非均質含水層地下水資源脆弱性定量評價模型

王 慧

(臨沂市水文中心，山東 臨沂 276000)

地下水資源作為較為關鍵的一部分，對于區域內部經濟發展具有較為重要的作用，地下水的脆弱性表示地下水系統存在著一定的污染程度，經過對地下水脆弱性的調查能夠有效分析出研究區域的地下水系統的污染能力以及容易污染的程度。非均質含水層能夠在一定程度上掌控地下水系統的滲透以及水流流向，但無法獲取完整的地質信息以及區域水文數據，此種特征將為地下水資源脆弱性研究帶來不確定性[1]。需要獲取精準的水層數據信息，同時進行大量的地質探測研究。為此，不少研究學者針對非均質含水層的不確定性問題構建非均質含水層地下水資源脆弱性定量評價模型。

目前的地下水資源脆弱性定量評價模型多側重于應用操作，對于定義方面的研究程度較低，主要評價不同地下水系統的環境因素以及地質特征，根據具體的實例研究相關的地下水脆弱性特征，同時評價脆弱性數據，在脆弱性評價的同時未考慮污染源以及污染物的性質及相關類型。由于地下水資源脆弱性定量評價模型在研究的過程中需要不斷調整對地下水系統的研究程度，同時獲取相關的環境數據，并加強對收集數據的管理，進而達到整體模型構建的目的[2]。

傳統地下水資源脆弱性定量評價模型根據地下水系統的基礎特征進行數據分析，同時劃分脆弱性類型，并加強對類型數據的空間存儲力度，在完善模型運算方法的基礎上執行模型構建指令，具有較強的操作性能。但傳統模型對于地下水模型的后續處理效果較差，無法滿足后續系統實驗研究的需求，模型評價的精準程度較低。為此，針對上述問題，本文提出一種新式非均質含水層地下水資源脆弱性定量評價模型對上述問題進行分析與解決。

本文模型根據相應的地下水系統調整水資源脆弱性數據，同時從不同的角度分析含水層的介質特征，獲取較為精準的初始數據，進而提高整體模型的評價精準程度，具有較為廣闊的研究前景。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

研究區域發源于蒙陰縣常馬鄉與平邑縣交界處的青山北麓，經蒙陰縣城入岸堤水庫，流域內主要有常路河、東高都河、東儒來河、銀麥河、桃墟河、麻店子河、梓河、岸堤河、馬牧池河、代莊河、孫祖河等較大支流，河長56km，流域面積794.7km2。降水主要集中在6—9月份，年平均無霜期在180～200d。

1.2 研究數據

本文選用不同的處理方法管理滲透參數采集區域，按照模擬結果作為采集參照指標進行數據滲透系數獲取對比操作，并獲得最佳滲透系數獲取準則，加大機制掌控操作，分析滲透參數所處的區域寬度數據，并按照獲取的參數信息調節隨機變量的變動性質[3]。

根據三維連續隨機方法控制數據獲取控件的獲取速率，同時根據已知的滲透系數檢測數據點模擬生成相應的滲透系數隨機選取場景，根據獲取的滲透系數建立評價模型及評價等級[4]。按照評價模型的適配度參數調整評價模型的評價標準數值[5]。

構建地下水資源數據存儲空間對流通的地下水資源進行存儲操作，將加權求和數值作為評價標準參數，并針對不同地下水資源所處的環境因素進行研究模型數據整合操作，進一步分析水資源區域地形坡度與土壤類型參數，按照不同指標的代表符號順序進行數據排列，并求解評價加權數值，在地下水資源埋藏較淺的區域設置標志性定義空間，避免模型構建過程中產生的劇烈變化，由此實現對地下水資源脆弱性定量評價模型的數據提取操作。

1.3 樣品數據分析

按照地下水資源分布的區域水文地質條件分析其內部含水層的巖溶含水介質差異，對巖石內部的化學成分進行分析，同時根據分析的數據特征調整區域環境內部的污染程度參數，同時檢驗水資源內部系統模式，構建水資源系統圖，如圖1所示。

圖1 水資源系統圖

當污染物順著土層紋路擴散至地下含水層區域，不同的污染物將匯集至含水層或地下河內部，大量污染物將導致地下水資源產生脆弱性現象[6]。巖石層表面受強烈的熔化影響，帶動地下水的流通，同時存儲未流通的地下水資源，進而提升整體水文系統的自我保護性能，加強系統的脆弱性調節力度。由于非均質含水層內部具有空隙以及管道，污染物將通過內部管道快速移動，在較短的時間內便分布至地下各個區域，污染物的滯留時長加長，進而加深其對地下水資源的影響程度[7]。由于不同的地下水資源將同時存在一定的污染物殘留，為此，在進行非均質含水層地下水資源采集的過程中需排除污染物數據的存在，同時加強對內部水資源脆弱性標準的數值收集力度，不斷調節污染物與脆弱性的匹配程度。

利用內部管道快速移動地下污染物，增強系統自凈能力[8]。針對非均質含水層的地下水資源自動流通特征相應外部數據收集系統信號，并管理不同水位高度的地下水資源數據，加大匯水面積，研究不同水資源的地下流速以及流通方向，按照相應的地下水資源流動連續性獲取精準的地下水資源數值。

1.4 脆弱性指標

根據獲取的地下水資源脆弱性數據選取脆弱性指數，本文的指數選取標準為污染物達到非均質含水層最上層所需的時間長度以及含水層內部受污染的可能性程度[9]。合理反映不同地下水資源區域的脆弱性程度。獲取內部潛水與承壓水水位差值作為污染物的移動驅動力度判斷參數，同時選擇非均質含水層頂端污染物的濃度累計時長作為非均質含水層脆弱性指數，以此來判斷非均質含水層受到污染的可能性大小，設置水資源脆弱性評價函數曲線，如圖2所示。

圖2 水資源脆弱性評價函數曲線圖

當含水層潛水區域未遭受污染物影響或內部水位高于潛水區域水位時，含水層潛水區域的污染物無法通過自身越流操作進入非均質含水層，累計時間Tv趨向于無窮大，并設置此時的非均質含水層脆弱性指數累計圖，如圖3所示。

圖3 非均質含水層脆弱性指數累計圖

根據含水層內部污染物移動程度構建運移模型，污染物處于含水層內部潛水區域中，若含水層水位低于含水層潛水區域水位，則潛水區域將通過水層越流補給含水層水分，其內部的污染物將隨之進入非均質含水層，同時影響評價模型的基礎操作性能，無法有效簡化污染物的運移過程[10]。為此，本文加強了運移模型的構建力度，調整運移模型的內部結構，將非均質含水層的頂端區域作為污染物運移的原點區域，垂直向下方向中，潛水層區域的污染物通過含水層對流穿越內部圖層，便于最終的脆弱性評價研究，同時管理水資源脆弱性評價算法，設置算法流程圖如圖4所示。

圖4 算法流程圖

劃分區域脆弱性評價空間，并提取相應的子區域作為基礎數據存儲空間[11]。隱藏獲取的模型采集數值，同時調節脆弱性定量評價模型的內部結構，加大中心數據管理程度，獲取含水層頂端區域污染物探測點的探測結果數值，分配不同的檢測區域，按照區域檢測目標計算污染物滯留時長，根據時長參數分級地下水資源脆弱性，同時獲取內部水資源滲透系數，并構建脆弱性評價模式圖，如圖5所示。

圖5 脆弱性評價模式圖

1.5 定量評價模型

本文模型在進行評價之前，首先將模型研究區域劃分為2000個不同的單元格，同時簡要概括不同水資源區域的水文特征[12]。根據特征概念參數構建相應的水流流動模型及污染物運移模型，同時選擇地下水資源水位觀測裝置作為模型識別裝置，管理水流流動區域，構建路徑模型圖，如圖6所示。

圖6 水流路徑模型圖

根據識別的結果數據獲取水流與污染物之間的移動關系參數，同時針對非均質含水層地下水資源的水質問題進行無關數據的清除操作，集中評價參數，分配水質觀測指標數據，并設置污染度衡量指標參數，選擇總硬度較強的區域數據作為研究數據基礎，判斷不同區域的污染程度[13]。

分析劃分的不同單元格的內部水位資料信息以及水質水流數據，同時識別污染物運移模型中的固定速率數值，計算每個單元格中的污染物濃度，并分類污染物濃度程度數據，加強對非均質含水層頂端的污染物流動管理操作，執行水位比較指令[14]。對含水層的地理系統信息進行調節，分配脆弱性指標數據，并將脆弱性指標參數作為內部評價模型指標評價的標準。劃分脆弱性評價區域，根據不同的脆弱性特征將脆弱性等級劃分為高脆弱性區域、較高脆弱性區域、中等脆弱性區域、較低脆弱性區域以及低脆弱性區域，同時設置潛水區域水體與含水層區域水體的關系圖，如圖7所示。

圖7 潛水含水層水體關系圖

其中，高脆弱性區域主要集中于市區中心位置，由于該區域采用集中供水的方式，對于地下水的開采程度較高，導致含水層水位低于潛水區域水位，含水層水位將受到潛水區域水位補給，造成潛水區域的含水層收到污染物的污染，污染物更加容易進入到非均質含水層中，進而影響該區域的地下水資源的發展[15]；較低脆弱性區域主要集中在研究區域的北部地區，由于北部區域主要以灌溉為主，對于水質的需求較低，集中開采潛水區域水體，潛水區域水位低于非均質含水層水位，降低污染物的侵入可能性，更好的保護地下水資源的自凈能力，進而有效構建地下水資源脆弱性定量評價模型，其模型如圖8所示。

圖8 地下水資源脆弱性定量評價模型圖

2 結果與分析

2.1 滲透系數模擬評價結果及分析

本文根據實際測量的滲透點數據進行分析，獲取相應的推求結果參數，同時利用SRA算法進行整體運算。其模擬結果見表1。

表1 模擬結果表

根據表1可以看出，實驗研究區域中部以及東北部區域的滲透系數相較于其他區域高，盡管所對比的兩個模型具有相應的差別，但獲取的結果具有一定的相似性，造成此種現象的主要原因在于實驗區域水文地質因素以及周邊環境特征空間分布程度相同。但除此之外，相較于傳統模型研究，本文模型的滲透系數在空間變化的程度較為強烈，滲透系數在空間內部呈現非平穩性變化，更加適應環境較為復雜的非平穩場景研究，有利于非均質含水層地下水資源脆弱性的研究。

2.2 非均質含水層地下水資源脆弱性評價結果與分析

分別選用本文模型與傳統模型的滲透系數作為實驗研究指標數據進行評價分析。在利用兩種模型進行評價分析后獲取相應的評價數據結果，結果數值的脆弱性指數處于1.5～7.0之間，在相同的實驗研究機制下進行水資源脆弱性分級操作，其分級結果見表2。

表2 脆弱性分級結果表

評價結果分析見表3—4。

根據上表結果可以分析出，脆弱等級為Ⅰ的區域主要分布在實驗研究區域的東部和北部，由于此實驗區域含水層內部巖石性質較為堅硬，內部含水層的封閉性較強，人類活動相對較少，為此，該區域地下水資源受環境因素的影響程度最低；脆弱等級為Ⅱ的區域主要分布在實驗研究區域的西部與南

表3 本文模型評價結果表

表4 傳統模型評價結果表

部，由于西部區域大部分為山地，人類活動較少，南部區域巖石土壤呈粉狀，自凈性能較強，此些因素降低了地下水的脆弱程度；Ⅲ級與Ⅳ級區域主要分布在部分南部及中部地區，這些區域地形較為平坦，人類活動較多，地下水系統埋藏的深度較淺，更加容易受到外界污染，脆弱性較高；Ⅴ級區域分布在中部零散區域。整體來看，研究區域處于較易受污染地區，脆弱性程度較高，與實際情況基本吻合。

表4為傳統模型的評價結果，根據評價結果數據可以看出，兩種模型獲取的非均質含水層地下水資源脆弱性等級分布范圍以及變化趨勢基本一致。同時可以分析出，本文方法獲取的評價結果更加符合實際情況。由于本文模型與傳統模型的評價運算方法的生成方式不同。獲取的測量點位置數據不同，對于不同的測點數據的測量權限大小不同，導致最終評價的數據結果不同。本文在進行滑動加權平均計算的過程中分析不同中心段的平均數據，提升獲取數據的精準程度，有效加強對內部數據的管理程度，更好的描述了地下水資源的隨機變化狀態，具有更強的模型應用性能。

3 結語

本文非均質含水層地下水資源脆弱性定量評價模型經過與傳統模型的實驗對比，結果表明，本文模型操作簡便，且實用性較強，避免了模型評價過程中滲透系數隨機變化的不足。通過本文模型研究取得如下結論。

(1)在進行地下水資源模擬的過程中，由于非均質含水層具有一定的不確定性，為此，需調整評價模型的適配度，并調節地下水層的參數分布空間，加強對實際含水層非均質特征的處理力度，并真實反映檢測區域周邊的地質環境，加強環境因素掌控程度，有效構建可靠性較高的評價模型。

(2)本文在非均質含水層地下水資源數據獲取的基礎上補充區域介質滲透性能采集裝置，根據相應的水域滲透特征調整研究區域內部的地下水資源數據獲取精準程度，更好的結合了地下水脆弱性模型數據，加強內部模型評價的融合性能，能夠適用于不同的操作環境，為后續研究提供良好的數據基礎。