基于AHP的DRASTIC模型在銀川市潛水防污性能評價中的應(yīng)用

劉乃靜， 趙銀鑫， 吳文忠， 張曉東， 王改平， 張 勇， 田碩豐

(寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院, 寧夏 銀川 750001)

地下水資源作為銀川市城市生活和工業(yè)用水主要來源[1]，自20世紀80年代以來，需求量不斷擴大。由于不合理的機井布局，水井的布設(shè)密度、開采深度及開采層位等沒有得到統(tǒng)一的規(guī)劃管理，集中開采承壓水已造成當(dāng)?shù)氐叵滤德渎┒钒霃街鹉陻U張、淺層地下水污染、污染的潛水越流補給承壓水等環(huán)境地質(zhì)問題的出現(xiàn)[2]，銀川市的飲用水安全受到威脅。因此，有必要查明地下水在自然或人類活動的影響下引起污染的難易程度，即定量分析研究銀川市地下水的防污性能。

目前，國內(nèi)外在防污性能研究的過程中所采用的評價法有模糊數(shù)學(xué)法[3]、GOD模型法[4]、SIGA模型法[5]、LSD模型法等[6]，運用最為廣泛的方法是DRASTIC模型法[7-9]。中國最早于1996年與歐盟合作引入該模型，對大連和廣州的地下水進行了地下水資源及其污染勢評價[10-11]，之后經(jīng)歷了模型的改進[12-18]、結(jié)合GIS[19-23]、AHP[24-27]等技術(shù)手段的改良，成為目前在全國范圍內(nèi)使用最廣泛、成熟的一種評價地下水防污性能的方法。任小榮[28-29]等在2007年對銀川平原的脆弱性進行了評價，崔秀凌等[30]在2013年利用經(jīng)驗法評價了銀川平原中部地下水防污性能，上述研究存在研究年代早、評價尺度大、主觀性強等問題，本研究基于AHP法和GIS平臺，在銀川市繞城范圍內(nèi)進行精細化的地下水防污性能評價，以期為銀川市的地下水資源防治、保護及規(guī)劃利用等工作提供最新的科學(xué)依據(jù)。

本文的研究方法層次分析法(analytic hierarchy process，簡稱AHP)是一種可將定性與定量分析結(jié)合起來[31]的系統(tǒng)分析法，常用于地下水防污性能評價的因子權(quán)重確定[25-27]。通過對影響因子的兩兩對比，采用給出的1—9標度法構(gòu)造判斷矩陣，利用歸一化確定各層次各因素之間的權(quán)重，判斷矩陣的結(jié)果可通過隨機一致性比率(consistency ratio，CR)來衡量，它是判斷矩陣的一致性與平均隨機一致性的綜合指標，其計算公式為[32]

(1)

(2)

式中：λmax為最大特征值; CR為判斷矩陣的隨機一致性比率;N為判斷矩陣的階數(shù); CI為判斷矩陣一致性指標; RI為判斷矩陣的平均隨機一致性指標。當(dāng)CR<0.10時,則認為判斷矩陣具有滿意的一致性。

DRASTIC模型是一種用來評價區(qū)域地下水的污染潛力的水質(zhì)模型，最早是由美國的水井協(xié)會(NWWA)和美國環(huán)境保護局(USEAP)于1987年共同開發(fā)成型[33]，成功應(yīng)用于當(dāng)?shù)乜h區(qū)尺度范圍內(nèi)的地下水易污性評價，該模型先后被加拿大、南非、歐盟、中國等國家廣泛推廣使用[5]。模型一般選取地下水埋深(D)、地下水凈補給量(R)、含水層介質(zhì)(A)、土壤類型(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)等7個對潛水含水層的防污性有不同程度影響的評價因子。基于AHP獲取各評價因子的權(quán)重與其分級評分加權(quán)和構(gòu)建地下水防污性綜合指數(shù)DI。計算公式：

DI=DWDR+RWRR+AWAR+

SWSR+IWIR+CWCR

(3)

式中：下標為W的變量表示各評價因子的權(quán)重,下標為R的變量表示單項評價因子的分級評分值,范圍為1～10。DI值越高,地下水防污性能相對越差,即地下水越易遭受污染;反之則地下水防污性能相對越好,地下水越不易遭受污染。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 自然地理

銀川市位于中國西北部銀川平原腹地，因西倚賀蘭山、東臨黃河，本次區(qū)內(nèi)地貌單元有洪積扇、沖湖積平原(黃河二級階地)以及洪積扇與沖積層過渡帶的風(fēng)積類地貌。屬中溫帶干旱區(qū)，多年平均降水量196.0 mm，多年平均蒸發(fā)量1 558.7 mm。

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件明顯受地貌、巖性結(jié)構(gòu)的控制，呈現(xiàn)出砂性土與黏性土互層的多層結(jié)構(gòu)，在勘探深度370 m以淺一般有4個含水層：潛水(Ⅰ)、第一承壓水(Ⅱ)、第二承壓水(Ⅲ)、第三承壓水(Ⅳ)，各含水層水力聯(lián)系密切。

銀川市的潛水類型主要為第四系松散巖類孔隙水(表1)。潛水含水層巖性以細砂、粉細砂為主，厚30～70 m，自南向北逐漸變薄，中部向東、西部變薄；水位埋深1～8 m；單井涌水量一般大于1 000 m3/d，水化學(xué)類型多為HCO3·Cl-Mg·Ca型，HCO3·SO4-Mg·Na·Ca型，Cl·SO4-Na·Ca型，水溶解性總固體282～3 581 mg/L，水質(zhì)一般，個別區(qū)域受工業(yè)活動污染。補給來源以引黃渠系滲漏補給、灌溉入滲補給為主(80%)，降雨入滲補給和側(cè)向徑流補給各占總補給量10%左右，總體徑流方向自西南向東北沿黃河流向匯入黃河，排泄方式以蒸發(fā)排泄為主(52%)[34]。

表1 銀川市潛水類型及特征

1.3 數(shù)據(jù)來源

本次研究使用的各評價因子數(shù)據(jù)大都來源于2018年《銀川都市圈城市地質(zhì)調(diào)查項目》的實測與調(diào)查結(jié)果，地下水水位埋深、土壤類型、包氣帶巖性、滲透系數(shù)、含水層單孔涌水量均源于2018年項目組成員調(diào)查的200口(0～5 m深土石井)淺井、50個雙環(huán)滲水試驗及53個水文鉆孔試驗結(jié)果，大氣降雨量利用銀川、賀蘭降雨站2018年數(shù)據(jù)，降雨入滲系數(shù)采用《銀川平原地下水資源合理配置調(diào)查評價報告》[35]中的數(shù)值，土地利用類型數(shù)據(jù)為研究區(qū)2017年土地利用圖。

2 DRASTIC評價模型的建立

本文根據(jù)銀川市的實際情況，將中國地質(zhì)調(diào)查局2008年發(fā)布的《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價規(guī)范》(DD2008-01)中推廣的DRASTIC模型進行適當(dāng)改進，建立銀川市淺層地下水防污性能評價DRASTIC指標體系，并借助GIS技術(shù)將有關(guān)參數(shù)進行綜合。

2.1 評價因子

根據(jù)銀川市的地質(zhì)背景、水文地質(zhì)條件及數(shù)據(jù)獲取的程度，科學(xué)合理的選取評價因子。銀川市位于平原區(qū)，地形平坦，地面坡度小于等于2°，地形坡度在本次評價中不作考慮；區(qū)內(nèi)潛水水位普遍較淺，調(diào)查過程中近一半的淺井水位埋深小于2 m，表明銀川市的的潛水水面距離地表較近，易受污染；銀川市的地下水補給來源除大氣降水外，主要受大面積的農(nóng)業(yè)灌溉產(chǎn)生的灌溉水補給，不同的土地利用類型對應(yīng)的補給量差異明顯；受地質(zhì)、地貌及巖性結(jié)構(gòu)的控制，銀川市含水層的富水性具有明顯的自西南向東北漸變特征；銀川平原既有洪積物堆積，也有河流、湖沼相的交替沉積，造成區(qū)內(nèi)土壤類型較多，包氣帶結(jié)構(gòu)多樣，含水層在空間上錯綜復(fù)雜等特征。因此，本文選定地下水埋深(D)、凈補給量(R)、含水層富水性(A)、土壤類型(S)、包氣帶巖性(I)和滲透系數(shù)(C)等6個評價因子反映地質(zhì)背景及人類活動對污染的影響。

2.2 基于AHP的因子權(quán)重

本次基于AHP的因子權(quán)重確定步驟：根據(jù)研究區(qū)的具體情況，在“1—9”的比較標度法的基礎(chǔ)上兩兩對比評價因子的重要程度來創(chuàng)建6階判斷矩陣(表2)；利用歸一化確定權(quán)重，計算判斷矩陣的特征值，算出對應(yīng)的特征向量，進而求得各評價因子的權(quán)重；對權(quán)重的合理性進行一致性檢驗，該判斷矩陣的λmax=6.446 8，CR=0.070 9<0.10，故判斷矩陣一致性檢驗合格，所得權(quán)重值合理可靠[32]。

表2 判斷矩陣、AHP確定的因子權(quán)重

2.3 因子的分級評分

本次DRASTIC模型中評價因子的評分值范圍為1～10，評分越高說明防污性能越差，按照該要求確定各因子分級評分及其分區(qū)(表3，圖1)。

表3 銀川市潛水防污性能各評價因子的分級及評分值

圖1 銀川市潛水防污性能單因子分區(qū)特征

2.4 地下水防污性能綜合指數(shù)分級

將以上各評價因子權(quán)重及評分代入公式(3)可定量得出銀川市各區(qū)域的地下水綜合防污指數(shù)(DI)。防污性能是一個相對的概念[12]，本次用自然間斷點分級法(Jenks)將防污性能計算結(jié)果分為5級來表示含水層防污性的相對高低(見表4)。

表4 銀川市潛水防污性能分級標準

3 結(jié)果與分析

3.1 評價結(jié)果

在掌握了各個評價因子的空間分布情況后，利用ArcGIS的空間分析功能將各單因子圖的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，再利用空間分析功能中的地圖代數(shù)—柵格計算器疊加出DRASTIC模型的銀川市地下水防污性能分區(qū)結(jié)果(見圖2)。

結(jié)合本次研究的成果(圖2，表5)，可以得出銀川市地下水防污性能表現(xiàn)為中等—弱等。

表5 銀川市地下水防污性等級面積統(tǒng)計結(jié)果

圖2 銀川市地下水防污性能分區(qū)

(1) 防污性能強—較強區(qū)域主要位于研究區(qū)中部的金鳳區(qū)及東北部的興慶區(qū)、賀蘭縣，所占面積為108.70 km2，占總面積的27.28%，污染物較難進入含水層，綜合各影響因素為不易受到污染區(qū)。

(2) 地下水防污性能弱—較弱地區(qū)分布廣泛，防污性較弱區(qū)面積為73.96 km2，約占總面積的18.56%，防污性弱區(qū)域面積為133.38 km2，占總面積的33.47%，污染物較易進入含水層，綜合各影響因素為較易受到污染區(qū)。

(3) 防污性能中等的地區(qū)在研究區(qū)內(nèi)的金鳳區(qū)與興慶區(qū)均有分布，所占面積為82.42 km2，占總面積的20.68%，整體對外界污染物的敏感性一般。

3.2 防污性評分可靠性分析

注：圖3a中細實線旁數(shù)值為硝酸根濃度值(mg/L)。

3.3 評價結(jié)果與分析

結(jié)合區(qū)內(nèi)地下水類型特征(表1)及《銀川都市圈城市地質(zhì)調(diào)查項目》自西向東方向的水文地質(zhì)剖面成果可以發(fā)現(xiàn)：防污性能弱區(qū)的地下水在西部洪積扇前緣的洪積層含水層中，如Yg32孔的水位埋深2.04 m，含水層巖性以細砂為主，個別區(qū)域含礫石，含水層介質(zhì)顆粒大、分選好，細砂孔隙度(n)為38.33%，具有孔隙大、透水性強等特征，可以儲存相對較大量的地下水體；該區(qū)域地貌類型以洪積扇和風(fēng)積地貌為主，主要特征是地下水水位埋深淺，土壤類型以砂壤土為主，包氣帶巖性為砂土，滲透系數(shù)在風(fēng)積地貌處明顯較大，說明此區(qū)域地表污染物容易進入地下水，對外界污染物的敏感度高，進入水體后更容易遷移擴散，污染面易增大。防污性強區(qū)位于金鳳區(qū)閱海湖附近，擁有較厚層的湖積相沉積層，如Yg28孔的水位埋深4.70 m，土壤類型以黏壤土為主，包氣帶巖性以黏土為主，是良好的地下水保護屏障，阻隔地表污染物進入地下水中。對于銀川市不同地區(qū)地下水防污性能的差異性，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，在最大程度上防止地下水發(fā)生污染。

對比銀川市土地利用類型(圖4)，可以看出人類活動對當(dāng)?shù)氐叵滤姆牢坌杂绊懼饕憩F(xiàn)為西、南部的農(nóng)業(yè)活動，受農(nóng)業(yè)灌溉的影響，一定程度降低了該區(qū)域地下水防污性能。而研究區(qū)內(nèi)金鳳區(qū)北部閱海湖附近為防污性強—較強區(qū)，該區(qū)域土地利用類型以水體湖泊、水田為主，這說明在多年地質(zhì)沉積作用的影響下，湖積相沉積是潛水的良好保護屏障，建議相關(guān)政府部門在規(guī)劃今后的城市擴建區(qū)及工礦居民地時優(yōu)先考慮此區(qū)域。

圖4 銀川市土地利用類型

4 結(jié)論與討論

本文在調(diào)查清楚研究區(qū)的水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了適合銀川市的基于AHP的地下水防污性能DRASTIC評價模型。

(1) 研究區(qū)內(nèi)的地下水防污性能總體表現(xiàn)為中等—弱，其中，地下水防污性能強—較強區(qū)面積108.70 km2，占總面積的27.28%，污染物較難進入含水層；地下水防污性能弱—較弱區(qū)面積207.34 km2，占總面積的52.03%，污染物較易進入含水層；地下水防污性能中等區(qū)面積82.42 km2，占總面積的20.68%，整體對外界污染物的敏感性一般。

(3) 研究區(qū)防污性能弱區(qū)地下水在洪積扇前緣的洪積層含水層中，具有孔隙大、透水性強等特征，可儲存較大量的地下水體；地貌類型決定了該區(qū)水位埋深淺、滲透系數(shù)大、包氣帶巖性和土壤類型都以砂性土為主等特征，地表污染物易進入地下水中。防污性強區(qū)位于閱海湖附近，擁有較厚層的湖積相沉積層，包氣帶巖性和土壤類型都以黏性土為主，阻隔地表污染物進入地下水中。對于不同地區(qū)地下水防污性的差異性，應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施。結(jié)合區(qū)內(nèi)土地利用類型現(xiàn)狀，建議相關(guān)政府部門在規(guī)劃今后的城市擴建區(qū)及工礦居民地時優(yōu)先考慮金鳳區(qū)北部閱海湖區(qū)域。

本文在選取評價因子時雖考慮到人為影響因素，但只限于農(nóng)業(yè)活動的影響，未考慮在城市擴張過程中城市建設(shè)用地對地面入滲和污染物污染地下水的影響，盡管銀川市區(qū)內(nèi)工業(yè)活動較少，但對評價結(jié)果還是有一定的影響。此外，地下水防污性能評價的結(jié)果具有一定時效性，鑒于地下水資源需要長期的監(jiān)管和保護，一段時間之后還需進一步更新研究。