基于改進DRASTIC模型的陜西省地下水脆弱性評價

徐 超，周嘉月，何旭佳，楊禎婷，趙凱錚，降亞楠,2

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農林科技大學旱區農業水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

地下水是城市供水和灌溉用水的主要組成部分，在保障居民生活、支撐社會經濟可持續發展和維持生態平衡等方面具有重要的作用。隨著地下水污染的加重，地下水脆弱性的研究越來越受到世界各國和地區的重視[1-7]。國務院于2015年頒布了《水污染防治行動計劃》，提出保護水環境，嚴控地下水超采[8]。當前隨著社會經濟的日益發展和人民生活水平的不斷提高，地下水污染仍呈加重趨勢。在此形勢下，2019年3月，生態環境部、自然資源部、住房和城鄉建設部、水利部、農業農村部聯合印發《地下水污染防治實施方案》，該方案提出：“到2020年，要初步建立地下水污染防治法規標準體系、全國地下水環境監測體系；全國地下水質量極差比例控制在15%左右；典型地下水污染源得到初步監控，地下水污染加劇趨勢得到初步遏制”。其中地下水污染防治分區劃分技術要求中提出要綜合考慮地下水水文地質結構、脆弱性等因素，建立地下水污染防治分區體系，劃定地下水污染保護區、防控區及治理區，其中明確以省、市、縣行政區為工作范圍。地下水污染的防治應堅持“以防為主、防治結合、防重于治”的方針，并與大氣污染特別是土壤污染的防治相結合[9]，而脆弱性評價是制訂地下水污染防治方案的重要前提。我國北方干旱半干旱地區受自然條件和氣候因素的影響，水資源短缺，致使水資源與社會經濟發展矛盾更加突出，地下水有時為該區域唯一或重要的水源，長期超采導致北方許多地區出現地下水降落漏斗[10]。據統計，陜西省地下水取水量占總用水量的比例在陜北達40%以上、關中占60%以上、陜南達20%以上，且陜西省在氣候類型、地形地貌等方面具有代表性，因此本研究以陜西省為例進行地下水脆弱性評價，對于合理開采和保護地下水，量化地下水資源的承載力，實現地下水的可持續利用具有重要意義，也可為陜西省地下水污染防治分區劃分提供強有力的技術支撐。

地下水脆弱性(Groundwater Vulnerability)由法國水文地質學家J. Margat于1968年首次提出[11]。它反映了地下水系統遭受污染的潛在可能性與傾向性，許多學者進行了不同的解釋和探討，但目前還沒有一個公認的定義。1994年國際水文地質協會(IAH)把地下水脆弱性定義為“地下水系統的固有屬性，該屬性依賴于地下水系統對人類或自然沖擊的敏感性”，由眾多因素決定，包括地質、水文地質、污染物排放條件及其物理化學性質等[12]。美國國家科學研究委員會于1993年指出地下水脆弱性可定義為污染物從主要含水層頂部以上某位置進入后，到達地下水系統的某個特定位置的傾向或可能性，且分為兩類：一類是本質脆弱性，即不考慮人類活動和污染源而只考慮水文地質內部因素的脆弱性；另一類是特殊脆弱性，即地下水對某一特定污染源或污染群體或人類活動的脆弱性[13]。近幾年來地下水脆弱性概念不斷得到豐富、完善和發展。地下水脆弱性的定義正由以前的側重于水質方面向水量方面轉變[14]。對由于過量開采地下水所產生的資源枯竭、地面沉降、植被退化、土地沙化和鹽漬化、濕地萎縮等一系列生態環境問題引起的地下水脆弱性開始關注[15]。

目前地下水脆弱性的評價方法主要有統計方法、過程模擬法、模糊數學法和迭置指數法。統計方法能描述水資源對某一污染物的脆弱性，但需要足夠的長系列污染監測資料，對數據精度要求較高，因而應用較少。過程模擬法能描述影響水資源脆弱性的物理、化學及生物過程，精度較高，可以估計污染物的時空分布情況，但需要足夠的地質數據和長系列污染物運移數據的支撐，因而發展受限。模糊數學法通過隸屬函數來描述非確定性參數及其指標，考慮了評價指標的連續變化對水資源脆弱性的影響，可以預測污染物在空間和時間上的遷移情況，但是在評價因素權重的確定和隸屬度函數的構建上存在著不足，同時由于參數較多，需要大量的地質數據和長序列污染質運移數據，且資料和數據的獲得比較困難，花費多，只適用于小范圍的水資源脆弱性評價。迭置指數法采用的是一種經典的加權評分法，簡單易行，結果明了，但它是一種經驗性的方法，沒有嚴格的理論依據[16]。迭置指數法分為水文地質背景法和參數系統法。參數系統法的模型精度要求較低，最適用于較大尺度、數據不夠精細的區域層次的脆弱性評價[17]，目前主要方法包括DRASTIC、SINTACS、GOD[18]、PI[19]、SEEPAGE[20]、AVI[21]、EPIK[22]等，其中DRASTIC因簡潔方便而作為一種標準化方法廣泛采用[23]。該法被廣泛用于多個國家和地區且效果較好，如美國[24, 25]、加拿大、印度[26]、中國[27-30]等。國內外的研究熱點集中于在應用過程中結合當地的具體情況進行改進，如TODD等用改進的DRASTIC方法評價了美國中部Texas地區Paluxy含水層的脆弱性[25]。Rupert等利用硝酸鹽和亞硝酸鹽的觀測資料對DRASTIC方法的評價結果進行了校正[31]。范琦等分析了DRASTIC模型的不足，并在充分考慮中國平原盆地水文地質條件的前提下，提出了基于層次分析的DRUA評價方法[32]。付素蓉在GIS平臺上根據我國城市的實際情況，對原有的DRASTIC模型加以改進，提出了DRAMIC模型，并對城市地下水污染敏感性進行了分析[33]。雷靜在改進DRASTIC方法的基礎上利用Hydrus模型[34]進行了單項指標評分，并利用主成分----因子分子法確定了各個指標的權重，對唐山市平原區的地下水脆弱性進行了研究[35]。陳守煜[36]、王國利[37]等在評價過程中應用了模糊數學方法。陳南祥通過建立基于AHP的模糊綜合評價模型，對研究區的地下水環境進行了實證分析[38]。

綜上所述，采用DRASTIC方法進行地下水脆弱性的評價在國內外均有應用，且多基于GIS平臺進行參數的獲取和計算，目前在采用DRASTIC方法評價地下水脆弱性時，均需要根據評價區的特點和數據的收集和獲取情況對DRASTIC方法進行調整或改進，目前尚沒有采用該方法進行較大范圍(整個陜西省)的地下水脆弱性評價。本研究在采用DRASTIC模型來評價陜西省地下水脆弱性，考慮到大面積分析評價面臨的數據時空精度不足問題，根據實際資料、地質條件的相似性，并進一步考慮了人類活動，對原模型針對陜西省的實際情況進行了改進，考慮到地下水水位埋深在一定程度上可以反映包氣帶的影響，因此本研究去除了原模型中的包氣帶影響指標，增加了土地利用類型指標，使得改進后的DRASTIC法更適合陜西省的實際情況，且在有限的數據下獲得了滿意的實用性和準確性。

1 研究區概況

陜西省位于東經105°29′～111°15′，北緯31°42′～39°35′，全省總面積20.56 萬km2，如圖1所示。地形南北狹長，南北高、中間和東南低，有高原、山地、平原和盆地等多種地貌。其中黃土高原占全省土地面積的40%，地跨黃河、長江兩大水系。陜西省跨越3個氣候帶，陜北北部長城沿線屬中溫帶季風氣候，關中及陜北大部屬暖溫帶季風氣候，陜南屬北亞熱帶季風氣候。北山和秦嶺將陜西分為三大自然區域：北部黃土高原、中部關中平原和南部秦巴山區。3個區域的水文地質情況也各不相同。陜北由上覆黃土層的孔隙、裂隙水和下伏碎屑巖裂隙、孔隙水組成，地面切割破碎，巖層貯水條件差，降水稀少，川道及沙漠草原地下水稍豐，其他地段地下水貧乏。關中為沖積平原、黃土塬和山地，具有松散巖孔隙水為主的河谷盆地型特征，堆積物厚度大、面積廣、利于降水補給、富水性好。陜南除漢中、安康等幾個小型盆地區為松散巖孔隙水，水量較豐外，其他廣大山區均為基巖裂隙水，一般水量較貧乏，并補給河川徑流而形成基流。地下水主要受大氣降水入滲、河川徑流入滲及農田灌溉入滲等的補給[39]。

圖1 研究區示意圖Fig.1 Study area

2 DRASTIC方法的改進和數據來源

2.1 評價模型的構建

DRASTIC方法由美國環保局的Aller等于1987年提出[40]，該方法主要通過選取7個指標：D----水位埋深、R----凈補給、A----含水層介質、S----土壤介質、T----地形、I----包氣帶影響、C----含水層水力傳導系數，進行對于含水層的本質脆弱性評價。針對研究區黃土分布面積廣，土層較厚，包氣帶的影響相對復雜，且包氣帶的情況難以獲得的特點，本研究結合實際情況對DRASTIC模型進行調整，以水文地質圖為依據考慮含水層影響而不再考慮包氣帶的影響，包氣帶影響通過地下水位埋深體現[35]，用地下水位埋深(D)、凈補給(R)、含水層介質類型(A)、土壤介質類型(S)、地形坡度(T)、土地利用類型(L)、含水層水力傳導系數(C)作為7個脆弱性影響指標，改進后為DRASTLC模型。根據前人的經驗和類似地區地下水脆弱性的研究成果[7,42,43]，按各指標其對地下水脆弱性的“貢獻”程度不同分別賦予權重值5、4、3、2、1、4、3，權重值越大的指標對地下水脆弱性的影響程度越大。每個指標根據其變化范圍、本質屬性對指標圖層的柵格單元用ArcGIS的柵格重分類功能進行等級劃分，并給出相應的脆弱性評分值，各項指標脆弱性評分值加權疊加得到地下水脆弱性綜合指數GVI(Groundwater Vulnerability Index):

GVI=DwDr+RwRr+AwAr+SwSr+TwTr+LwLr+CwCr

(1)

式中：下標w表示權重，r表示評分。由公式(1)可計算得，地下水脆弱性綜合指數在65～384之間，數值越大，說明地下水水質越易受周圍因素的影響，即地下水脆弱性越高。

圖2 基于GIS的用DRASTIC模型分析地下水脆弱性的方法流程圖Fig.2 Methodology for groundwater vulnerability analysis using DRASTIC model in ArcGIS

2.2 數據來源與處理

本研究所需的數據來源如表1所示。

2.3 脆弱性評價指標

2.3.1 地下水位埋深D

地下水位埋深由原始數據來源于《陜西省地下水監測井資料》(陜西省地下水管理監測局編)，用ArcGIS的普通克里金法插值工具得到，地下水埋深決定著污染物到達含水層的傳輸媒介的深度以及與環境介質接觸的時間，一般越接近地表越易被污染。而污染物與大氣中的氧接觸也為其氧化提供了更多機會。通常埋深越大，污染物到達含水層所需要的時間越長，被稀釋和土壤吸收的機會越多，地下水受污染的可能性與程度越小，因此埋深越大，評分越小，埋深評分結果如圖3所示。

表1 評價所需的七類數據來源Tab.1 Data sources

圖3 地下水位埋深評分圖Fig.3. Rating of depth to water

2.3.2 含水層凈補給量R

含水層凈補給量由1981-2010年陜西90個氣象臺站的累年日平均降水量累加，用普通克里金法插值得陜西省各地多年月平均降水量。DRASTIC模型規定凈補給量為單位面積內滲入地表并達到含水層的水量。而降水是研究區的凈補給量的主要來源，故由降水入滲系數法計算凈補給量，入滲系數根據各地水文地質條件、土壤類型、地形等確定[41]，一般坡度較小、土壤透水性越好的地方降水入滲系數較大。污染物可通過補給水垂直傳輸至含水層，并通過補給水在含水層內擴散和轉移。因為入滲系數有主觀性，凈補給的精度較低，故含水層凈補給的評分范圍比較寬，凈補給量越大，污染物稀釋程度一般越高，評分值越大，其評分結果如圖4所示。

圖4 凈補給評分圖Fig.4 Rating of net recharge

2.3.3 含水層介質類型A

含水層介質類型由陜西省水文地質矢量圖獲得，考慮到數據的實際情況，根據含水巖組分類進行脆弱性評分，含水層中的水流控制污染物的運移路線，運移路線的長度決定著稀釋過程，運移路線是由裂隙和相連的溶洞所控制的。一般含水層介質的顆粒尺寸越大或裂隙和溶洞越多，滲透性越大，含水層介質的稀釋能力越小，地下水脆弱性越大。一般巖層越疏松、富水性越強，評分值越高，其評分結果如圖5所示。

圖5 含水層介質評分圖Fig.5 Rating of aquifer media

2.3.4 土壤介質類型S

根據數據庫(Harmonized World Soil Database)提供的數據用ArcGIS掩膜提取出陜西省土壤類型分布圖。在DRASTIC方法中所要評價的土壤層通常為距地表平均厚度不大于2m的地表風化層。土壤介質對含水層凈補給量有顯著影響，因此對污染物垂直運移至滲流區有顯著影響，根據土壤的顆粒大小和透水性確定評分值，顆粒越大、透水性越強，評分越高，其評分結果如圖6所示。

圖6 土壤介質評分圖Fig.6 Rating of soil media

2.3.5 地形坡度T

由原始DEM數據整理拼接并掩膜提取獲得陜西省DEM數據，再使用ArcGIS空間分析功能中的坡度工具得到。地形是指地表的坡度或坡度的變化，在很大程度上決定了污染物是被沖走還是在一定的地表有充分的時間停滯而滲入地下。地形也影響土壤的形成和污染物的稀釋程度，一般坡度百分比越大，污染物在地表停留的時間越短，下滲量越小，評分越小，其評分結果如圖7所示。

圖7 地形坡度評分圖Fig.7 Rating of topography

2.3.6 土地利用類型L

根據陜西省土地利用類型圖劃分，土地利用類型能反映人類活動對地下水污染的影響，如農田灌溉中農藥下滲污染地下水、城市工業用水污染地下水等。人類活動越集中的地方，地下水往往越容易受到污染，則地下水脆弱性越高，評分越高，其評分結果如圖8所示。

圖8 土地利用評分圖Fig.8 Rating of land use

2.3.7 含水層的水力傳導系數C

根據陜西省水文地質矢量圖分析得到，由含水巖組類型和富水程度綜合決定水力傳導系數的脆弱性評分值。水力傳導系數體現著含水層介質的水力傳輸性能，控制著污染物在一定水力梯度下隨地下水流動在含水層內遷移的速率，由含水層內孔隙的大小和連通度決定的。一般含水巖組孔隙裂隙越大、透水性越好，富水性越強，污染越易進入地下水系統，評分越高，其評分結果如圖9所示。

圖9 水力傳導系數評分圖Fig.9 Rating of hydraulic conductivity

2.4 評價指標評分值

在前人對類似地區做過的相關研究的基礎上[23,28,44]進行等級劃分和評分。脆弱性評分值在1～10之間，值越大表示脆弱性級別越高，各指標范圍及其評分值見表2～4。

3 評價結果及分析

根據本研究改進的地下水脆弱性評價模型方法，對每個影響因子在每個柵格單元上進行評分，將所得7個影響因子的評分圖用ArcGIS軟件的地理分析功能按各個因子所賦權重值進行圖層疊加，得到各柵格的綜合地下水脆弱性指數。

表2 地下水位埋深、含水層凈補給量、地形坡度分級與評分Tab.2 Ranks and rating for depth of groundwater, aquifer net recharge and topographic slope

根據評價結果，將陜西省地下水脆弱性按單元脆弱性指數的大小分為5個等級：低脆弱性區(脆弱性指數65～110)、較低脆弱性區(脆弱性指數110～151)、中脆弱性區(脆弱性指數151～191)、較高脆弱性區(脆弱性指數191～238)、高脆弱性(脆弱性指數238～384)，評價結果如圖10所示。

表3 含水層水力傳導系數、含水層介質類型、土壤介質類型、土地利用類型的分類與評分Tab.3 Classification and rating for aquifer media, soil media and land use

表4 含水層水力傳導系數的評價分類與評分Tab.4 Classification and rating for the hydraulic conductivity of aquifer

圖10 綜合地下水脆弱性指數Fig.10 Comprehensive GVI

將地下水脆弱性分布圖與行政區劃分圖對比分析，可知陜西省各市地下水脆弱性分布情況：高脆弱性區主要分布在漢中東南部、安康南部邊緣、商洛南部、西安中部及附近、榆林北部；較高脆弱性區主要分布在漢中中南部、安康和商洛南部除以外大部分地區；較低脆弱性區主要分布在寶雞中部及南部、西安南部、安康北部、商洛部分地區、楊凌北部，銅川、延安、榆林都有廣泛分布；延安市地下水脆弱性為中、較低或低，有高脆弱性區零星分布；榆林南部和關中平原為主的地區地下水相對脆弱性低，漢中、安康、商洛中部也有地下水相對脆弱性低區。低脆弱性區、較低脆弱性區、中脆弱性區、較高脆弱性區、高脆弱性區范圍分別占陜西總面積的22.6%、18.9%、33.8%、17.6%、7.1%。可以明顯看出陜南地下水脆弱性整體高于關中和陜北地區，在陜北只有榆林北部地下水脆弱性較高，關中地區則只有零星分布，而陜南則在漢中、安康、商洛等地都有分布。

將評價結果與2016年《陜西省水資源公報》中“陜西省廢污水排放量表”、“陜西省水功能區水質類別評價圖”[45]進行對比分析，發現陜西省各區域入河污染量最大為西安市，其次是咸陽市、渭南市、寶雞市、商洛市、漢中市、安康市、榆林市，延安市、韓城市、銅川市、楊凌區相對較小，廢污水排放量相對多的區域，往往也是地下水脆弱相對較高的區域，故本研究結果較可靠。地下水脆弱性評價結果的驗證往往通過地下水中的氮元素濃度(硝酸鹽濃度、亞硝酸亞濃度、氨氮濃度)來進行[7, 28]，但是由于陜西省面積大所需數據量巨大，目前僅有西安、寶雞、咸陽三市地下水化學分析成果表，不足以支撐對于整個陜西省地下水脆弱性評價結果的驗證。后續研究需要進一步獲取研究區的地下水氮元素濃度，進一步對該研究結果進行驗證分析。

4 結 論

本研究在前人對其他區域研究的基礎上，根據陜西省的實際情況對DRASTIC地下水脆弱性研究方法進行了改進，用地下水位埋深體現包氣帶影響，增加土地利用類型以考慮人類活動對地下水的影響，使評價結果更加符合實際。考慮到凈補給數據有限，本論文用降水入滲的相對大小來簡化計算。用ArcGIS加權疊加計算7個影響指標綜合地下水脆弱性指數，最終得出整個陜西省的地下水脆弱性分布圖。本研究表明DRASTIC模型可以根據研究區的具體情況和資料數據的收集情況靈活地進行改進，且易于在ArcGIS平臺下實現，因此非常適宜用來進行不同范圍的地下水的脆弱性評價。陜西省地下水脆弱性評價結果表明：①陜西北部、關中中部和陜西南部小部分區域地下水脆弱性高，僅占總面積的7.1%；除此外關中及以北地區地下水脆弱性低或較低，陜南大部分地區地下水脆弱性中等或較高。說明陜西的地下水脆弱性整體南部比北部高，這與南北的含水層類型與富水性差異密切相關，也與南部降水補給量大、地下水埋深淺密不可分；②從水功能區水質類別評價圖中可看出目前陜北和陜南地區部分河流水質為Ⅰ、Ⅱ，水質較好，但處于相對地下水脆弱性較高的地區，易被忽漏，需要加強對這些區域地下水污染的預防。研究結果可為陜西省地下水污染防治分區劃分提供強有力的技術支撐，有利于合理開采和保護地下水，量化地下水資源的承載力，實現地下水的可持續利用，并可為后續地下水監測站網的優化設計提供重要參考。

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