大凌河地下水脆弱性評價

徐 桐

(遼寧省錦州水文局，遼寧 錦州 121000)

0 引 言

大凌河流域經濟發達且徑流區人口比較稠密，商業貿易往來頻繁正處于經濟快速發展期，水資源問題在不同生活方式與多重發展模式下日趨突出[1]。隨著城鎮規模的不斷擴大、人口數量的增多和經濟的發展，大凌河水資源緊缺問題日趨突出，尤其是近年來降水量的減少和各行業用水量的急劇增大，在水資源供給系統中地下水資源的重要性地位日漸顯現。然而，流域水資源的過度開發利用致使地下水位持續下降，尤其是地下水開采量大、集中供水的阜新市地區，經過長期的發展逐漸形成了埋深為12m、面積約為480.56km2的地下水漏斗。另外，地下水受農業施肥、生活污水、工業廢水等因素影響，水環境質量和承載力水平逐年下降。從不同比例尺的角度許多學者開展了水文地質相關研究，如1∶2.5萬、1∶10萬、1∶20萬的水文地質勘察等，為解決當地水資源供給緊張、地下水質量惡化防治和區域水量評價等提供了決策依據[2-7]。因此，通過評價區域地下水脆弱性識別高風險易污染區，對于地下水的科學管理、水環境保護及水資源合理開發利用，促進經濟社會與水資源的協調可持續等具有重要的現實意義。

1 地下水脆弱性影響因素

1.1 流域概況

大凌河位于遼寧省西部，流域內經濟增長速度較快且景觀變化劇烈，屬于遼寧省經濟發展和農業生產的重要區域。河流全長398km，占地面積2.38萬km2，河床平均比降0.25%，含沙量57kg/m3，流域內主干支流縱橫交錯，主要有瓦子峪河、老虎山河、牤牛河、清河、細河、大定河、涼水河等支流，主脈貫穿遼西、東南匯入渤海[8]。

該流域屬于溫帶季風氣候，四季分明，冬冷夏熱，日照充足，年均氣溫8.0℃-12.6℃，年降水量在450-600mm之間，受夏季風影響年內降水量極不均衡，其中60%以上降水集中在6-9月。沿河98%為低山丘陵區，極少數部分屬于平原區，在不同生活方式和多重經濟發展模式下河流污染問題更加突出。調查顯示，流域內65%的區域為極度或嚴重缺水狀態且已經具有較高的地下水開采利用率，為滿足區域發展和各行業用水需要，流域水資源被過渡開發利用致使地下水位持續下降。雖然大凌河水渾濁，總體水質較好，但近年來朝陽河段、喀左值凌源河段的水質污染情況嚴重，揮發酚、BOD5和COD等污染物均大于三級標準，對流域內的生態平衡和水環境產生極為不利的影響[9]。

流域內天然補給量以大氣降水入滲為主，其次為地表水補給，大凌河地下水側向徑流集中補給主要位于西北、西部邊緣的河谷入口處；而側向徑流集中排泄段以南部、東部的邊緣河谷出口為主[10]。

1.2 影響因素

地下水脆弱性反映了水系統的自我防護能力，它是指由于人類活動破壞和自然條件變化引起的地下水環境變化的敏感性。一般地，地下水的易污染性和水環境脆弱性等效，又可進一步分為特殊和固有脆弱性兩類，其中特殊脆弱性與各種污染物受地下水環境、水動力條件、含水層結構、地下水形成、埋藏條件等因素的自我防護能力相關，而固有脆弱性主要與下伏含水層、地表水、地形、土壤截止、補給量、飽和帶和包氣帶等因素相關[11-12]。

2 評價方法與指標體系

2.1 評價方法

目前，模糊數學法、統計分析法、過程數學模擬法和迭置指數法等為地下水脆弱性評價的常用方法。其中，統計分析法和過程數學模擬法一般適用于地下水特殊脆弱性評價，而固有脆弱性評價常用模糊數學法，在特殊和固有脆弱性評價中迭置指數法均比較適用。

根據不同的水文地質條件又將迭置指數法分為參數系統法和背景參數法，其中參數系統法是由美國環境保護局提出的一種應用最為廣泛的地下水脆弱性評價方法，而作為一種標準化的DRASTEC方法在參數系統法中的推廣和應用最為普遍，并在脆弱性評價中取得了較好的成效。DRASTIC法是一種采用簡單易行的加權評分法，在淺層大面積地下水脆弱性評價中具有較強的適用性。

雖然流域覆蓋范圍較大，但流域地下水含水層滲透系數、包氣帶介質、地面坡度、土壤介質、含氣層介質、凈補給和地下水埋深等均易于確定。因此，本文考慮選用GIS數據預處理平臺和DRASTIC方法，系統科學的評價大凌河地下水固有脆弱性。

2.2 指標體系

1)確定評價因子。根據當地水文地質條件和水資源評價相關資料，系統分析水環境各因子之間的相互作用、特征及成因，最終確定7個脆弱性評價指標，即含水層滲透系數C、包氣帶介質I、地面坡度T、土壤介質S、含水層介質A、凈補給R、地下水埋深D。

2)評價模型的建立。根據大凌河流域地下水埋深相對較淺的實際情況，評價體系中的包氣帶巖性指標與土壤類型指標的內涵存在一定的重復部分，而流域內地形結構與土地利用布局隨之發生較為顯著的改變，地下水的脆弱性也會隨下墊面的改變而發生變化。因此，本文綜合考慮各影響因子建立評價模型，其表達式如下：

(1)

式中：DRASTIC為地下水脆弱性評價指標值；Ti、wi分別為評價因子i的取值及其權重，基于DRASTIC提供的C、I、T、S、A、R、D各因子的權重值wi依次為0.12、0.22、0.05、0.09、0.12、0.18、0.22。

2.3 評價流程

采用GIS數據預處理平臺和DRASTIC方法，系統科學的評價大凌河地下水固有脆弱性的主要流程為：①結合流域內水文、氣象、地質、地貌、地形等數據資料建立評價體系；②數據預處理，構建評價模型；③通過分析評價結果，為水環境保護和地下水合理開采利用提供指導，詳細的評價步驟見圖1。

圖1 評價流程

1) 根據流域內水文地質條件和水資源開發利用現狀，確定評價目標為流域下墊面含水層，研究區面積為2.38×104km2。

2) 各單項指標圖的編制運用GIS系統實現，然后結合重要性程度賦予相應的屬性值，將研究區按2km×2km等間距劃分為5952個基本單元。對各指標系的相應圖件和網格剖分圖利用GIS平臺的空間分析功能進行疊加，通過轉換計算確定輸入文件。

根據如下方法獲取各指標至：①根據枯水年2016年地下水系統監測相關資料提取含水層埋深D，單位為m。②大氣降水入滲為補給流域下墊面地下水的來源，其中80%以上的補給量來源于大氣降水，為便于計算以大氣降水入滲量的近似值作為凈補給量R，單位為mm。③地形坡度值T的計算要先利用1∶25萬的地形圖，確定某一范圍內的坡度，通過內插外延法編制研究區整個范圍內的地形坡度圖。④含水層滲透系數C的賦值直接由滲透系數分布圖確定，單位為m/d。⑤按照表1中的特征值及其級別確定土壤介質S、滲流區介質I和含水層介質A。

表1 評價因子特征值與分級標準

3) 脆弱性指數DRASTIC是一個相對的概念，一般條件下其取值區間為0-10，流域地下水脆弱性與指數值呈正相關性，即脆弱性程度隨指數值的增大而增高，相對而言地下水環境遭受污染的可能性就越大。根據基于DRASTIC的模型評價模型平臺和以上行程的輸入文件，計算確定脆弱性評價值，然后依據評價結果等級劃分標準，繪制脆弱性綜合圖并進行綜合評價，地下水脆弱性分級標準和評語，見表2。

表2 地下水脆弱性分級標準和評語

3 結果分析

將流域內地下水脆弱性按照評價結果分為3個級別，即評價結果為6-7級的脆弱性略高區、評價結果為5-6級的脆弱性稍高區和評價結果為3-4級的脆弱性稍低區，所對應的受污染程度分別為略易污染、稍易污染和稍難污染。

3.1 脆弱性稍低區

大凌河南部的黃土分布區為地下水脆弱性稍低區(Ⅰ區)，覆蓋面積約0.26×104km，包氣帶巖性和地表巖性均為黃土狀粉土、黃土狀粉質黏土，透水系數在3m/s以內，水位埋深超過5m，地下水補給強度相對較弱，凈補給通常在25mm以下。該區域的地下水透水性弱、包氣帶厚度大，對于地表污染物的遷移與滲透產生不利影響，含水層導水性能較差而自凈化能力少強，地下水自我防護能力和抗污染能力較強。

3.2 脆弱性稍高區

地下水脆弱性稍高區(Ⅱ區)占地面積1.81×104km，涉及朝陽縣、老虎山河支流、北票市、義縣、錦縣等地，大凌河大部分地區均屬于該等級，其地表巖性以粉土、粉質黏土和砂為主，包氣帶以細粉砂、泥質中細砂、細砂等為主，透水系數在3-12m/s區間，水位埋深一般處于3-5m之間，地下水補給相對較強，凈補給一般超過30mm。包氣帶較強的透水性有助于污染物的遷移和滲透，地下水系統因具有一定的自凈能力而存在較好的防護功能。

在商業往來頻繁且人類活動比較劇烈的阜新市地區，水資源供給矛盾和局部地下水過度開采問題突出、工農業相對發達用水量較大，這不僅加快了地下水的更替速度和地下水位的下降速度，而且加快了污染物的遷移和滲透作用。為防止污水灌溉、農田施肥、城鎮工業和生活污水的影響，應加強對該地區的水資源保護。

3.3 脆弱性略高區

大凌河上游及其支流為脆弱性略高區(Ⅲ區)，如牤牛河、涼水河、老虎山河等支流，涉及面積約0.31×104km。包氣帶和地表巖性分別為含泥細砂、細砂、中砂和粉質黏土、細砂，水位埋深一般在3m以下，地下水補給相對較強，凈補給在30-105mm之間，地下水受地表水的影響出現強烈的交替，較好的透水性有利于污染物的遷移與滲透，地下水相對略易污染其自我防護能力差。這些地區以農業灌溉為主且人口較為密集，為保護區域內地下水免受污染應加強對污水灌溉、農田施肥和生活排污的控制。

4 結 論

1) 根據模糊綜合法和DRASTIC方法評價結果，大凌河流域地下水脆弱性以略易污染區和稍易污染區為主，由此表明大范圍的地下水污染的可能性較低，為防止地下水污染和保護地水資源，必須科學合理的限制地下水開采量。

2) 工農業生產活動較強且人口相對密集區的地下水脆弱性稍高，因此在農業施肥、生活污水和工業廢水排放方面，應結合脆弱性分析結果合理布局土地利用、科學規劃城市建設，通過采取有效的預防措施避免該區域的地下水受到污染。