城市化進程背景下的華北平原典型城市區地下水環境及防污性能研究

馬小雷

(中冶地集團西北巖土工程有限公司，陜西 西安 710119)

城市的發展離不開地質環境，而環境地質又承載和影響人類的經濟行動發展。研究人類工程和經濟活動與地質環境相互作用、相互影響。一方面是自然的地質環境的基本屬性要素(如地形地貌、構造、巖性、水文地質、工程地質條件等)；另一方面是影響自然地質環境的人類工程經濟活動(包括其方式、規模與強度等)，論證兩者之間相互關系及地質環境對人類生存發展有不利和潛在不利影響的各種不良地質作用和現象(如地面沉降、地裂縫、水質污染等一些列環境地質問題)；為國土開發整治和城市規劃建議管理提供科學的地質依據，是城市經濟發展對地質工作的新要求。因此，對研究區開始地下水環境及防污性能的研究是十分必要的。

1 研究區背景條件

將位于華北平原南部的邯鄲市區作為主要研究對象。邯鄲市區整體上屬太行山中南部中低山向華北平原南部過渡地帶，地勢總趨勢為西高東低，自南向北傾斜，地形地貌差異較大復雜多變，地表形態復雜多變，中低山、丘陵、盆地、平原和洼地相間分布，大致以京廣鐵路為界，東部地區主要為平原[1]。

研究區地層以第四系覆蓋層為主，西部有第三系、三疊系地層出露。其中第四系地層分布于東部平原區，巖性和厚度分布不均，由于沉積原因，自西向東厚度逐漸增大，顆粒由粗變細[2]。

2 研究區水文地質條件

根據地形地貌，地層巖性，地下水賦存條件，以及地下水的補給、徑流和排泄條件，研究區主要為松散巖類孔隙水水文地質區。其中松散巖類孔隙水水文地質區根據含水層的富集特征，大致可分為三段：

0～30 m，含水層為中細砂含少量砂礫石層，結構松散，隔水層為淡黃色亞粘土層。

30～80 m，含水層最富集，巖性為粗砂礫石層，結構松散，富水性好，一般機井單井出水量7～10 m3/h·m。

80～230 m含水層以中細砂為主，單層厚度小，富水性差，隔水層以亞粘土，粘土為主。機井單井出水量1～5 m3/h·m。

本區地下水含水層厚25～35 m，主要接受大氣降水、井灌回歸、地表水入滲等補給；地下水的主要排泄方式是人工開采，其次為側向徑流排泄和蒸發排泄。地下水主要為承壓——微承壓水，水化學類型為重碳酸氯化物鈉(鈣、鎂)型、重碳酸硫酸(氯化物)鈣(鎂、鈉)型，礦化度多小于1.0 g/L。

3 研究區地下水環境

3.1 研究區地下水污染評價

3.1.1 評價方法

計算公式：

(1)

式中：Piw為地下水綜合指數(污染綜合指數)；Ci為地下水某物質檢出含量；C0i為下水某物質起始值。

對各水質點利用式(1)分別計算單指標污染指數評價結果Piw，并同表1中污染分級標準對照進而劃分污染等級，得出每一個指標單指標污染等級劃分結果。從而掌握每一個指標對地下水的污染狀況[3-4]。

表1 單指標污染指數分級標準

采用所有參評指標按照單指標污染評價等級，對地下水樣品進行綜合污染評價，確定地下水污染等級。地下水污染等級采用單指標評價結果的最高類別確定，并要說明最高類別的具體指標。

3.1.2 評價指標的選取

研究區地下水污染評價分為區域地下水污染評價和重點區地下水污染評價，除常規指標外，選擇人類活動產生的有毒有害物質作為評價指標，包括8項指標。分別為三氮：硝酸鹽，亞硝酸鹽，氨氮；毒性重金屬：鎘、鉻、鉛、汞、砷。

3.1.3 對照值的確定

結合評級區歷史上最早監測數據和“六五”國家科技攻關第38項中的“華北平原地下水污染評價”綜合確定本次評價對照值。

3.1.4 評價結果

研究區范圍為153 km2。經計算，評價結果如下：未污染區、輕污染區、嚴重污染區分布面積分別為42.825 km2、101.235 km2、和8.62 km2，分別占評價面積的28.05%、66.31%、和5.64%。主要污染因子為礦化度、硬度、硫酸根、氯離子、硝酸根、亞硝酸根、氟離子。分布位置及范圍見圖1。

圖1 研究區地下水污染評價圖

3.2 研究區地下水質量評價

3.2.1 評價標準及項目

根據《地下水污染調查評價規范》(DD2005-01)，結合本次研究的具體情況，確定參評指標23項：pH、Fe、Mn、Cu、Zn、AI、Cl-、SO42-、總硬度、溶解性總固體、耗氧量、As、Cr6+、Pb、Hg、Se、F-、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、Na+、I-[5]。

3.2.2 評價方法

單因子評價法是《地下水質量標準》中推薦的方法。該方法過程明了，簡潔易懂，但是存在著受較差指標控制性較大，評價結果過于片面的缺點。單因子評價法的評價流程如下：①進行各單項組分評價，劃分組分所屬質量類別；②找出個單項組分的最高類別(最劣類別)；③單項組分的最高類別即為該地下水類別；④指出最高類別的指標[6-7]。

3.2.3 評價結果

研究區范圍153 km2。經計算，評價結果如下，研究區為較好區、較差區和極差區，分布面積分別為59.66 km2、12.37 km2、80.63 km2，各占評價區面積的39%、8%和53%，以水質較好區和極差區為主。分布位置及范圍見圖2。

圖2 研究區淺層地下水質量分區圖

4 研究區地下水防污性能研究

地下水防污性能評價是國際水文地質研究的熱點問題，是地下水污染防治區劃需要考慮的主要因素之一，也是地下水資源保護和管理的重要參考依據。本次研究工作主要針對本質防污性能，也稱含水層天然防護能力，是指不考慮人類活動和污染源而只考慮水文地質內部因素的防污性，具有相對靜態、不可變和人為不可控制性[8]。

4.1 評價方法

DRASTIC方法是大范圍宏觀尺度上區域地下水防污性評價的經驗模型。目前，該方法已被許多國家和地方采用，是地下水防污性能評價中相對成熟和最常用的方法之一。根據研究區實際情況，本次地下水防污性能評價選取改進的DRASTIC模型，選取地下水埋深(Depth to Water )、凈補給量( Net Recharge )、包氣帶巖性(Impact ofthe Vadose Zone)、含水層累積厚度(Aquifer Media )和滲透系數(Aquifer Hydraulic Conductivity)作為評價指標。建立評價模型如下：

DRITC=DrDw+RrRw+IrIw+TrTw+CrCw

(2)

式中： D、R、I、T和C分別為地下水埋深、凈補給量、包氣帶巖性、含水層累積厚度和滲透系數，w表示評價指標的權重，r為評價指標評分等級，DRITC為評價綜合指數，DRITC值越大，地下水防污性能越低[9-10]。

研究區地下水防污性能評價采用該方法，并結合矢量化編制研究區地下水防污性能成果圖。

4.2 評價步驟

4.2.1 指標遴選及評分

根據研究區的實際情況，本次地下水防污性能評價選取地下水埋深、凈補給量、包氣帶巖性、含水層累積厚度和滲透系數作為評價指標。各指標含義、對地下水防污性能的影響敘述如下。

(1)地下水埋深：地下水埋深主要決定污染物到達含水層的距離以及污染物在到達含水層前與周圍介質接觸發生各種反應的時間，埋深越大，發生反應的時間就越長，污染物衰減的機會就越多,地下水脆弱性越低。

(2)凈補給量：凈補給是污染物進入地下水含水層的載體和動力，補給量越大，能夠溶解并帶入地下水的污染物就越多，地下水受污染的可能性就越大，地下水脆弱性就越高。凈補給量主要包括降雨補給量、灌溉回歸量和河流補給量三項。

(3)包氣帶巖性：包氣帶巖性主要影響降雨的入滲系數，包氣帶巖性顆粒越粗，入滲系數就越大，則地下水補給量就多，從而可能帶入地下水污染物就越多，地下水脆弱性也就越高。

(4)含水層累積厚度：含水層累積厚度主要反映了地下水儲存空間的大小，厚度越大，則儲水空間就越大，可以儲存的地下水就越多。地下水的稀釋能力和納污能力就越強，地下水脆弱性就越低。

(5)滲透系數：含水層水力傳導系數受含水層中的粒間孔隙、裂隙和層間裂隙等所產生的空隙的數量和連通性控制。該指標主要影響地下水流動速度，水力傳導系數越大，地下水的流速越大，從而污染物的傳播速度就快，地下水脆弱性也就越高。

4.2.2 單元剖分及數據提取

(1)單元剖分。根據研究區面積和精度要求，對研究區進行間距為2 km×2 km正方形網格剖分。將山前沖洪積、沖湖積平原兩個區作為防污性能權重分區。

(2)數據提取。將各指標根據評分標準，形成各評價指標的評分圖并賦予相應的評分，然后與剖分單元文件進行空間相交分析，各指標評分就傳遞給了剖分單元，再在屬性庫子系統下，將各評價指標的評分輸出，進行相應的處理。

4.2.3 權重計算

本次權重賦值克服了DRASTIC模型中各指標權重一成不變的缺陷，根據研究區實際情況賦權重。層次分析法能夠通過一致性檢驗保持邏輯上的一致性，但權重賦值具有一定的主觀性，因此需要對其進行優化。對權重進行靈敏度分析，了解各指標權重變化對評價結果的影響，為調整指標權重提供依據，以便得到最優化的指標權重，為地下水防污性能分區的準確性提供了有力保障[11]。

4.2.4 評價結果

據式DRITC=DrDw+RrRw+IrIw+TrTw+CrCw，得到每個剖分單元的綜合值，將綜合值等間距劃分為五級(表2)。

表2 地下水系統防污性能分級

根據上述評價方法，對研究區防污性能進行了分區評價。從評價結果可知，工作區內無防污性能好區；防污性能較好區面積12.93 km2，占總面積的11.8%，主要分布在馬頭鎮的東部地區；防污性能中等區面積96.72 km2，占總面積的88.2%，主要分布在邯鄲的大部分地區。分區評價結果詳見表3，圖3。

圖3 研究區地下水防污性能評價圖

表3 工作區城市防污性能評價分區表 km2

5 結語

在城市化進程下，本次研究通過對以往水文地質和環境地質調查成果的綜合研究，結合本次水環境評價和地下水防污性能的研究，基本了解了研究區的水環境特征和地下水防污性能，為國土開發整治和城市規劃建議管理提供地質依據。