基于DRASTIC方法的烏魯木齊市平原區地下水脆弱性評價

李玉芳，陳 立

（新疆地礦局第一水文工程地質大隊，新疆烏魯木齊 830091）

0 前言

烏魯木齊市是新疆維吾爾自治區首府，是世界上最內陸、距離海洋和海岸線最遠的大型城市。隨著城市的不斷發展，烏魯木齊市的地下水資源不僅遭到超采，同時亦遭到不同程度的污染，制約了城市經濟和資源環境的協調發展。隨著國家西部大規模開發和“一帶一路”的發展規劃，烏魯木齊市還將進入大規模的開發和建設的新時期，伴隨著人口增長、生態環境及經濟發展，未來將對烏魯木齊市的水源的質量和數量提出更高的要求。由于自然條件的不斷變化以及愈來愈頻繁的人類活動的影響，其地下水資源被污染的可能性進一步增大。在充分了解烏魯木齊市地下水賦存的基礎條件的情況下，本次研究采用DRASTIC評價方法，評價研究區內淺層地下水脆弱性，并進行了地下水脆弱性分區，為烏魯木齊市地下水資源管理與規劃提供基礎資料。

1 研究區概況

研究區為烏魯木齊市行政區范圍，位于新疆中部、北天山北麓、準噶爾盆地南緣、歐亞大陸腹地，東西寬約185km，南北最長約270km，土地總面積13788km2，海拔高程680～920m。區內總體地勢南高北低，由西南向東北傾斜，地形復雜，地形大致為東、南、西三面環山，北部為烏魯木齊河流域傾斜平原。

研究區屬溫帶大陸性干旱和半干旱氣候。其主要特點是：降水量少，年平均降水量不足200mm，蒸發能力強，日照時數長；冬季寒冷，夏季炎熱，春秋兩季不甚明顯，年較差及晝夜溫差大，具有寒熱多變的典型大陸性氣候特征。該地區2014年全年月平均氣溫7.4℃，全年月平均降水量24.8mm，全年月平均日照時數248.9h。

研究區境內河流水系主要由烏魯木齊河流域、頭屯河流域和白楊河水系構成。烏魯木齊河流域包括原烏魯木齊河及南山十余條小河。流域內較大的河流有烏魯木齊河、板房溝、水磨溝等。

區內發育地層有古生界泥盆系、石炭系、二疊系，中生界三疊系、侏羅系、白堊系和新生界古近系、新近系以及第四系。巖漿巖不甚發育，多為華力西早、中期小型侵入巖體、巖株，以酸性花崗巖、中酸性石英閃長巖和花崗閃長巖、中性閃長巖和基性輝綠巖為主。總體上由南向北、從山區到平原，地層由老到新分布。其中第四系廣泛分布于烏魯木齊河、頭屯河流域、柴窩堡盆地及北部平原區。

按含水介質和埋藏條件，平原區地下水類型以第四系松散巖類孔隙水為主，碎屑巖類孔隙裂隙水以及基巖裂隙水多賦存于山區及低山丘陵區（圖1）。其中第四系松散巖類孔隙水分布于柴窩堡山間盆地、烏魯木齊市河谷地段、山前傾斜平原以及達坂城區一帶，從山前到平原中部，從河流上游至下游，地下水由第四系松散巖類單一潛水變為多層結構潛水—承壓水；碎屑巖類孔隙裂隙水主要分布在低山區及丘陵區，賦存在二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系及第三系碎屑巖類的裂隙孔隙中；基巖裂隙水主要分布于烏魯木齊東部、南部中低山區，賦存于石炭系、二疊系及泥盆系碎屑巖和花崗巖類的裂隙中（圖2）。

圖1 烏魯木齊市水文地質略圖Fig.1 Hydrogeological map of Urumqi

圖2 烏魯木齊市區域水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological section of Urumqi city region

2 地下水脆弱性評價

2.1 地下水脆弱性評價因素

地下水是一個開放系統，其脆弱程度往往是多種因素共同作用的結果，其中包括地形、地貌、含水層特征等內部因素，也包括各種人為的可能引起污染的外部因素（劉仁濤等，2006）。地下水脆弱性評價分為固有脆弱性評價以及特殊脆弱性評價。其中固有脆弱性評價考慮的評價因素主要是水文地質等內部因素，特殊脆弱性評價主要考慮外部因素。通常對地下水進行脆弱性評價是對兩種脆弱性進行綜合考慮。

在實際應用中由于各種原因，不可能對所有內外部因素全部考慮，通常是根據研究區的自然地理條件、人類活動現狀以及污染實際情況，并結合研究目的進行具體分析，盡量找出對地下水脆弱性影響較大的主要因素（敏感因子），建立一套客觀、系統、易操作的指標體系，根據指標體系進行脆弱性評價。

2.2 評價方法的選擇

目前國內外學者根據研究區特點提出了許多不同的評價方法，其中有側重于小比例尺（大范圍）的淺層地下水的固有脆弱性評價或者固有脆弱性評價和特殊脆弱性評價的聯合的迭置指數法；有適用于大比例尺（小范圍）的土壤、包氣帶的特殊脆弱性評價的過程數學模擬法；有適用于小比例尺（大范圍）的潛水的特殊脆弱性評價的統計法；也有適用于小比例尺（大范圍）的潛水的固有脆弱性評價的模糊數學方法（DIXON et al,2007）。這些方法都各有側重點及優缺點。目前，對地下水脆弱性的評價，迭置指數法中的DRASTIC方法是應用較為廣泛和成功的。

DRASTIC法中的主要指標為7項，均為水文地質參數。其中D代表地下水位埋深，R代表含水層的凈補給量，A代表含水層組介質類型，S代表土壤介質類型，T代表地形坡度，I代表滲流區介質類型，即包氣帶介質，C代表含水層滲透系數。7項指標的加權總和為最后的脆弱性評價得分，該方法提供的是相對概念，并不表示地下水污染的絕對數值。

2.3 評價模型的建立

本次地下水脆弱性評價方法采用DRASTIC評價方法。首先對7個指標分別進行評分，評分范圍為1～10，對地下水脆弱性影響越大，評分越高；然后為每個指標賦予一個相對權重值，代表每個指標的相對重要程度，權重值的范圍為1～5，其中對地下水污染影響力最大的指標的權重值賦為5，影響力最小的指標權重賦為1，權重為不可變的定值；最后脆弱性評價得分Di為以上7個指標的加權總和（范琦等，2007）。

Di的計算方式為：

式中：Di代表DRASTIC指數得分；Wj代表因子j的權重；Rj代表因子j得分。

2.4 各指標評分體系的建立

根據《地下水資源調查評價技術方法匯編》（中國地質調查局）中“地下水脆弱性評價技術要求GWI-D3”的指標特征值，通過對研究區內各種地質資料的收集、分析結果，按DRASTIC方法的評價原則，建立各指標的評分體系。

（1）D（地下水位埋深）：地下水位埋深是地下水脆弱性評價中比較重要的一個評價指標。研究區中部為烏魯木齊河谷，河谷兩側地下水位埋深20～50m不等，南部為山前傾斜平原，地下水位埋深一般大于100m，北部為細土平原，地下水位埋深10～30m。區內地下水位埋深總體趨勢為由南向北逐漸減小。通常水位埋深越小，地表污染物越容易遷移至含水層，地下水受到污染的可能性越大，因此，水位埋深越小，評分越高。按此原則對研究區內的地下水位埋深區間進行評分，結果見表1。

表1 定量評價因子等級分值及權重Tab.1 Quantitative Evaluation of the Value and Weight of Factor Grades

（2）R（含水層凈補給量）：該值可以通過區域降水等值線圖獲得。通常凈補給量的值越大，代表地下水受到污染的可能性越大，其評分越高。

（3）A（含水層介質類型）：研究區內平原區地下水以第四系松散巖類孔隙水為主，其含水層巖性主要分為砂礫層及層狀砂巖兩類，通常情況下，含水層巖性的孔隙度越大，含水層受到污染的可能性越大，其評分應該越高，反之則越低，因此相比之下，砂礫層評分相對于層狀砂巖稍高，見續表1。

（4）S（土壤介質類型）：研究區的土壤介質類型主要指距地表平均厚度2m或小于2m的地表風化層，可以分為礫（砂）、泥炭、粉質粘土（砂質粉土）、粘土及垃圾等5類，土壤厚度越小，顆粒越粗，代表含水層越容易受到污染，則該評價因子在評分體系中評分越高，反之則越低。對土壤介質類型按照此原則進行評分，結果見續表1。

（5）T（地形坡度）：研究區總體地形由西南向東北傾斜，東、南、西三面環山，北部為烏魯木齊河流域傾斜平原；南部低山丘陵區地形坡度較大，大于20%，北部傾斜平原2%～20%。

（6）I（包氣帶介質）：研究區包氣帶介質類型主要包括砂礫、含粉砂和粘土較多的砂礫、砂巖、粉砂/粘土4類，由南向北包氣帶介質巖性顆粒呈現出由粗變細的分布特征。通常包氣帶巖性孔隙度越大，地表污染物越易被帶入含水層，污染物的運移時間也越短，含水層遭受污染的可能性越大，那么該因子評分越高。

（7）C（含水層滲透系數）：影響含水層滲透系數大小的因素主要取決于含水層中介質顆粒的形狀、大小等，含水層滲透系數越大，含水層遭受污染的可能性越大，該因子評分越高，對研究區的滲透系數按此原則進行評分，結果見續表1。

續表1 定量評價因子等級分值及權重Continued from Tab.1 Quantitative Evaluation of the Value and Weight of Factor Grades

2.5 評價分析結果

根據得到的研究區DRASTIC模型的7個指標的評分圖，應用ArcGis10.2圖層分析軟件對7個指標對應的相對權重值進行圖層間的疊加分析，根據表2的劃分等級，分析得到烏魯木齊市地下水脆弱性分區圖（圖3）。

（1）極高脆弱性區：主要分布于烏魯木齊河河谷區及五一農場區域。該區地下水位埋深小于10m，包氣帶厚度較薄；包氣帶自凈能力比較弱；包氣帶巖性以砂礫石、卵礫石為主，透水性較強，滲透系數40～100m/d，有利于地表的污染物向地下水含水層的遷移和滲透；地下水補給強度大；根據評價結果，該區劃分為地下水極高脆弱性區。

表2 地下水脆弱性分級標準Tab.2 Subsurface water vulnerability classi fi cation criteria

圖3 烏魯木齊市地下水脆弱性分區圖Fig. 3 Sub-region Chart of Groundwater Vulnerability in Urumqi City

（2）高脆弱性區：主要分布于三坪農場北部、青格達湖鄉—安寧渠鎮段。該區域地下水位埋深10m左右，包氣帶厚度較薄；包氣帶自凈能力比較弱；包氣帶的巖性以砂礫石、卵礫石為主，其滲透系數30～80m/d，透水性也較強；地下水補給強度大；根據評價結果，該區劃分為地下水高脆弱性區。

（3）中等脆弱性區：主要分布于柴窩堡—烏拉泊村、永豐鄉以南至雅馬里克山、烏魯木齊河河谷兩側階地及北部山前傾斜平原三坪農場—大草灘段。該區域地下水位埋深30～80m，包氣帶厚度較厚；包氣帶自凈能力比較弱；包氣帶巖性為砂礫石、卵礫石，其滲透系數5～20m/d，透水性中等，較利于地表污染物向含水層的遷移和滲透；地下水補給強度大，根據評價結果，劃分為地下水中等脆弱區。

（4）低脆弱性區：主要分布于柴窩堡盆地及達坂城區及北部三道壩鎮北側的小部分區域，該區域水位埋深30～250m，包氣帶厚度大；包氣帶自凈能力中等；包氣帶巖性細砂、砂礫石，滲透系數較小，透水性中等，根據評價結果，劃分為地下水低脆弱性區。

（5）極低脆弱性區：主要分布于烏魯木齊市三道壩鎮以北，該區包氣帶巖性多為砂粘土、粉土、細砂；包氣帶的自凈能力比較強；滲透系數一般較小，地表污染物較難向地下滲透和遷移；地下水補給強度較小，綜合各影響因素，劃分為地下水極低脆弱性區。

3 結論

本次研究，在分析烏魯木齊市基礎地質條件及地下水賦存條件的基礎上，采用DRASTIC評價方法，對烏魯木齊市平原區地下水脆弱性進行了整體評價，同時采用ArcGis10.2軟件的圖層空間分析平臺，將各評價因子分區圖疊加并整合，形成烏魯木齊市地下水脆弱性評價分區圖。其中烏魯木齊市中心城區絕大部分地區的地下水脆弱性為中—高等，主要是由于含水層介質多為砂巖、砂礫石等透水性較好的地層，地下水埋深較小，滲透系數較大，因此在此區域進行城市規劃及各類企業建設及運行時，應嚴格開展地下水環境影響評價工作，并控制污廢水的排放，防止地下水水質受到污染。