基于DRASTIC指标体系评价平泉地区地下水脆弱性

2016-04-14杨熙张勃杨学亮荣慧峰

地球 2016年2期

关键词：岩组脆弱性含水

■杨熙张勃杨学亮荣慧峰

（1河北省地矿局第四水文工程地质大队河北沧州061000；2河北省环境地质勘查院河北石家庄050000；3河北省地矿局第十一地质大队河北邢台054000）

基于DRASTIC指标体系评价平泉地区地下水脆弱性

■杨熙1张勃1杨学亮2荣慧峰3

（1河北省地矿局第四水文工程地质大队河北沧州061000；2河北省环境地质勘查院河北石家庄050000；3河北省地矿局第十一地质大队河北邢台054000）

本文以河北省承德市平泉地区为研究区，对地下水脆弱性评价研究的概念、发展、趋势进行了综述与分析，建立了地下水脆弱性评价DRASTIC指标体系，对地下水脆弱性进行评价，将研究区按地下水脆弱性程度分成四个区域，并分析了原因。评价结果客观，能够为研究区地下水开发利用保护提供科学参考依据。

平泉地下水脆弱性DRASTIC指标体系评分体系

1　引言

河北省承德市平泉县地处河北、内蒙古、辽宁三省交界处，为历史文化底蕴深厚，旅游业发达,矿产资源丰富的山区县。该地区地貌复杂，年降水量少，地下水资源非常宝贵。近年，由于工农业生产快速发展，旅游业欣欣向荣，用水量较大，加上对地下水粗放式开采，生产和生活污水排放量进一步增加，致使水环境有恶化的趋势。但是对于维系该区现代生态环境的水资源研究比较少见，具有针对性的地下水脆弱性分析评价工作较少展开。本文旨在利用DRASTIC指标体系对研究区进行地下水脆弱性评价研究，确定脆弱性分区，为地下水资源保护提供科学依据。

2　研究区水文地质概况

研究区属于暖温带大陆性季风型气候，总的气候特点为降水量少、干燥度大、干旱严重、夏季降雨集中，且经常伴有冰雹和大风。区域全境皆山，属于侵蚀构造山地区，地形复杂，内有瀑河水系，主要支流为老牛河、老哈河等，河谷阶地呈条带状分布在各条河流及其支流两侧。大气降水垂直入渗补给是本区最基本的地下水补给来源，降水量、降水强度及降水补给特征对地下水形成起着主要控制作用，总的径流方向是由北向南顺势径流，但由于地形条件的差异，山区地下水的流向又具有局部多向性。地下水主要赋存于松散岩类孔隙、碳酸盐岩类裂隙溶洞、基岩类的构造节理裂隙、风化带网状裂隙以及碎屑岩裂隙孔隙之中，分布受地层岩性、地质构造和地貌等赋存条件的综合影响，具有较大的不均匀性。含水岩组的基本类型主要划分为松散岩类孔隙水含水岩组、碳酸盐岩类裂隙溶洞水含水岩组、碎屑岩类裂隙孔隙水含水岩组、基岩裂隙含水岩组四个大类。

3　研究区地下水脆弱性评价方法

3.1评价分级及标准

在国内外地下水脆弱性研究领域，评价方法主要有迭置指数法、过程数学模拟法、统计方法及模糊数学方法等。本文采用迭置指数法中的DRASTIC评价方法对研究区地下水脆弱性做出评价，选取7个最主要的要素作为评价指标，地下水埋深(D)、含水层净补给量(R)、含水层介质类型(A)、土壤介质类型(S)、地形坡度(T)、包气带介质类型(I)及含水层水力传导系数(C)。将每一个评价因子划分为10个等级，用评分值进行量化，范围在1～10之间，影响最小的被赋予1，影响最大的被赋予10。

3.2评价权重及评价指数

DRASTIC评价方法给每个指标都赋予了一个相对权重值，范围为1～5，用来反映各个指标与地下水脆弱性的关系，对地下水最具影响的指标权重为5，影响程度最小的权重为1。地下水受到污染的潜在可能性越大，评分值越大，地下水脆弱性程度越强。需要特别指出的是，DRASTIC指数并不表示地下水污染的绝对数值，它仅表示不同区域地下水的相对脆弱性。由正常情况下和农田喷洒农药两种情况下获得的DRASTIC指数是不等同的。本次研究只考虑正常状态的指标评分方法，同时结合研究区具体环境背景情况，改进DRASTIC体系，按地下水脆弱性程度的不同，将其划分为4个级别，即地下水脆弱性程度较弱、较不易被污染的区域，脆弱性程度中等、易被污染的区域，脆弱性程度较强、较易被污染的区域，脆弱性程度强、极易被污染的区域等四个区域。

3.3评价因子特殊性说明

研究区水文地质条件较复杂，在评价过程中根据实际情况对DRASTIC评价方法进行了调整。地下水埋深在一定程度上影响着污染物进入地下水中的可能性，不同污染物在迁移过程之间会产生络合、氧化还原、沉淀溶解、吸附—解吸等一系列化学反应，这些反应对污染物的迁移转化有重大影响，本次评价主要考虑了地下水埋深对地下水污染的影响程度，并未过多考虑化学反应对其所起的作用。正常情况下，净补给量越大，地下水被污染的潜在可能性越大，呈现正比关系。但如果净补给量足够大，能够稀释污染物时，地下水污染的潜势将转为减小。由于净补给的精度较低，本评价方法只把年平均入渗量作为净补给量，对净补给量的评分没有反映污染物稀释这一因素，未考虑补给的分布、强度、持续时间以及灌溉和废水排放等的补给量，使净补给的评分范围比较宽。含水层中的地下水渗流受含水层岩性的影响，污染物的运移路线以及运移路径的长度由含水层岩性所控制。运移路径的长度决定着稀释过程，如吸附、反应和弥散。污染物运移的路线是由裂隙和相互连接的溶洞所控制的。在多层含水系统中，只选择了典型含水层进行评价。确定了含水层后，只把该含水层中主要的、关键的含水介质作为含水层介质。土壤介质是指非饱和带最上部具有显著生物活动的部分，土壤层通常为距地表平均厚度≤2m的地表风化层。对于当某一区域的土壤介质由两种类型的土壤组成时，选择最不利的介质类型确定级别。当有三种介质存在时，选择中间的介质确定级别。同时，考虑了土壤的自净能力也是影响地下水脆弱性的一个方面。地形坡度对于污染物被冲走或滞留具有显著作用，尤其是河谷地貌区，地形起伏高差大，坡度变化较大。当地形坡度小于2%时，给污染物渗入地下提供了最大的机会，因为在这一范围内，污染物及降雨量都不会流失，具有较强的地下水脆弱性；然而，地形坡度大于18%时，一旦存在地表水，则较易形成地表径流，大大降低了污染物渗入的可能性，地下水脆弱性降低。包气带介质类型的选择类似于含水层介质类型的选择，介质类型决定着土壤层和含水层之间岩土介质对污染物的削减特性，是地下水免受直接污染的重要屏障。本次评价选取影响能力最大的作为包气带介质，在有多层介质存在的情况下，选择厚度最大的一组，对于固结岩石介质，考虑了其裂隙、岩溶发育程度。含水层水力传导系数主要取决于土体颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，水力传导系数越高，防污性能越差，富水程度越高，水力传导系数越大，污染物在含水层内的迁移速度越快，地下水中的污染物就会越容易扩散，造成污染范围扩大，对地下水资源的利用是一种负面的影响。本次评价综合考虑了实际现场试验方法和经验估算值来确定其取值。

4　研究区地下水脆弱性评价结果

把研究区地下水脆弱性各评价指标的评分值做横纵向比较，并根据研究区地下水脆弱性程度级别的划分，得出评价结果。如下：

（1）地下水脆弱性程度较弱、较不易被污染的区域主要是指以碳酸盐岩类为主的低山区。主要分布于双洞子—槽碾沟两侧地带、山口—岔沟门及北干沟—岔沟门一带。含水岩组多为碳酸盐岩类裂隙溶洞水含水岩组，含水层介质主要由蓟县系、寒武系、奥陶系灰岩、白云质灰岩、灰质白云岩及白云岩等组成。该区域接受大气降水补给，在一定程度上受到岩溶、节理裂隙发育，裂隙宽且延伸长，切割深，垂直节理发育等特征的影响，降水入渗补给系数大，净补给量大。大气降水经裂隙溶洞汇聚，以泉的形式出露于沟谷地带，地下水为潜水、承压水，其排泄方式以向下游径流与泉水出露为主。地下水埋深大，较不易被地表污染物污染，且在地下渗流途径较长，含水层介质对污染物的削弱作用较大，污染物向下迁移能力弱，地下水抗污染能力强，水质较好。土壤层厚度小，包含部分碳酸盐岩表层风化壳风化所形成的石灰土。包气带对污染物存在阻挡能力和过滤作用，含水层水力传导系数小。区域一般地面纵、横坡度变化大，地形坡度大于10%，有利于形成地表径流，加剧污染物流失。相对来说，该地区具有较弱的地下水脆弱性，对于外界污染具有较强的抵御能力，较不易被污染。

（2）地下水脆弱性中等、易被污染的区域包括部分丘陵区及低山区，分布于蒙和乌苏蒙古族乡—黄土梁子镇—沙坨子乡以西，七家乡、七家岱满族乡、王土房乡一带及曹家店—郑杖子一线。含水岩组主要为基岩裂隙含水岩组，含水层介质主要由变质岩及岩浆岩构成，主要包括太古代单塔子群、迁西群片麻岩、变粒岩、浅粒岩类及侏罗系花岗岩类等。地下水赋存在节理、构造裂隙、风化裂隙和张裂隙发育的断裂破碎带，以潜水为主，断裂破碎带局部有脉状承压水。基岩裂隙水受大气降水补给，地下径流短，储水空间小，富水性不均，在地势低洼部位以泉的形式排泄，或者以潜流的形式侧向补给河（沟）谷孔隙水。

地下水脆弱性中等、较易被污染的区域还包括小部分河谷地貌区—谷坡亚区—湖河相沉积物组成的谷坡带，主要为河湖相沉积含水岩组。含水层介质主要是粉砂和砂质粉砂岩，土壤介质多为粒径很小的粘土，同时受包气带介质类型的影响，对污染物起到了过滤作用，并使其迁移速度缓慢。该区域多为谷坡形态，地形坡度较缓，降水入渗补给系数及含水层水力传导系数小。

综合以上原因分析，该区域虽然具有一定的地下水自我防务能力,但依然容易被污染。

（3）地下水脆弱性较强、较易被污染的区域主要指以碎屑岩类为主的低山区，主要分布于平泉—桑园压性断裂附近，北五十家子—杨树岭镇一线。含水层介质主要由三叠系、侏罗系、长城系砂质泥岩、砂岩、砾岩等碎屑岩类组成。山坡松散物薄，表层风化，形成小范围薄层弱含水层，基岩裂隙不发育，能够接受大气降水补给，但不利于大气降水向更深处入渗，净补给量相对较小。地下水为潜水、微承压水性质，埋深不深且水量较小，含水层水力传导系数不大，其排泄以向第四系孔隙水补给为主，一般无泉水出露。土壤介质包括砂土、砂砾石、粉砂等，颗粒较小，同时受包气带介质类型及厚度的影响，在一定程度上过滤了污染物。地形坡度的范围为5%～10%，在降雨量大的时候，可以形成地表径流，减弱污染物对地下水的的污染能力。该区域地下水脆弱性较强、较易被污染。

（4）地下水脆弱性强、极易被污染的区域为瀑河河谷、河床、河谷两岸阶地、谷坡等地区。含水岩组主要为松散岩类孔隙水含水岩组。含水层介质为河流冲积砂砾石、洪坡积碎石土、冲洪积碎石黄土、砂卵砾石等，磨圆度高分选性好，多接受大气降水及山区侧向补给，孔隙空间较大，降水入渗系数大，净补给量强度大。土壤介质颗粒大，如砂卵砾石层，砂砾石层等，对污染物过滤作用较小，包气带自净能力弱，水力传导系数大，地下水为浅层潜水，埋深小，水量较小、不稳定，可供一些小的自然村人畜饮用，水质大多符合饮用水标准。地形坡度小，地势低平，利于污染物渗入地下，对地下水造成污染。该区域人口聚集,除河床以外大部分沟底被改造成农田，农业污染和生活污染对地下水有较大影响,生产生活中对环境的破坏、垃圾废水的不合理排放也导致了生态环境的恶化和水文地质本质条件的进一步脆弱，使防护能力差，人为影响进一步加剧了区域地下水脆弱性,地下水易受到污染，脆弱性高。