江漢-洞庭平原淺層地下水防污性能評價

趙幸悅子，喻 望，肖 攀

(中國地質(zhì)調(diào)查局武漢地質(zhì)調(diào)查中心，湖北 武漢 430205)

1 引言

江漢-洞庭平原位于長江經(jīng)濟帶中間地段，為長江中游城市群的核心區(qū)域，地勢平坦，河湖密布，素有“魚米之鄉(xiāng)”的美譽，是我國重要的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地。研究區(qū)第四系地層發(fā)育，巖性結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣，地下水水位埋深較淺，加上四季雨量充沛，為地表污染物下滲遷移提供了重要的地質(zhì)環(huán)境條件；近年來，隨著城鎮(zhèn)規(guī)模的擴充和人口數(shù)量的增加，隨之而來產(chǎn)生了大量的生活污水、工礦廢水以及農(nóng)藥、化肥使用產(chǎn)生的各種污染源，成為淺層地下水污染的主要來源[1]。本文通過選取影響江漢-洞庭平原淺層地下水防污性能的7個水文地質(zhì)因素進(jìn)行研究(表1)，基于DRASTIC評價模型，建立淺層地下水防污性能評價指標(biāo)體系，并借助MAPGIS空間分析和制圖功能對研究區(qū)淺層地下水防污性能進(jìn)行分區(qū)，為江漢-洞庭平原淺層地下水污染防治提供重要的理論依據(jù)，具體評價流程見圖1。

圖1 地下水防污性能評價流程表1 淺層地下水防污性能評價指標(biāo)權(quán)重(括號內(nèi))、分級及評分值

D(5)R(4)C(3)T(1)A(3)S(2)I(5)級別/m評分值級別/mm評分值級別/(m/d)評分值級別/%評分值級別評分值級別評分值級別評分值0～110>25010～850～20100～210以粘土為主10～7.5薄層或缺失10砂卵礫石101～39礫石93～58200～2508～620～1052～69以細(xì)、粉砂為主7.5～5砂8砂85～77淤泥質(zhì)土77～96150～2006～410～536～125以粗、中砂為主5～2.5砂質(zhì)壤土6粉土69～115壤土511～134100～1504～23～5212～183以卵、礫石為主2.5～0粉質(zhì)壤土4粉質(zhì)粘土413～153粘質(zhì)壤土315～202<1002～00～31>182粉質(zhì)、淤泥質(zhì)粘土2粘土2>201粘土1

2 研究區(qū)概況

2.1 自然地理

江漢-洞庭平原位于長江流域中部，長江三峽東面、大別山南面，由江漢平原和洞庭平原組成，俗稱兩湖平原，地域上橫跨湖北省和湖南省。其中，江漢平原位于湖北省中南部，其西、北、東三面分別為鄂西山地、大洪山和大別山，南面為洞庭平原，呈現(xiàn)出一個半封閉式盆地地形，總體地勢由邊緣向中心呈階梯式下降、傾斜，長江、漢江穿其而過；洞庭平原位于湖南省北部，東、南、西三面為中低山丘陵，北面開口，呈現(xiàn)外圍高、中部低平的碟形盆地形態(tài)，故又稱洞庭盆地，湖底地面自西北向東南微傾，湘江、資江、沅江、澧水“四水”穿其而行。

江漢-洞庭平原屬北亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨量充沛。區(qū)內(nèi)年降雨量隨季節(jié)變化明顯，且分配不均，降雨多集中在6～9月，多年平均降水量為1000～1400 mm，占全年降雨量60%以上，少雨季節(jié)則主要集中在12月、1月和2月三個月。

2.2 水文地質(zhì)條件

江漢-洞庭平原受沉積環(huán)境、古地理以及古氣候等因素影響，含水層在垂向上的分布形態(tài)和發(fā)育程度存在著差異，依據(jù)區(qū)域第四系沉積環(huán)境以及巖性分布特點，將江漢-洞庭平原含水層巖組劃分為三個含水巖組，分別為淺層孔隙潛水含水巖組、上部孔隙承壓含水巖組和下部孔隙裂隙承壓含水巖組。

本次地下水防污性能評價以研究區(qū)淺層孔隙潛水為主。江漢-洞庭平原淺層孔隙潛水由第四系全新統(tǒng)組成，主要分布于長江、漢江的一級階地及沮漳河、府河、寰水河河谷階地、長江與漢江挾持的中間地帶、江漢平原西部、北部和東部地區(qū)崗波狀平原地帶，以及洞庭湖盆地地表淺部和周緣區(qū)各河流水系流域范圍。江漢平原巖性主要為砂礫(卵)石，中粗砂、粉細(xì)砂、細(xì)砂、粉土及粉質(zhì)粘土，含水層厚度12.06～44.58 m，地下水位埋深0.15～7.13 m，該含水巖組在階地前緣以接受江河水補給為主，單井涌水量大于1000 m3/d或500～1000 m3/d，階地后緣富水性較差，單井涌水量為100～500 m3/d，含水層滲透系數(shù)5.08～12.75 m/d；洞庭平原巖性多為河相、河湖相的粘土、砂質(zhì)粘土和粉細(xì)砂，含水層厚度一般為5～20 m，單井涌水量受巖性影響較明顯，一般小于500 m3/d，僅岳陽市廣興洲—君山農(nóng)場一帶厚度為40.0～50.0 m，最厚達(dá)56.0 m，單井涌水量相對較大，可達(dá)1000～1500 m3/d，含水層滲透系數(shù)1.19～15.165 m/d。江漢-洞庭平原地下水補給來源以大氣降水為主，地表水入滲為輔。

3 評價方法

1985年，美國環(huán)境保護(hù)局(USEPA)和美國水井協(xié)會(NWWA)合作研發(fā)了DRASTIC評價方法，該方法目前被國內(nèi)外廣泛認(rèn)同和應(yīng)用，適用于大尺度大范圍的區(qū)域性的地下水防污性能評價，具有簡單易操作的特點[2]，可以定量的分析影響和控制地下水防污性能的水文地質(zhì)因素[3]。1996年歐盟與中國合作，采用DRASTIC評價方法，選擇大連和廣州兩個城市作為試點，通過三年時間，該方法得到成功應(yīng)用[2]。

DRASTIC評價方法選取包括地下水埋深(Depth to groundwater)、含水層凈補給量(net Recharge)、含水層巖性(Aquifer media)、土壤介質(zhì)類型(Soil media)、地形坡度(Topography)、包氣帶巖性(Impact of the vadose zone media)以及含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)(Conductivity)7個影響地下水防污性能的相關(guān)因子，該評價方法由以上因子的英文首字母組成。每個參評因子根據(jù)其對地下水污染可能影響的等級，被賦予1～5的權(quán)重值，權(quán)重值為1代表其對地下水污染可能影響最低，而權(quán)重值為5則代表最高級[4]。另外，每個因子又被具體分為不同的數(shù)值范圍(數(shù)值型因子，D、R、C、T)或介質(zhì)類型(介質(zhì)型因子，A、S、I)[5]，并用具體分值來量化這些數(shù)值范圍或介質(zhì)類型對地下水污染的可能影響，最后用加權(quán)方式計算地下水防污性能綜合指數(shù)值。具體計算公式如下：

DI=DRDW+RRRW+ARAW+SRSW+TRTW

+IRIW+CRCW

(1)

式(1)中，DI表示地下水防污性能綜合指數(shù)，下標(biāo)R表示參評因子的評分值，下標(biāo)W代表參評因子的權(quán)重值，最后，計算得出的DI值越高表示防污性能越差，反之防污性能越好。

3.1 評價因子及評分的確定

依據(jù)DRASTIC模型評分標(biāo)準(zhǔn)，按照分值范圍1～10來進(jìn)行評分，其中，防污性能最好的評分為1，最差的評分為10，參照DRASTIC模型中各因子評分標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)資料，建立符合江漢-洞庭平原的評分體系[6]，具體評價因子按照表1標(biāo)準(zhǔn)對各評價指標(biāo)進(jìn)行分級和賦值。

3.1.1 地下水埋深(D)

地下水水位埋深影響著污染物到達(dá)含水層的時間長短，地下水位埋深越深，污染物到達(dá)含水層所需的時間越長，污染物衰減的機會就越大，到達(dá)地下水的幾率越小。江漢-洞庭平原淺層孔隙潛水地下水位埋深一般為0～10 m之間(圖2)。

圖2 江漢-洞庭平原淺層地下水位埋深分區(qū)

3.1.2 含水層凈補給量(R)

凈補給量是指單位面積內(nèi)從地表滲入到地下的水量，補給水可以攜帶污染物從垂直方向到達(dá)地下含水層，控制著污染物在包氣帶和含水層中的彌散和稀釋。江漢-洞庭平原地下水補給以降雨入滲為主，采用以研究區(qū)多年平均降水量為基數(shù)，分別乘以各地區(qū)不同降水入滲系數(shù)來進(jìn)行確定，計算所得的研究區(qū)含水層凈補給量分別在<100 mm、100～250 mm和>250 mm之間。

3.1.3 含水層巖性(A)

含水層介質(zhì)類型決定了污染物入滲的路徑長短，其中裂隙發(fā)育程度影響了污染物入滲路線，含水層的顆粒越大、構(gòu)造裂隙發(fā)育越簡單，代表其滲透性越高，污染物衰減幾率越低，對應(yīng)的污染潛力越高，反之，顆粒越小、構(gòu)造裂隙發(fā)育越復(fù)雜，代表其滲透性越小，污染物衰減幾率高，對應(yīng)的污染潛力越低[7]。江漢-洞庭平原淺層孔隙潛水含水巖層巖性主要以中粗砂、粉細(xì)砂、細(xì)沙、粘土和粉質(zhì)粘土為主，局部地段有砂礫石。

3.1.4 土壤介質(zhì)類型(S)

土壤介質(zhì)是指非飽和帶頂部具有明顯生物活性特征的部分，影響著污染物滲透到地下含水層的數(shù)量和到達(dá)包氣帶的能力。一般情況下，土壤中粘土顆粒和膨脹性性越小，阻擋污染物入滲到地下水的能力越強[8]。研究區(qū)周邊崗波狀平原、環(huán)湖壟崗地表土壤介質(zhì)類型主要為棕紅色、黃褐色的粘土；盆地內(nèi)沖積低平原土壤介質(zhì)類型多為粉土、粉質(zhì)粘土；沖湖積、湖積低洼平原土壤介質(zhì)類型多為粘土、粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土；沖湖積高平原、高漫灘土壤介質(zhì)類型為砂、粉砂、粉土。

3.1.5 地形坡度(T)

地形坡度影響著污染物隨地表水下滲至地下水的可能性，坡度越大，地面水徑流速度越快，越不易下滲，地下水受污染的可能性就越小[7]。例如，當(dāng)?shù)匦纹露?18%時，污染物很很容易隨地表徑流沖走，入滲幾率小，地下水防污性能就好；反之，當(dāng)?shù)匦纹露?2%時，地表徑流微弱，污染物入滲的幾率大，相較之地下水防污性能就差[8]。研究區(qū)周邊崗波狀平原、丘崗區(qū)地形坡度一般為2%～3%，低洼平原地形平坦開闊，一般小于2%。

3.1.6 包氣帶巖性(I)

包氣帶是指潛水位以上的非飽水部分，其介質(zhì)類型決定著污染物在土壤層以下潛水以上的生物降解、中和、過濾、揮發(fā)和彌散作用，決定了污染物的滲透途徑和與介質(zhì)接觸的時間。江漢-洞庭平原包氣帶巖性主要為粘土、粉土及粉質(zhì)粘土。

3.1.7 含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)

水力傳導(dǎo)系數(shù)也稱滲透系數(shù)，表示地下水在一定的水力坡度下的流速，而地下水流速則控制著污染物離開污染源到達(dá)含水層及在含水層中運移的速度。滲透系數(shù)越大，污染物傳播的速度越快，地下水脆弱性越高[9]。研究區(qū)內(nèi)淺層孔隙潛水含水層滲透系數(shù)大部分<10 m/d，部分地方含水層滲透系數(shù)可達(dá)23.45 m/d(圖3)。

圖3 江漢-洞庭平原淺層含水層滲透系數(shù)分區(qū)

3.2 評價因子權(quán)重的確定

DRASTIC模型中7個評價因子的權(quán)重，按照其對防污性能影響的程度分別賦予對應(yīng)的權(quán)重值,其中，影響最大的權(quán)重值為5，影響最小的權(quán)重值為1。權(quán)重值是固定值，分所有污染物權(quán)重值和農(nóng)藥類污染物權(quán)重值兩類[4]，本次評價選取所有污染物類權(quán)重值，不同因子分配的權(quán)重見表2。

表2 淺層地下水防污性能評價指標(biāo)權(quán)重

4 基于Mapgis的地下水防污性能評價

4.1 評價指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)庫的建立

建立單因素指標(biāo)屬性數(shù)據(jù)庫即是利用Mapgis軟件矢量化制圖功能，繪制單因素分區(qū)圖。選取不同的顏色或者圖案區(qū)分評價因子的數(shù)值或介質(zhì)類型，并將其存儲在對應(yīng)的區(qū)屬性結(jié)構(gòu)中，選取的7個評價指標(biāo)最終對應(yīng)7張單因素分區(qū)圖。

4.2 評價過程

根據(jù)生成的7個單因子分區(qū)圖，利用Mapgis空間分析模塊中的區(qū)對區(qū)分析功能，依次對單因素分區(qū)圖進(jìn)行合并操作，生成一張分區(qū)圖，含有364個評價單元。

通過Mapgis屬性庫管理功能將各個區(qū)的屬性數(shù)據(jù)導(dǎo)出，結(jié)合每個評價指標(biāo)的權(quán)重值及評分值，根據(jù)地下水防污性能計算公式計算出每個評價單元的防污性能指數(shù)值，再利用“連接屬性”功能將防污性能指數(shù)值鏈接到區(qū)屬性當(dāng)中[10]。

最后根據(jù)各個評價單元的防污性能指數(shù)值，按照淺層地下水防污性能分級標(biāo)準(zhǔn)(表3)，應(yīng)用Mapgis中“根據(jù)屬性賦參數(shù)”功能進(jìn)行分區(qū)，并進(jìn)行分類合并，得到初步的淺層地下水防污性能分區(qū)圖，再結(jié)合研究區(qū)自然地理、地質(zhì)地貌、水文地質(zhì)條件等對分區(qū)邊界線進(jìn)行修飾[11]，得到最終的江漢-洞庭平原淺層地下水防污性能分區(qū)圖(圖4)。

4.3 評價結(jié)果

依據(jù)計算得出的各個評價單元的防污性能指數(shù)值，利用等差法將江漢-洞庭平原淺層地下水防污性能評價指數(shù)劃分為四個級別：第一級：72-120，防污性能較好；第二級：120-168，防污性能中等；第三級：168-216，防污性能較差；第四級：>216，防污性能差，具體分級見表3。

表3 淺層地下水防污性能分級標(biāo)準(zhǔn)

通過生成的淺層地下水防污性能分區(qū)圖可知，江漢-洞庭平原淺層地下水可分為防污性能差、防污性能較差、防污性能中等和防污性能較好四個等級(圖4)，其中江漢平原淺層地下水防污性能可劃分為中等和較差兩個等級，洞庭平原淺層地下水防污性能可劃分為差、較差、中等、較好四個等級。

圖4 江漢-洞庭平原淺層地下水防污性能分區(qū)

(1)淺層地下水防污性能較好區(qū)。防污性能較好區(qū)僅分布于洞庭平原西部常德市鼎城區(qū)大龍站，以及北部南縣東側(cè)等地，總面積42.86 km2，僅占全區(qū)面積的0.09 %。含水層巖性主要為粘土、細(xì)粉砂；地下水水位埋深3～5 m左右；水力傳導(dǎo)系數(shù)小于5 m/d。

(2)淺層地下水防污性能中等區(qū)。江漢-洞庭平原淺層地下水防污性能大部分以中等為主，總面積32809.23 km2，占全區(qū)面積的66.52%。江漢平原的大部分地區(qū)屬防污性能中等區(qū)，占江漢平原總面積的90.21%，其余地下水防污性能中等的區(qū)域分布于洞庭平原北部津市、澧縣北部復(fù)興廠—如東，安鄉(xiāng)北部黃頭山、華容北部桃花山，臨澧李家鋪—鼎城周家店一線，湖盆中心赤山島，西南部謝家鋪—軍山鋪一線，東南部滄水鋪—菁華等地。

(3)淺層地下水防污性能較差區(qū)。防污性能較差區(qū)主要分布于公安縣、江陵縣、潛江市、監(jiān)利縣、鐘祥市、長口鎮(zhèn)、漢南區(qū)等地，以及洞庭平原的東、西洞庭湖湖區(qū)，湘、資、沅沖積平原區(qū)，澧水澧縣盆地流域，四口河流中下游地區(qū)，總面積14954.55 km2，占全區(qū)面積30.32%。

(4)淺層地下水防污性能差區(qū)。地下水防污性能差的區(qū)域僅為洞庭湖澧水洪道、四口河流下游地區(qū)，大通湖湖積平原區(qū)，益陽市城區(qū)及其附近，面積1518.79 km2，占全區(qū)的3.08%。含水層巖性主要為粘土、細(xì)粉砂，包含所有卵、礫石區(qū)；地下水水位埋深小于1 m；水力傳導(dǎo)系數(shù)介于10～20 m/d或20～50 m/d之間(表4)。

表4 淺層地下水防污性能評價結(jié)果統(tǒng)計

5 結(jié)論

(1)本文根據(jù)研究區(qū)已有資料，依據(jù)經(jīng)典的DRASTIC評價模型，建立了適宜于江漢-洞庭平原的淺層地下水防污性能評價指標(biāo)體系，充分借助mapgis軟件圖形處理、屬性庫管理和空間分析功能，對研究區(qū)淺層地下水防污性能進(jìn)行評價，劃分出防污性能較好、中等、較差和差四個等級，評價結(jié)果與該區(qū)域水文地質(zhì)條件基本吻合。

(2)依據(jù)評價結(jié)果可知，①江漢-洞庭平原淺層地下水防污性能總體為中等-較差，占江漢-洞庭平原總面積的96.84%，地下水防污性能不容樂觀，其中防污性能中等區(qū)占研究區(qū)總面積的66.52%，防污性能較差區(qū)占研究區(qū)總面積的30.32%。總體來說江漢平原防污性能高于洞庭平原，防污性能中等區(qū)大部分集中在江漢平原地區(qū)，占江漢平原總面積的90.21%，而防污性能較差區(qū)則主要分布于洞庭平原地區(qū)，占洞庭平原總面積的74.7%。②防污性能差區(qū)僅分布于洞庭平原的澧水洪道、四口河流下游地區(qū)和大通湖湖積平原區(qū)等地區(qū)，這些區(qū)域雖僅占江漢-洞庭平原總面積的3.08%，但這些地表水體與地下水體之間存在緊密的水力聯(lián)系，一旦遭到污染，淺層地下水隨之也會被污染，因此在該地區(qū)應(yīng)禁止一切可能引起污染的開發(fā)行為。