基于Mapgis和AHP的DRASTIC模型的合肥市地下水防污性能評價

王松 管后春

摘要：隨著城市化進程的加快，合肥市淺層地下水受到了不同程度的污染。本文選取地下水位埋深、凈補給量、含水層滲透系數、地形坡度、含水層介質、土壤介質及非飽和帶介質等7個指標，用層次分析法確定權重，建立了合肥市地下水易污性評價的DRASTIC指標體系。借助Mapgis軟件的空間分析及制圖功能，對該地區(qū)淺層地下水防污性能進行評價和分區(qū)。評價結果與實測研究區(qū)地下水質量較好地吻合，說明基于DRASTIC模型的淺層地下水防污性能相關成果在一定程度上可為本地區(qū)政府管理部門制定城市規(guī)劃、工業(yè)布局和地下水資源保護提供決策參考。

關鍵詞：地下水防污性能；DRASTIC模型；層次分析法；Mapgis

隨著工業(yè)化和城市化進程的加快，導致地下水污染日益嚴重，地下水防污性能已成為研究熱點。受城市“三廢”排放的影響，城市生態(tài)環(huán)境質量明顯下降，水土污染日趨嚴重，地表水和地下水水質明顯下降，危害人體健康。

目前，合肥老城區(qū)淺層地下水單項指標污染嚴重，屬中一重度污染，估算經濟損失達4660萬元，給城市發(fā)展帶來較嚴重的負面影響。此外，地下水污染難以被發(fā)現，且污染后的治理與恢復困難。

本文根據研究區(qū)的實際情況，對《地下水污染調查評價規(guī)范》（DD2008-01）推廣的DRASTIC模型進行適當改進，建立研究區(qū)淺層地下水易污性評價DRASTIC指標體系，利用Mapgis空間分析功能和制圖技術編制防污性評價分區(qū)圖，為研究區(qū)地下水污染、地下水資源的保護提供科學依據，并為地方政府土地利用、規(guī)劃等提供參考。

1.水文地質概況

根據研究區(qū)地下水的賦存條件、水力性質及地層巖性組合特征，將本區(qū)地下水劃分為松散巖類孔隙水、碎屑巖（紅層）空隙裂隙水、碳酸鹽巖類巖溶水和基巖裂隙水四大類型。根據巖性、水量等的差異，進一步細分為不同亞類（表1）。

2.地下水防污性能影響因素

地下水防污性能是指地下水環(huán)境對于自然條件變化和人類活動影響破壞帶來的一系列問題的敏感程度，通俗的說法就是地下水的易受污染程度。地下水防污性能與多種影響因素密切相關，其中主要包括含水層結構、埋藏條件、水動力條件、地下水形成條件及地下水環(huán)境。影響地下水固有防污性能的因素主要包括補給量、土壤介質、包氣帶、飽和帶，其次為地形、地表水和下伏含水層。

3.地下水防污性能評價方法

本次研究是基于合肥市區(qū)域地下水固有屬性的研究，因此僅考慮研究區(qū)地質和水文地質條件。結合研究區(qū)的實際情況，選取基于Mapgis和AHP的DRASTIC法作為此次評價方法。該方法為地下水防污性能評價的經典方法，也是目前應用最廣、效果最好的一種評價方法。

根據評價區(qū)自然地理、地質及水文地質條件，選取地下水埋深（D）、凈補給量（R）、含水層介質（A）、土壤介質（S）、地形坡度（T）、包氣帶介質（I）及含水層滲透系數（C）7個指標，建立合肥地區(qū)地下水易污性DRASTIC評價因子。其中，D、R、C、T為數值分類，A、S、I為介質分類。

DI值越高，防污性能越差；反之防污性能越好。D1分級見表2。

3.1評價因子

本次研究設計各評價因子的評分值范圍為1～10，分值越低防污性能越好，評分越高防污性能越差。對各評價因子的分級及評分值見表3。

（1）地下水埋深（D）

地下水埋深是對地下水防污性能影響最大的因子之一。本次調查評價對象為潛水含水層，由地下水位確定含水層埋深，埋深越深，防污性能越好。此次將地下水位埋深對地下水防污陛能影響分為7個級別，并分別賦予分值（表3）。

（2）凈補給量（R）

補給水控制著污染物在包氣帶和含水層中的彌散和稀釋。調查評價區(qū)淺層地下水補給主要來源于降雨量，采用降水人滲系數計算R值，具體計算方法見《合肥市濱湖新區(qū)三維地質調查成果報告》。南淝河、派河、豐樂河、杭埠河、店埠河、二十里埠河、板橋河等河谷平原區(qū)中一級階地、漫灘R值為129mm/a、波狀平原R值為43mm/a，丘陵山區(qū)中紅層孑L隙裂隙水含水層與一般構造裂隙水含水層R值均約為86mm/a，風化帶網狀裂隙水含水層R值約為103mm/a。

（3）含水層介質（A）

污染物滲透途徑和滲流長度強烈受含水層介質性質的影響，通常狀況下，含水層中介質顆粒越大，裂隙或溶隙越多，滲透性越強。調查評價區(qū)含水層中介質評分從高到低有碳酸鹽巖、礫石層、含礫砂層、砂層、粉質粘土、粘土、礫巖、砂巖、千枚巖、片麻巖、泥巖、塊狀安山巖等。

（4）土壤介質（S）

土壤介質是包氣帶頂部具有肥力并能生長植物的疏松物質層，影響著污染物垂直進入包氣帶的能力。一般情況下，粘土顆粒越小，防污性能越好。調查評價區(qū)中基巖區(qū)土壤層很薄或缺失，其他區(qū)域大部分為粉質粘土或含礫粘土。

（5）地形坡度（T）

地形坡度影響著地表徑流，決定污染物是隨著地表徑流而被沖走還是留在一定的地表區(qū)域內最終向下墊面人滲。地形坡度>18%的地區(qū)，地表徑流大，污染物很大部分隨地表徑流沖走，人滲小，地下水防污性能就好；相反，地形坡度<5%的地區(qū)，地表徑流微弱，污染物人滲的機會大，地下水防污性能就相對較差。

以1：5萬地形圖中等高線為數據源，采用Mapgis空間分析中DTM模塊分析功能，按照表3分級評分標準，做出地形坡度對淺層地下水防污性能評價（圖1）。分布于南淝河、派河、豐樂河、杭埠河、店埠河、二十里埠河、板橋河等河谷兩側的一級階地和河漫灘，地形平坦，略向河床及下游傾斜，坡度大部分小于5。，地下水較易一很易受污染；橋頭集、紫蓬山等基巖區(qū)及江淮分水嶺一帶，地形坡度較大，地下水較難一很難受污染。

（6）包氣帶影響（I）

調查評價區(qū)包氣帶指潛水水位以上非飽水帶，包氣帶介質裂隙欠發(fā)育，對地下水防污性能的影響主要表現在其顆粒的粗細。

（7）含水層滲透系數（C）

水力傳導系數越高，污染物在含水層隨地下水遷移轉化的速度越快，防污性能就越差。據水文地質鉆孔中抽水試驗，合肥市中晚更新世裂隙孔隙含水巖組和基巖裂隙含水巖組滲透系數極小，如基巖裂隙含水巖組滲透系數c值0.0036m/d～0.0059m/d；滲透系數最大的巖溶含水巖組c值0.8m/d～5.0m/d。即該區(qū)域內無論河谷平原、波狀平原還是基巖區(qū)均屬單因子極難污染等級。

3.2因子權重

本次研究對各因子賦權重方法參照管后春等（2016）。按因子對防污性能影響大小給予不同權重，傳統(tǒng)的影響因子最大的權重值為5，最小的為1，權重和為23。本次調查評價采用層次分析法（AHP）確定各影響因子的權重，為使表2分級標準仍適用于式（1）評價結果判定，將由AHP法歸一化確定的權重乘以23。

根據各因子之間相對重要性比較，利用專家打分法，構建了用于確定DRASTIC模型中各評價因子權重的判斷矩陣A如表4所示。利用AHP法歸一化確定的權重如表5所示。將由AHP法歸一化確定的權重乘以23，得到適用于于式①評價結果判定的各評價因子權重（表3）。

3.3基于Mapgis的地下水防污性能評價的實現

首先，對地下水防污性能評價指標中的單因子進行評價，利用Mapgis矢量化制圖功能，編制單因子分區(qū)圖，對不同等級的區(qū)域賦予不同的顏色，并設置相應的屬性結構，利用“區(qū)編輯”中“根據參數賦屬性”功能，對不同顏色標識的區(qū)域賦予相應的評分值存于區(qū)屬性結構中。

其次，利用Mapgis將全區(qū)分割成500mx500m的評價單元，每個評價單元視為一個評價點，共8360個評價點。在屬性數據庫的基礎上，利用Mapgis的“空間分析”功能中“點對區(qū)的相交分析”功能，依次對各單因子分區(qū)圖進行點對區(qū)相交分析并合并，合并后形成的點文件綜合屬性庫。通過庫管理模塊中屬性庫管理輸出屬性，按照各評價因子的權重計算得出各評價單元防污性能指數值，再應用“連接屬性”功能將“防污性能指數”字段連回新點文件中。最后，按照地下水防污性能分級標準，基于DTM分析模塊繪制的平面等值線圖經適當整飾得出地下水防污性能分級評價圖（圖2）。

4.評價結果與分析

4.1評價結果

此次調查評價結果顯示，調查區(qū)地下水防污性能好、中、差面積幾乎各占全區(qū)面積（2096k㎡）的三分之一（表6，圖2）。

（1）地下水防污性能好區(qū)

主要分布于調查評價區(qū)中紫蓬山（I-1）、橋頭集一帶基巖區(qū)（I-4）、江淮分水嶺（I-3）及波狀平原（I-2），總面積713.63k㎡。

I-1區(qū)、I-3區(qū)和I-4區(qū)影響因子特點是地形坡度大、淺層地下水位埋深較大、含水層滲透系數極小，均為地下水防污性有利因子。

I-2區(qū)淺層地下水水位大都為5m-10m，屬稍難污染等級；R值屬較難污染等級；地形坡度和土壤介質分別屬于極難污染、較難污染；含水層介質和包氣帶介質均稍易污染等級。綜合評價為淺層地下水防污陛能好。

（2）地下水防污性能中等區(qū)

主要分布于調查評價區(qū)中紫蓬山一上派鎮(zhèn)（Ⅱ-1）、煙墩鄉(xiāng)一蜀山鎮(zhèn)（Ⅱ-2）、崗集鎮(zhèn)一雙墩集一店埠鎮(zhèn)（Ⅱ-3）及復興集（Ⅱ-4）一帶，總面積683.80k㎡。

Ⅱ-1區(qū)、Ⅱ-2區(qū)、Ⅱ-3區(qū)和Ⅱ-4區(qū)地下水水位大都為5m-10m，屬稍難污染等級；R值屬較難污染等級；土壤介質屬較難污染等級。但地形坡度屬稍易一較易污染等級；含水層介質和包氣帶介質均稍易污染等級。綜合評價為淺層地下水防污性能中等區(qū)。

（3）地下水防污性能差區(qū)

主要分布于南淝河、店埠河河谷平原（III-1）、派河河谷平原（III-2）和豐樂河、杭埠河河谷平原（III-3），總面積698.58k㎡。

地下水位埋深屬較易一很易污染；凈補給量R、含水層介質和包氣帶介質屬很易污染等級；土壤介質屬較難一稍易污染等級；地形坡度屬較易一極易污染等級。綜合評價為淺層地下水防污性能差區(qū)。

4.2評價結果可靠性分析

地下水質量與地下水防污性能相關，如圖2所示，區(qū)域上，分布于東大圩一撮鎮(zhèn)鎮(zhèn)一店埠鎮(zhèn)一帶淺層地下水Ⅴ類水質分布區(qū)（不宜飲用水區(qū)），主體上屬于南淝河、店埠河河谷平原淺層地下水防污性能中等一差區(qū)；環(huán)巢湖岸帶淺層地下水Ⅳ、Ⅴ類水質分布區(qū)，也屬于南淝河、店埠河、派河、豐樂河、杭埠河等河流下游的平原區(qū)，為淺層地下水防污性能差區(qū)。說明了基于Mapgis和AHP法改進的DRASTIC模型計算的合肥市地下水防污性能評價結果與實測的地下水質量較吻合，方法較為可靠。需要指出的是，夏店鄉(xiāng)北東一帶Ⅴ類水質分布區(qū)，對應于淺層地下水防污性能好，若排除樣品遭受二次污染可能，則所構建的評價模型還有待于進一步完善。以便為當地政府管理部門制定城市規(guī)劃、工業(yè)布局和地下水資源保護提供更準確的決策參考。

5.結論

（1）本文在利用國內外研究經驗和DRASTIC模型的基礎上，配合Mapgis和AHP的分析方法，結合合肥市的地質、水文地質條件，建立了適合研究區(qū)的地下水防污性能評價的指標體系。

（2）對合肥地區(qū)淺層地下水的防污性能評價表明，研究區(qū)地下水防污性能好的區(qū)域面積713.63k㎡，占34.05%；防污性能中等區(qū)域面積為683.80k㎡，占32.62%；防污性能差區(qū)域面積為698.58k㎡，占33.33%。

（3）地下水防污性能評價結果與研究區(qū)實測地下水質量能夠較好地吻合，所建立的評價指標體系較為可靠，評價結果可為當地政府制定城市規(guī)劃、工業(yè)布局和地下水資源保護提供決策支持。