基于DRASTIC改進模型的小流域河間平原地下水防污性能評價

宋仁亮，韓 迪，馬 雷

(1.安徽省地勘局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000；2.安徽省地質環境監測總站，安徽 合肥 230001；3.合肥工業大學資源與環境工程學院，安徽 合肥 230009)

隨著工業經濟的迅猛發展與城鎮化的快速發展，水資源短缺問題日益嚴重，人們對地下水資源的保護越來越重視，地下水防污性能評價研究倍受關注。當前應用最為廣泛的地下水防污性能評價方法是DRASTIC模型[1][2]，該方法模型簡單，易于實現，可定量分析影響污染物運移的水文地質因素[3]，但該方法在指標權重分配方面存在缺陷[4]。多年來，我國學者從不同角度對地下水防污性能評價方法進行了改進，如戴元毅等[5]提出將模糊分析評價理論及層次分析法(AHP-DRASTIC)引入地下水易污性評價中；付俊旺，鄺智慧等[6]應用層次分析法的DRASTIC指標評價體系地下水防污性能進行評價。周朝等[7]提出利用地下水數值模型為改進的DRASTIC方法提供數據支持，并探討地下水脆弱性評價方法。

本文旨在通過研究影響位于六安市豐樂河-杭埠河河間平原地區地下水防污性能的地質因素，采用改進的DRASTIC模型并結合自然地理、土壤、水文地質等特征，增減評價因子重組建立新的地下水防污性能評價體系，評價小流域河間平原區地下水防污性能，為地下水污染防治提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 自然地理

研究區位于六安市豐樂河和杭埠河之間的平原地區，屬河漫灘地貌，地面海拔高程5.9～21.6 m，地形總體平緩；降水量年均值1 080 mm，蒸發量年均值1 397.8 mm。

研究區屬于長江流域巢湖水系，主要河流有杭埠河、豐樂河。杭埠河，發源于大別山區岳西同安寨南界嶺，研究區段河寬40～180 m，最大流量1 322 m3/s。豐樂河，發源并流經六安丘陵地區，至三河鎮大潭灣匯入杭埠河，研究區段河寬20～70 m，最大流量661 m3/s。

研究區土壤為潮土類灰潮土亞類，土壤母質為河流沉積物，杭埠河沉積物砂多粘少，豐樂河沉積物粘多砂少。

1.2 水文地質條件

研究區地層屬于北淮陽地層小區。基巖地層隱伏于松散層之下，東部巖性為白堊系上統張橋組(K2z)鮮紅色薄層細砂巖、厚層含礫中細砂巖和紫紅色泥巖；西部巖性為下第三系始新統戚家橋組(E2q)磚紅、棕紅色含鈣質結核砂礫巖和礫砂巖互層，夾砂巖、粗砂巖。松散地層廣泛出露，為第四系全新統豐樂鎮組(Q4f)地層，層厚20.0～35.7 m。巖性自上向下，砂性增強、砂礫增多；上部巖性為灰黃、灰白色粉質粘土、粘土、砂質粘土和砂土，中部巖性為淺灰、灰黃色粉細砂、中粗砂、含礫中粗砂，夾砂質粘土，底部巖性為棕黃色砂礫石、含礫粗砂。

研究區松散巖類孔隙水(圖1)為潛水，水位埋深0.5～2.0 m、年變幅0.5～4.0 m，層厚10.00～30.00 m，巖性為新生界第四系全新統豐樂鎮組的粉砂、中粗砂、含礫中細砂及砂礫石，局部夾砂質粘土薄層；單井出水量97.86～542.59 m3/d，水量中等，以重碳酸鈣鈉型水為主。紅層裂隙水孔隙為覆蓋型承壓水，區域水文地質資料表明：含水巖組由粗砂巖、含礫砂巖組成，富水性差異較大，一般水量貧乏、局部水量可達中等；目前未開采該層水，故該類水不作為本次研究對象。松散巖類孔隙水直接接受大氣降水補給；受區域地形及地層結構影響，地下水徑流自西流向東；地下水排泄方式主要為蒸發和人工開采。

圖1 研究區水文地質簡圖

2 評價方法

地下水防污性能評價通常以地下水的固有防污性能評價為主[8]，多采用點評分指數模型評價[1]；固有防污性能評價常采用美國環保局提出的DRASTIC方法。傳統DRASTIC方法[9]由評價因子、評價因子權重、評價因子評分體系和地下水防污性能綜合指數計算4部分組成：即由地下水埋深(D)、地下水凈補給量(R)、含水層介質(A)、土壤介質(S)、地形坡度(T)、包氣帶介質(I)、含水層水力傳導系數(C)等七個因子建立DRASTIC模型進行評價。

鑒于DRASTIC模型存在的缺陷和應用局限性，本次評價根據研究目的并結合自然地理、土壤、水文地質等特征，增減評價因子重組評價指標，改進了地下水防污性能評價模型。

2.1 評價因子

研究區地下水埋深(D)0.5～2.0 m；地下水凈補給量(R)210～330 mm；含水層介質(A)主要為粉砂、中粗砂和含礫中細砂，含水層厚度(M)10.00～30.00 m，含水層水力傳導系數(C)3.14～3.29 m/d。土壤介質(S)近豐樂河一側主要為粘質壤土、近杭埠河一側主要為砂質壤土；地形坡度(T)小于2%；包氣帶介質(I)近豐樂河一側主要為粉質粘土，近杭埠河一側主要為粉砂土。

研究區地處河間平原且地形差異很小，地形對污染物入滲的影響可忽略；整個區松散巖類地下水概化為一個含水層，含水層介質、水力傳導系數實際是兩個重復的因子；DRASTIC模型對水力傳導系數大使水交替加快的稀釋作用未予考慮且難以評分，含水層厚度大小決定地下水水量多少和地下水稀釋能力強弱，能夠很大程度反映地下水防污性能大小[1][10]。

因此，本次研究在DRASTIC模型基礎上，綜合研究目的及氣象水文、土壤、水文地質特征等具體參數，將評價模型改進為由地下水埋深(D)、地下水凈補給量(R)、含水層厚度(M)、土壤介質(S)、包氣帶介質(I)五個因子組建的DRMSI模型。

2.2 評價因子評分及權重

DRMSI模型評價因子分值根據其使得地下水受污染難易程度而設置，越容易使地下水污染的因子評分越高，反之評分越低；評價因子權重根據其對地下水防污性能貢獻的大小而賦值，貢獻越大則權重賦值越大，反之賦值越小，DRMSI模型評價因子及其評分見表1。

表1 DRMSI模型各因子類別評分及權重賦值

2.3 計算方法

DRMSI模型5項評價因子的類別評分與相應權重乘積的總和，即為DRMSI模型防污性能指數(DI)，以此來評價地下水的防污性能。

計算公式：

DI=DRDW+RRRW+MRMW+SRSW+IRIW

式中：下標R為類別評分，下標W為權重值。

根據防污性能數值的大小判別地下水防污性能好差，數值越小則地下水防污性能越好，數值越大則地下水防污性能越差。據此將地下水防污性能分為：好(DI<95)、較好(95≤DI<105)、中等(105≤DI<115)、較差(115≤DI<130)和差(DI≥130)5個等級。本次研究利用公式計算出研究區DI值范圍為108～139。綜合考慮DI數值空間分布的聚類性質和實際水文地質條件，劃定研究區地下水防污性能等級為：中等(108～114)、較差(115～129)和差(130～139)3個等級。

3 地下水防污性能評價

3.1 防污性能分區評價

利用GIS軟件進行圖形處理，獲得DRMSI模型各指標的評分圖；并利用GIS軟件進行空間分析，對各指標評分圖乘以權重賦值后進行疊加，根據地下水防污性能等級對圖形進行分區，得出研究區地下水防污性能分區圖(圖2)，絕大部分處于地下水防污性能較差-差的區域(表2)，地下水環境質量保護應高度重視。

圖2 研究區地下水防污性能分區圖

表2 地下水防污性能分區說明表

3.2 DRMSI模型評價驗證

3.2.1 地下水質量分區評價

本次研究充分利用地下水的調查采樣測試分析成果，采用《地下水質量標準》(GB/T 14848-2017)地下水質量常規指標及限值，綜合選取12項單項組分作為評價因子開展地下水質量分類評價，編制地下水質量評價分區圖。評價結果表明：研究區地下水水質狀況大部分較差—極差，地下水質量分為Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級三種類型[11-12]。

3.2.2 評價驗證

由圖2可知：地下水Ⅲ類水質區完全分布于防污性能中等區以內，地下水Ⅳ類水質區大部分分布于防污性能較差區、一部分于防污性能中區、極小部分布于防污性能差區，地下水Ⅴ類水質區在防污性能較差區和差區均有分布。

考慮到污染物進入地下水系統到影響地下水水質的過程，存在著一定的時間滯后和空間變化，結合研究區地下水呈自西向東的流向趨勢進行綜合分析，表明：研究區地下防污性能等級和地下水質量等級的分區區域基本吻合，即地下水污染性能越弱則地下水水質越差；進一步表明DRMSI模型評價方法適宜于小流域河間平原的地下水防污性能評價。

4 結語

(1)基于改進的DRASTIC模型并結合六安市豐樂河-杭埠河河間平原地區的自然地理、土壤、水文地質等特征，增減評價因子重組評價指標，建立了適宜研究區的地下水防污性能評價體系。

(2)研究區地下水防污性能較差區和差區占總面積86.19%，地下水的防污性能不容樂觀。

(3)在DRASTIC評價方法基礎上綜合分析，合理選擇評價指標，重建DRMSI模型評價小流域河間平原地下水防污性能，并進一步分區評價了地下水防污性能，驗證了DRMSI模型評價小流域河間平原地下水防污性能的適宜性。