天山北坡经济带东段浅层地下水固有脆弱性评价

王 涛,徐 明

(1.新疆地矿局第一水文工程地质大队,新疆 乌鲁木齐 830000 ;2.新疆维吾尔自治区地质环境监测院,新疆 乌鲁木齐 830000)



天山北坡经济带东段浅层地下水固有脆弱性评价

王 涛1,徐 明2

(1.新疆地矿局第一水文工程地质大队,新疆 乌鲁木齐 830000 ;2.新疆维吾尔自治区地质环境监测院,新疆 乌鲁木齐 830000)

基于改进的DRASTIC方法,选择地下水埋深、含水层净补给量、含水层岩性、土壤介质类型、地面坡度、浅层地下水水质、包气带介质类型、含水层渗透系数和潜水蒸发量9项评价指标,分别确定其评分体系和权重体系,并利用ArcGis 10.2中的图层空间叠加分析功能,对天山北坡经济带东段地区的浅层地下水固有脆弱性进行评价。结果表明:脆弱性较高区和中等区占研究区总面积的80.17%,地下水整体脆弱性偏高,而导致研究区浅层地下水脆弱性偏高的主要因素为地下水埋深较小、含水层渗透性较强、浅层地下水水质差。

浅层地下水;脆弱性评价;改进的DRASTIC方法;评分体系;天山北坡经济带东段地区

新疆是丝绸之路经济带的重要核心区,当前其经济体量、资源禀赋、地缘优势以及发展速度均位于西北五省区前列,而天山北坡经济带在打造丝绸之路经济带核心区的进程中又处于不可替代的重要地位。在以往的研究成果中,天山北坡经济带的区域性地下水脆弱性研究尚属空白,因此笔者针对天山北坡经济带东段地区开展地下水脆弱性评价,为该区域经济和生态环境的和谐发展提供借鉴。

对地下水脆弱性迄今为止仍没有一个明确概念,但目前多数研究者认为,从广义概念的角度考虑,地下水脆弱性是指在自然环境发生变化或受到人类活动影响的条件下,地下水可能受到破坏的程度,它同时也反映了地下水的自我防护能力[1-2]。地下水环境的脆弱性在通常情况下也可代表地下水的易污染程度[3],主要与地下水的赋存条件和含水层空间结构关系密切,也与地下水的运移特征和自我保护能力等因素有关[4-6]。固有脆弱性和特殊脆弱性通常是地下水脆弱性研究的两个方面,而地下水固有脆弱性评价是本次研究的主要内容。

图1 研究区示意图

1 研究区概况

研究区位于天山北麓东部平原区,行政区隶属于新疆昌吉回族自治州阜康市、吉木萨尔县、奇台县和木垒哈萨克自治县,总面积为24 776 km2,在天山北坡经济带东段地区(图1)。

研究区属典型的大陆性干旱半干旱气候,气温的季节变化幅度剧烈,降水稀少而蒸发强烈。多年平均气温约为3℃,降水量为46.1～335.4 mm,蒸发量为1 241.7～2 046.7 mm,无霜期为121 d。研究区内无大型水系分布。

研究区内地貌单元类型主要包括砾质平原、细土平原和沙漠。砾质平原分布在研究区南部山前一带,地层岩性主要为第四系上更新统冲洪积卵砾石,地形坡度较大,一般为1.5%～2.5%;细土平原分布在研究区中部,地层岩性主要为第四系上更新统冲洪积砂砾石、粉土、粉质黏土,地形坡度一般为0.5%～1.5%;沙漠分布在研究区北部,地层岩性主要为第四系全新统风积细砂,地形坡度一般小于0.5%。

研究区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水,含水层厚度由南向北逐渐减小,南部山前冲洪积砾质平原含水层厚度一般为200～300 m,中部细土平原含水层厚度逐渐减小至100 m,在北部沙漠边缘,受下部新近系整体抬升的影响,第四系厚度不断减小,含水层厚度一般为20～60 m。研究区内地下水由东南向西北方向径流,主要接受南部山前的地下水侧向径流补给、河流渗漏补给以及大气降水入渗补给,以向下游侧向径流、人工开采为主要排泄方式,在埋深小于5 m的区域蒸发蒸腾也是主要的排泄方式之一。研究区南部平原区浅层地下水水质总体较好,溶解性总固体小于1 g/L,水化学类型以重碳酸型、重碳酸硫酸型为主,而北部沙漠区水质总体较差,溶解性总固体一般为1～3 g/L,局部地区大于10 g/L,水化学类型以氯型、氯硫酸型为主。

2 评价方法及评价因子的确定

2.1 评价方法

目前国内外学者评价地下水脆弱性的方法主要有迭置指数法、过程数学模拟法、统计法和模糊数学法等[7-8],其中迭置指数法又分为水文地质背景参数法和参数系统法[9-14]。美国环境保护局于1987年首先提出了参数系统法[14],是目前国内外地下水脆弱性评价中应用广泛的方法之一,而参数系统法中的DRASTIC方法,更是作为一种标准化方法被普遍采用,多次应用于国内外地下水脆弱性评价工作中,并取得了良好的效果。DRASTIC方法采用的是一种经典的加权评分法,主要适用于区域性的浅层地下水脆弱性评价。本次研究中,结合研究区的实际情况,对DRASTIC方法进行改进,同时利用ArcGis 10.2中的图层空间叠加分析工具,对研究区的浅层地下水固有脆弱性进行评价。

2.2 评价因子

以DRASTIC方法的评价体系为基础,结合本次研究区水文地质条件、气象特征以及地下水水质天然背景值的分布情况,选择9项指标作为本次研究区浅层地下水脆弱性评价的评价因子,这些指标包括:地下水埋深D、含水层净补给量R、含水层岩性A、土壤介质类型S、地面坡度T、浅层地下水水质Q、包气带介质类型I、含水层渗透系数C和潜水蒸发量E[15-16],其中浅层地下水水质和潜水蒸发量是本次研究中新纳入DRASTIC方法的2个评价因子。

2.3 评价模型

DRASTIC方法的计算公式为

(1)

式中:IE为地下水脆弱性综合评价指数;Vi为第i个评价因子的评分值;Wi为第i个评价因子的权重。

3 地下水脆弱性评价

3.1 各评价因子评分体系

根据中国地质调查局编写的GWI-D3《地下水脆弱性评价技术要求》中评价因子的评分标准,结合本次研究区的地质、水文地质条件及气象特征,对DRASTIC方法进行改进,建立各评价因子的评分体系。

a. 地下水埋深D。研究区地下水埋深由南向北逐渐减小,南部山前砾质平原地下水埋深一般大于30 m,细土平原地下水埋深一般为10～30 m,沙漠地下水埋深一般为5～10 m,研究区北部的沙漠北缘一带,呈东西向分布有一条地下水浅埋带,埋深一般为3～5 m,局部地势低洼处埋深为1～3 m或小于1 m。地下水埋深在地下水脆弱性评价中是一个相对重要的评价因子,埋深越小,越不利于地下水的自我防护,含水层越易受到污染,则该评价因子在评分体系中的分值就越高;反之则越低。按照该原则对研究区的地下水埋深进行评分,结果见表1。

b. 含水层净补给量R。在本次地下水固有脆弱性评价中,含水层净补给量主要考虑大气降水入渗补给量。结合研究区实际情况可知,地表水系在研究区内分布稀疏且不均匀,地表水对地下水的渗漏补给主要发生在研究区南部的山前冲洪积砾质平原,补给距离较短,随后即被引用消耗殆尽因此地表水渗漏补给对地下水固有脆弱性评价的贡献不大,不参与评价。净补给量越大,含水层越易受到污染,则该评价因子在评分体系中的分值就越高;反之则越小。按照该原则对研究区的含水层净补给量进行评分,结果见表1。

c. 含水层岩性A。研究区内含水层岩性主要包括卵石、砂砾石和细砂3类,含水层岩性颗粒越粗,地下水运移条件相对越好,含水层越易受到污染,该评价因子在评分体系中的分值就越高;反之则越低。按照该原则对研究区的含水层岩性进行评分,结果见表1。

d. 土壤介质类型S。研究区内土壤介质类型主要包括砂砾石、细砂、粉土和粉质黏土4类,在土壤介质颗粒相对较粗的区域,含水层防污性能越差,该评价因子在评分体系中的分值就越高;反之则越低。按照该原则对研究区的土壤介质类型进行评分,结果见表1。

表1 各评价因子评分及权重

e. 地形坡度T。研究区内地形坡度由南向北逐渐减小,南部砾质平原地形坡度一般为1.5%～2.5%,中部细土平原一般为0.5%～1.5%,北部沙漠一般小0.5%。地形坡度较小的区域,地下水径流条件相对较差,不利于地下水通过径流的方式自净,该评价因子在评分体系中的分值就越高;反之则越低。按照该原则对研究区的地形坡度进行评分,结果见表1。

f. 浅层地下水水质Q。浅层地下水水质是地下水脆弱性的重要体现,在水质较好的区域,评分较低,地下水脆弱性也相对较低;反之则较高。按照该原则对研究区的浅层地下水水质进行评分,结果见表1。

g. 包气带介质类型I。研究区内包气带介质类型主要包括卵石、砂砾石、细砂、粉土和粉质黏土6类,包气带介质一般呈由南向北岩性颗粒由粗变细的分布特征。砾质平原包气带岩性一般为卵石和砂砾石,细土平原包气带岩性一般为粉土和粉质黏土,沙漠包气带岩性主要为细砂。包气带岩性颗粒越粗,污染物通过包气带进入含水层的时间越短,含水层防污性能越差,该评价因子在评分体系中的分值就越高;反之则越低。按照该原则对研究区的包气带介质类型进行评分,结果见表1。

h. 含水层渗透系数C。含水层渗透系数是体现含水层透水性能的一个重要指标,当含水层的渗透系数较大时,含水层防污性能越差,该评价因子在评分体系中的分值就越高;反之则越低。按照该原则对研究区的含水层渗透系数进行评分,结果见表1。

i. 潜水蒸发量E。研究区位于半干旱地区,降水稀少而蒸发强烈,地下水资源相对贫乏,因此潜水蒸发量在地下水脆弱性评价中应重点考虑。地下水埋深较小的区域,潜水蒸发量较大,水质较差,含水层也较易受到污染,因此评分较高;反之则较低。按照该原则对研究区的潜水蒸发量进行评分,结果见表1。

3.2 权重体系

在本次研究中,以各项评价因子在DRASTIC方法中的标准权重为基准值,结合研究区的实际情况,对研究区地下水脆弱性评价中各评价因子的重要程度与基准值的一致性进行分析,结果显示,基准值与研究区的实际情况基本吻合,因此对基准值进行归一化计算,建立本次地下水脆弱性评价中各因子的权重体系(表1)。

3.3 脆弱性综合评价指数

按照式(1)计算研究区的脆弱性综合评价指数值IE,并根据表2中的标准评价研究区浅层地下水的脆弱性程度和易污染程度。

表2 脆弱性综合评价指数及脆弱性、易污染程度对照关系

4 评价结果

按照上述方法和原则确定研究区浅层地下水脆弱性评价的评分体系和权重体系,采用改进后的DRASTIC方法,同时利用ArcGis 10.2的图层空间分析平台,根据研究区的客观规律叠加并整合各评价因子的分区图(图2),最终获得研究区的地下水脆弱性分区图,并对浅层地下水脆弱性进行评价。由评价结果可知,研究区浅层地下水IE值的分布区间为3.45～7.68,按照表2中的分级标准可将研究区划分为浅层地下水脆弱性低区、脆弱性较低区、脆弱性中等区、脆弱性较高区和脆弱性高区。

图2 研究区浅层地下水脆弱性分区

a. 脆弱性低区。低区分布在研究区南部砾质平原与细土平原交界一带,面积为1 174.068 km2。该区地下水埋深一般为10～30 m,含水层岩性以砂砾石为主,包气带介质类型为粉质黏土,含水层渗透系数为5～10 m/d,水质良好。

b. 脆弱性较低区。较低区主要分布在研究区中部的细土平原,分布面积为2 760.433 km2。该区域地下水埋深为10～30 m,含水层岩性主要为砂砾石、细砂,土壤和包气带介质类型均为粉质黏土及细砂,含水层渗透系数为5～10 m/d,水质良好,降水量100～200 mm,潜水蒸发量1 200～1 600 mm。

c. 脆弱性中等区。中等区主要分布在研究区南部的阜康市、吉木萨尔县、奇台县和木垒哈萨克自治县山前砾质平原区,以及阜康市北部沙漠区,分布面积为12 830.646 km2。其中,南部山前砾质平原区地下水埋深一般大于30 m,含水层岩性以卵石为主,渗透系数大于40 m/d,水质良好;西北部沙漠区地下水埋深一般为10～30 m,含水层岩性以细砂为主,渗透系数为1～5 m/d,水质较差。

d. 脆弱性较高区。较高区主要分布在研究区北部的五彩湾地区以及木垒哈萨克自治县山前平原区,分布面积为7 033.312 km2。该区域地下水埋深一般小于10 m,含水层及包气带岩性均为砂砾石,土壤介质类型主要为粉质黏土,含水层渗透系数为1～5 m/d,其中五彩湾地区降水量小于50 mm,潜水蒸发量大于2 000 mm,水质极差。

e. 脆弱性高区。高区主要分布在研究区东北部的芨芨湖、老君庙一带,分布面积为978.059 km2。该区域地下水埋深一般小于5 m,含水层岩性以砂砾石为主,土壤和包气带介质类型均为砂砾石,含水层渗透系数为10～20 m/d,降水量小于50 mm,潜水蒸发量为1 600～2 000 mm,水质较差。

5 结 语

a. 根据研究区的地质及水文地质条件,分别确定浅层地下水脆弱性评价的评分体系和权重体系,采用改进的DRASTIC方法,同时利用ArcGis 10.2的图层空间分析平台,叠加并整合各评价因子的分区图,最终获得研究区地下水脆弱性的分区图及评价结果:研究区浅层地下水IE值的分布区间为3.45～7.68,可划分为脆弱性低区、脆弱性较低区、脆弱性中等区、脆弱性较高区和脆弱性高区5个分区。

b. 通过脆弱性分区可以看出,浅层地下水脆弱性较高区和中等区占研究区总面积的80.17%,说明研究区浅层地下水整体脆弱性偏高,主要是由于地下水埋深较小、含水层渗透性较强、潜水蒸发强烈、浅层地下水水质差等因素造成的。

c. 从脆弱性分区图中不难发现,在五彩湾和芨芨湖地区,由于地下水埋深极小,且上部包气带透水性较强,没有连续分布的有效隔水层,因此属脆弱性略高-较高区,地下水较易污染。但该区域为准东经济技术开发区的重点核心区,目前不仅煤矿分布众多,各类大型的煤电、煤化工及煤电冶企业也不断建成,这给相对脆弱的地下水环境带来了严重的威胁。因此,笔者仅从本次研究成果的角度考虑,建议各企业在建设和运行过程中,严格开展地下水环境影响评价工作,对可能造成地下水污染的区域按照最高防渗标准进行防渗,对污废水切实做到不乱排乱放,在大力发展经济的同时,也为地下水环境保护工作贡献一份力量。

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Vulnerability assessment of shallow groundwater in eastern section of Northern Tianshan Mountain Economic Belt

WANG Tao1, XU Ming2

(1.No. 1HydrologyandEngineeringGeologyDepartment,XinjiangBureauofGeologyandMineralResources,Urumqi830000,China; 2.GeologicalEnvironmentMonitoringInstitutionofXinjiang,Urumqi830000,China)

Based on the modified DRASTIC method, nine indices, including the depth of groundwater, net recharge of the aquifer, aquifer lithology, soil medium type, surface slope, quality of shallow groundwater, medium type of aeration zone, permeability coefficient of the aquifer, and evaporation discharge of phreatic water, were chosen as assessment indices to determine the scoring system and weighting system. The overlay analysis function of ArcGis 10.2 was used to evaluate the shallow groundwater vulnerability in the eastern section of the Northern Tianshan Mountain Economic Belt. The research results show that 80.17% of the research area can be classified as higher and medium zones of vulnerability. In those zones, groundwater was more vulnerable. Low depth of groundwater, high permeability of the aquifer, and poor quality of shallow groundwater were the main factors that caused high vulnerability of shallow groundwater in the study area.

shallow groundwater; vulnerability assessment; modified DRASTIC method; scoring system; eastern section of Northern Tianshan Mountain Economic Belt

10.3880/j.issn.1004-6933.2017.01.009

中国地质调查局国家重要能源基地水文地质环境地质调查项目(1212011220970)

王涛(1985—),男,工程师,硕士,主要从事水文地质、环境地质、地下水环境影响评价等研究。E-mail:270158186@qq.com

P641.8

A

1004-6933(2017)01-0041-05

2016-05-30 编辑：徐 娟)