基于GIS與DRASTIC模型的白銀市白銀區地下水脆弱性評價

張 偉，趙 旭，吳耀坤

(1.甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省地質環境監測院，甘肅 蘭州 730050)

1 研究區概況

白銀市位于甘肅省中部，被譽為中國的“銅城”，是甘肅省重要的有色金屬和能源化工基地，是甘肅省“蘭白都市經濟圈”經濟發展重要城市。白銀區為白銀市政府所在地，東鄰靖遠縣，西連皋蘭縣，南與榆中縣隔黃河相望，北靠景泰縣。全區東西長47 km，南北寬60 km，總面積1 372 km2。其地理坐標為：東經103°54′24″～104°24′55″，北緯36°14′38″～36°47′29″。

研究區屬溫帶大陸性干旱氣候區，據白銀氣象站觀測資料，研究區多年平均氣溫為7.9℃，最冷月1月平均氣溫-7.8℃，最熱月7月平均氣溫21.3℃，極端最低氣溫-26.08℃，極端最高氣溫37.3℃。多年平均降水量204.3 mm，其中7-9月降水量占全年降水量的66.1%，且多以集中的大雨及暴雨形式出現。多年平均蒸發量1 997.1 mm，是降水量的9.8倍。

研究區屬黃河流域上游的黃河干流水系。區內主要溝谷有西大溝、東大溝等，均屬黃河一級支流，自西北向東南直接注入黃河。西大溝發源于境內西北部的青石峴、頭道溝一帶，主溝總長70 km，非洪水期流量0.2 m3/s，洪水期流量0.9 m3/s。東大溝發源于境內北部的宋梁南麓的左家溝、大井子溝一帶，主溝總長38 km，在白銀城區以下非洪水期流量0.3 m3/s，洪水期流量流量0.7 m3/s。

2 區域水文地質條件

根據地下水賦存條件和含水巖組性質，研究區地下水類型可劃分為基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水三類。

2.1 基巖裂隙水

分布與研究區西部的基巖山區，分布不均、埋藏淺。含水介質為變質砂巖和綠泥片巖，構造裂隙發育填充程度較低。地下水接受大氣降水補給，沿基巖的網狀裂隙通道運動，最終以泉或以潛流的形式向地勢低洼處排泄。含水層厚度30～80 m，富水性差，一般0.01～0.03 L/s。

2.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

分布于黃河高階地一帶。地下水儲存于白堊系、新近系紅色砂巖、砂礫巖地層中，包括層間孔隙裂隙潛水和承壓水。補給源為大氣降水、地表水和松散巖類孔隙水，以泉和地下徑流的形式向外階地前緣排泄。其中，層間孔隙裂隙潛水水量較小，一般0.01～0.03 L/s；承壓水頂板埋深30～100 m，單井涌水量130.5～187.7。

2.3 松散巖類孔隙水

分布于較大的河、溝谷地。地下水主要接受農田灌溉水、大氣降水和溝谷潛水等補給，從上游向下游徑流，以泉水地形式在階地前緣排泄。含水層厚度3.7～6.3 m，地下水水位埋深垂直河谷由淺漸深。其中Ⅰ級階地水位埋深1～2.8 m，Ⅱ級階地水位埋深3.2～32 m。富水性中等，單井涌水量500～1 000 m3/d。水化學類型以SO4-Ca·Mg型為主，溶解性總固體小于1 g/L。

3 地下水脆弱性評價方法

地下水脆弱性評價主要采用迭置指數法[1]，基本原理為通過對選取的評價參數的分指數進行迭加形成一個反映脆弱程度的綜合指數，包括指標、權重、值域和分級。國外地下水脆弱性的研究開展較早[2-3]，DRASTIC模型在地下水脆弱性評價中應用最為廣泛，由美國環保署于1987年提出[4-5]，后在美國、加拿大、南非及歐共體廣泛應用在地下水脆弱性研究中。

根據研究區水文地質條件，地下水脆弱性評價采用DRASTIC模型，評價模型由地下水位埋深(D)、垂向凈補給量(R)、含水層厚度(A)、土壤介質(S)、地形坡度(T)、包氣帶介質類型(I)和含水層滲透系數(C)等7個水文地質參數組成[6-12]。模型中每個指標都分成幾個區段，每個區段賦予評分。然后根據每個指標對脆弱性影響大小計算相應權重，最后通過加權求和，得到地下水脆弱性指數(DI)。

DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TWTR+IWIR+CWCR

式中：DI為地下水脆弱性指數；DW、DR分別為地下水位埋深權重、地下水位埋深評分；RW、RR分別為垂向凈補給量權重、垂向凈補給量評分；AW、AR分別為含水層厚度權重、含水層厚度評分；SW、SR分別為土壤介質權重、土壤介質評分；TW、TR分別分別為地形坡度權重、地形坡度評分；IW、IR分別為包氣帶介質類型權重、包氣帶介質類型評分；CW、CR分別為含水層滲透系數權重、含水層滲透系數評分。

地下水脆弱性評估指標的數據來源、說明及推薦權重見表1，指標等級劃分和賦值見表2。

表1 DRASTIC模型各指標說明和權重推薦值

表2 地下水脆弱性評估指標等級劃分和賦值

地下水脆弱性綜合指數取值范圍為23～230，綜合指數值與脆弱性評價結果級別的對應關系見表3，綜合指數值越高，地下水脆弱性越高，反之脆弱性越低。

表3 地下水脆弱性評價結果等級劃分推薦值

各參數的分級分析在GIS平臺上進行，根據收集到的不同的數據參數，在ArcGIS中生成可用于分析的數據格式進行分類分析[13-15]。最后，按照地下水脆弱性分級標準(表3)，繪制出研究區地下水脆弱性評價分級結果。

4 地下水脆弱性評價

4.1 地下水位埋深(D)

研究區潛水水位埋深呈現由北至南逐漸變淺的變化規律。北部地區水位埋深大于30 m，東北側溝谷地帶埋深較淺，水位埋深大致2～4 m。西南側基巖山區，水位埋深大于30 m，向東南側水位埋深逐漸變淺，至河谷地區水位埋深僅1 m左右(圖1)。

4.2 垂向凈補給量(R)

研究區地下水垂向補給來源主要為大氣降水，故近似采用降水入滲補給量代替垂向凈補給量。研究區年均降水量自東南向西北逐漸減小，東南部降水量可達250 mm，西北部降水量約190 mm，全區內多年平均降水量204.3 mm。根據全區降水量分布DEM數據，乘以相應的入滲系數，利用ArcGIS作圖，得到垂向凈補給量評分圖(圖2)。

圖1 研究區地下水水位埋深分級圖 圖2 研究區垂向凈補給量分級圖

4.3 含水層厚度(A)

研究區地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水，在黃河沿岸有少部分地區的含水層厚度為10～15 m，其余的地區含水層厚度均小于10 m。研究區含水層厚度評分見圖3。

圖3 研究區含水層介質分級圖 圖4 研究區土壤介質分級圖

4.4 土壤介質(S)

研究區黃河沿岸及其較大支溝谷地為全更新統的沖洪積物，向北沿溝谷地帶巖石粒度逐漸變細，這一部分地區土壤介質以礫石、中砂、粗砂為主。北部的基巖山區地區其主要巖性為白堊系和三疊系的泥巖、砂巖。西部和北部主要為上更新統黃土，土壤介質為粉質壤土。北部還有部分以奧陶系基性、中基性花崗巖為基巖的地區、以及部分新近系砂巖、砂礫巖地區(圖4)。

4.5 地形坡度(T)

研究區大體呈四面環山，中部城區平緩的盆地地形。總地勢西北高、東南低，西北邊界最高點武川鄉境內的青峴標桿山海拔2 273 m；東南部最低點四龍鎮境內的黃河河心灘地海拔1 420 m，最大相對高差853 m(圖5)。

圖5 研究區地形坡度分級圖 圖6 研究區包氣帶介質分級圖

4.6 包氣帶介質類型(I)

研究區包氣帶介質為粉細砂、礫石、中砂、卵礫石。其中，南部黃河沿岸主要為卵礫石，黃河一級支溝溝底包氣帶介質主要為粗砂、粉細砂。北部較小溝谷內包氣帶介質為中細砂、砂礫石(圖6)。

4.7 含水層滲透系數(C)

研究區滲透系數隨著水位埋深的變淺而減小。黃河河谷地帶及其較大的支溝地帶滲透系數最大，滲透系數可達35～40 m/d，其余地區的滲透系數普遍較小，都小于5 m/d(圖7)。

圖7 研究區含水層滲透系數評分圖

5 脆弱性評價結果

經過ArcGIS疊加分析，研究區地下水脆弱性綜合指數分布范圍在72～172之間，對評價結果按照分級標準進行分級(圖8)

圖8 研究區地下水脆弱性分級圖

較低脆弱區主要分布在北部吳家窯、西部白楊樹溝、西南部宋家灣一帶，面積為516.5 km2，占調查區總面積的38.76%。中等脆弱區主要分布年家莊一帶溝谷兩側地區，面積為278.5 km2，占調查區總面積的20.91%。較高脆弱區主要分布在南部甘沙河、窯溝、瓜地溝兩側的基巖山區一帶，面積為393.2 km2，占調查區總面積的29.50%。高脆弱區主要分布在南部的黃河沿岸一帶，及其較大的支溝西大溝和東大溝溝谷地帶，面積最小，為144.3 km2，占調查區總面積的10.83%。

6 結語

在系統分析研究區地質、水文地質條件的基礎上，并在研究區地下水資源評價的基礎上，建立了DRASTIC地下水脆弱性評價模型，利用GIS技術繪制了各項指標分級圖，在此基礎上通過疊加分析得到評價結果，并進行了分級分區。評價結果表明，研究區地下水脆弱性總體較低，吳家窯、白楊樹溝、宋家灣一帶地下水脆弱性較低，占研究區總面積的38.8%；年家莊一帶溝谷兩側及南部甘沙河、窯溝、瓜地溝兩側的基巖山區地下水脆弱性中等，占研究區總面積的50.4%；黃河沿岸及其較大的支溝地帶脆弱性較高,占研究區總面積的10.8%。

研究區地下水脆弱性總體較低或中等，防污性能好。為地下水環境調查、保護規劃、污染防治提供了依據，合理開發利用地下水資源、土地資源、廢棄物填埋場的選址等工作具有一定的指導意義。根據地下水脆弱性評價結果，建議在人類活動和工業生產集中的地區，防治工業“三廢”和有機污染[16]，加強黃河干流及其主要支流地下水環境監測與評價。