西南岩溶区典型地下河流域地下水脆弱性评价

2012-12-23王万金陈登齐

水资源保护 2012年4期

关键词：脆弱性含水层岩溶

王万金,陈登齐

(贵州地质工程勘察院,贵州贵阳 550008)

地下水脆弱性是指由于自然条件变化或人类活动影响,地下水遭受破坏的趋向和可能性[1-4]。对地下水环境的脆弱性进行评价,可以帮助制定地下水管理战略和方针,以最大限度地保护地下水资源。

笔者选取西南岩溶区典型的地下河流域——贵州省安龙县四方洞地下河流域进行地下水脆弱性评价。

1 评价指标体系的构建

四方洞地下河位于贵州省黔西南州安龙县境内,是一个岩溶地下水系统[5],流域面积1 290 km2,而碳酸盐岩出露面积占整个流域面积的80.13%。岩溶地下水系统是一个独特的水循环系统, 具有循环系统变异敏感度高、抗干扰能力弱、稳定性差等一系列脆弱性特征[1,6-7]。造成地下水境脆弱的原因很多, 为了能够对地下水脆弱性进行客观的评价,必须建立统一的评价指标体系, 并对不同脆弱区的脆弱程度进行量化。对流域内地下水环境现状进行调查分析,并综合了相关专家及相关专业人员的意见,得出在影响岩溶石山地区地下水脆弱性的诸多因素中,出露地层、地下水埋深、石漠化程度、植被覆盖率、土层厚度、岩层产状是其中主要的影响因素,将这6 项主要影响因素作为地下水脆弱性评价指标, 构建地下水脆弱性评价指标体系。

a.出露地层。出露地层通常也是该区地下水的主要含水层,作为地下水资源的载体,它本身具有的特性,如岩溶化程度、孔隙度、渗透率、导水率或有效渗透系数等,很大程度上决定了其抵抗水污染的能力。评价区的出露地层由老至新分别为：二叠系茅口组(P2m)、龙潭组(P3l)、长兴组(P3c),三叠系夜郎组(T1y)、永宁镇组(T1yn)、罗楼组(T2l)、关岭组(T2g)、杨柳井组(T2y)、垄头组(T2l)、竹竿坡组(T3z)、赖石科组(T3ls)、把南组(T3b)、火把冲组(T3h)、二桥组(T3e)。

b.地下水埋深。地下水埋深决定了污染物到达含水层之前传输媒介材料的深度,以及污染物与周围介质接触的时间。通常,地下水埋深越大,污染物到达含水层所需的时间越长,则污染物稀释的机会就越多。

c.石漠化程度。石漠化导致了土地涵养水源的能力下降,人畜饮水困难,可利用耕地面积减少,土壤肥力下降,农业生产力低下,并加快了地下水系统的循环速度。石漠化严重的地区地下水系统脆弱性较高。

d.植被覆盖率。植被覆盖程度对地下水资源的影响主要体现在大气降水及地表水的下渗速度、地下水汇流速度、含水层保水效率等[8]。植物还具有一定的污水净化功能,因此植被覆盖率高的地区含水层的脆弱性等级低。

e.土层厚度。土壤类型和土层厚度不同,其自然降解污染物组分及污染物入渗的能力也不同,土层越厚,持水量越大,雨后滞蓄在土层及裂隙中的水以蒸发形式返回大气,因此土层越厚,含水层的脆弱性就越低。

f.岩层产状。岩层产状为含水层固有特性,对大气降水及地表水的下渗速度、地下水的汇流速度、含水层的保水效率都有较大影响。岩层倾角平缓的地区含水层的脆弱性等级相对较高。

2 评价因子实际值的量化

目前尚无统一的地下水脆弱性分级标准,没有普遍认可的地下水脆弱性评价依据。为达到定量评价地下水脆弱性的目的,就需对地下河系统各项地下水脆弱性评价指标进行量化。根据调查人员在野外的调查情况,综合相关专家及技术人员的意见,分别对各个评价指标进行评分。为计算方便,评价因子的分值取[1,5]之间的整数。对四方洞地下河系统地下水脆弱性各评价指标的赋值见表1。

3 评价指标权重的赋值

由于各评价指标体系因子在指标体系中的作用不同,对地下水脆弱性的影响程度也不相同,为了区分它们对评价系统影响的差异[9-10],需要确定各个评价指标因子的权重。研究采用层次分析法(简称AHP)[11]来确定四方洞地下河系统地下水脆弱评价指标的权重。

a.建立判断矩阵。根据层次分析法的比例标度及含义,综合相关专家及专业技术人员意见,对单个评价指标进行评分,建立判断矩阵A。

b.计算评价指标因子的权重(利用求和法)。将判断矩阵A 按列求和,并作归一化处理,求得矩阵B：

将矩阵 B 按行求和得矩阵 V, V =[2.84 0.91 0.78 0.54 0.52 0.41]T,再将矩阵V进行归一化处理得矩阵 W, W =[0.47 0.15 0.13 0.10 0.09 0.07]T。矩阵W 即为各评价指标因子权重：出露地层为0.47,地下水埋深为0.15,石漠化程度为0.13,植被覆盖率为0.10,土层厚度为0.09,岩层产状为0.07。

表1 对四方洞地下河系统地下水脆弱性评价指标的赋值

c.进行一致性检验。

矩阵A×W=[2.89 0.93 0.80 0.55 0.53 0.41]T

计算判断矩阵最大特征根值λmax：

计算一致性指标CI ：

查找相应的平均随机一致性指标RI, 可查表得出n =6 时,RI =1.24。

计算一致性比例CR ：

CR ＜0.1,故判断矩阵A 一致性好,得出的各评价指标因子权重值是较为合理的,可以运用于实际生产中。

4 地下水脆弱度计算公式

对四方洞地下河系统进行地下水脆弱性评价,可视为利用数学模型对一个面域做某项评价。要解决面域的评价问题,可先把面域分解为无数个点,再对这无数个点按一定的标准作出相应的评价,最后整合各个点的评价结果,得出整个面域的评价结果。

针对具体的一个点(小区域),上述6 项评价指标在实际中均有相应的值与之对应。根据表1 查出其单项指标对应分值,将其与各评价指标因子权重值相乘,再相加,得出一个点(小区域)脆弱性总分值[12]。其数学计算公式为

式中：F 为一个点(小区域)脆弱性评价总分值;fi为单个评价指标的分值;ki为对应fi的权重值。

得出单个点(小区域)的总分值后,结合各评价指标因子权重值,对F 值采用加权平均法,将评价区地下水划分为低脆弱、较低脆弱、中等脆弱、较高脆弱、高脆弱5 个等级。脆弱性评价总分值F 与脆弱等级的对应关系是：低脆弱, F ＜1.5;较低脆弱,1.5 ＜F ＜2.5;中等脆弱,2.5 ＜F ＜3.5;较高脆弱,3.5 ＜F ＜4.5;高脆弱,F ＞4.5。

5 地下水脆弱度评价过程

目前地理信息系统(GIS)已具有了空间叠加分析的能力。本次评价采用简单易操作的Arcview3.2软件,对各评价指标进行空间叠加分析,以图示的方法得出最终的评价结果。

具体过程简述如下：

a.用Arcview3.2 分别制作同比例尺的各评价指标实际值分布图(图1)。

b.在Arcview3.2 中输入分析函数(公式1)进行各指标的叠加分析,得出四方洞流域地下水脆弱性评价图(图2)。

经分析,四方洞地下河系统地下水高脆弱区面积约100.85km2,占流域面积的7.8%,主要分布于兴仁县、李关、屯脚、普坪一带,该区出露地层主要为三叠系中统杨柳井组(T2y)、三叠系中统关岭组(T2g),石漠化严重,植被覆盖率低;地下水较高脆弱区面积约587.3 km2,占流域面积的45.5%,主要分布于安龙县、钱相、笃山及交乐、海子一带,该区出露地层主要为三叠系下统永宁镇组(T1yn)、三叠系中统关岭组(T2g),主要为中度石漠化分布区,植被覆盖率较低;脆弱性较低及低的区域主要为植被覆盖较好、土层厚度大的洒雨地区及碎屑岩分布区域。

6 污染现状与脆弱性分区对比分析

2011 年1 月,在四方洞地下河流域内取地表水样6 组、地下水样12 组,并整合当地水环境监测部门资料,综合分析四方洞流域地表水和地下水的水质现状,再结合上述地下水脆弱性分区,四方洞流域地下水、地表水污染现状与地下水脆弱性分区对照图作出(图3)。

由图3 可以看出,四方洞地下河流域内主要污染源(煤矿、金矿)多分布于地下水脆弱性较低或低的区域,这些区域的地下水未受明显污染,但地表水体污染严重。受污染的地表水流经地下水脆弱度等级较高的中下游地区,通过裂隙、落水洞、地下河入口等进入高脆弱区的地下水系统[13-14], 对流域北部、中部地区的地下水造成严重的污染。经水质化验表明,兴仁县至李关乡一带3 个水文钻孔的水质为Ⅲ类水质,2 个岩溶泉的水质为Ⅳ类水;四方洞出口的水质为Ⅳ类水;四方洞地下河北边支管道的水已受污染。相反,在没有矿山开采活动的流域南面,虽然地下水脆弱性较高,但该区域内的地下水及地表水并未受明显污染。由此可以看出地下水脆弱性反映了自然界和人类活动对地下水的影响程度。