆弱性中等或低的地區(qū)，一次無需特別的調(diào)研與保護，但是在大型溶洞周邊，模擬產(chǎn)生的紅色區(qū)域指示脆弱性較高，因此需要特別注意或者進行進一步的調(diào)研。

5 結論

本文構建了北方地區(qū)巖溶含水層脆弱性評價模型，以北京市房山區(qū)為例進行了應用及驗證，表明構建的模型基本符合實際情況，可用于北方地區(qū)巖溶含水層脆弱性評價。巖溶含水層脆弱性級別高的區(qū)域主要位于灰?guī)r裸露區(qū)、滲漏河道和泉源區(qū)，因此應該進行進一步的調(diào)研或采取相應的措施加強保護。

Derek C, W illiam s F，2007. Karst Hyd rogeology and Geomorphology [M]. Wiley Revised Edition: 551.

Goldseheider N, 2003. Karst groundwater vulnerability mapping: application of a new method in the Swabian Alb, Germany [J]. Hydrogeology Journal, (13): 555-564.

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趙玉國，2011. 基于GIS的巖溶地區(qū)地下水脆弱性評價——以重慶市老龍洞地下河流域為例[D]. 西南大學.

Evaluation M odel and Its Im provement of Vulnerability of Karst Water in North China

SUN Shaoyou1, MA Jingchen1, LIU Quanguo1, LI Shijun1, YANG Nan2,3, PAN Mao2

(1. Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering, Beijing100048; 2. Peking University, Beijing 100871; 3. University of British Columbia, Vancouver, Canada, V6P4Y7)

An improved model was proposed based on the characteristics of karst aquifers in North China. This improved model, including index system, weight and scoring system, comes from the European Model and take advantage of ArcGIS as the eff cient tool to simulate the vulnerability of Fangshan karst aquifers in Beijing. The result shows that the regions w ith high vulnerability to karst water are in the areas where karst landform is relative well-developed especially around the karst caves. Rainfall and vegetation factors are less affected in smaller study areas. The simulation result show that 90% of Fangshan karst area in Beijing is in a low vulnerability area, only a small part of the region w ith strong karst development in the northwest of the study area has higher vulnerability. It is suggested to strengthen further research or strengthen protection in high vulnerable areas.

European Model; ArcGIS; Karst water; Vulnerability; Fangshan District

A

1007-1903（2017）02-0087-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.017

北京巖溶水資源勘查評價工程（京發(fā)改[2011]1215號）

孫少游（1983- ），男，碩士，工程師，主要研究方向：地下水資源。E-mail：418171619@qq.com