中国北方岩溶水脆弱性评价模型及改进

孙少游，马静晨，刘全国，李世君,杨 楠，潘 懋

（1. 北京市地质工程勘察院，北京 100048；2. 北京大学，北京 100087；3. University of British Columbia, Vancouver, Canada V6P4Y7。）

中国北方岩溶水脆弱性评价模型及改进

孙少游1，马静晨1，刘全国1，李世君1,杨 楠2,3，潘 懋2

（1. 北京市地质工程勘察院，北京 100048；2. 北京大学，北京 100087；3. University of British Columbia, Vancouver, Canada V6P4Y7。）

根据北方地区岩溶含水层的特征，基于改进欧洲方法，利用ArcGIS构建了包括指标体系、权重、评分体系的北方地区岩溶含水层脆弱性评价模型。并运用该模型，对北京房山岩溶含水层脆弱性进行了评价。结果表明:岩溶水脆弱性较高的区域位于岩溶发育的地区尤其是溶洞周围，而在范围较小的研究区，降雨及植被覆盖因素的影响较小。模拟结果显示，北京房山岩溶区90%处于脆弱性较低的范围，只有研究区西北部岩溶发育强烈的小部分区域脆弱性较高，建议加强进一步调研或应加强保护。

欧洲方法; ArcGIS; 岩溶水; 脆弱性; 房山

0 前言

岩溶水是地下水的主要赋存形式之一，肩负着世界大约25%人口的饮水任务（Derek et al，2007）。中国岩溶地下水分布面积约82.83×104km2，可开采资源量约为870.02×108km3/a，占全国地下水可开采资源总量的6.7%，也是某些地区主要的供水水源。赋存岩溶水的岩溶含水层地质成因独特，其一旦遭受污染，恢复治理将极其困难，特别在以岩溶水作为唯一水源的地区，其影响更是致命的。因此，对岩溶含水层进行脆弱性评价并及时采取保护措施是十分必要的（赵玉国，2011）。

地下水脆弱性指的是污染物质到达含水层系统某一特定位置的倾向性与可能性（钟佐燊，2005；Derek et al，2007）。国内外专家通过理论研究与实例验证已经提出了多种地下水脆弱性评价的方法（彭稳等，2010；赵玉国，2011；Goldseheider，2003），其中使用最广泛的是DRASTIC，但它主要适用于孔隙含水层，对岩溶含水层脆弱性评价的适用性较差（钟佐燊，2005；Daly et al，2002）。为此，又先后出现了针对岩溶含水层脆弱性评价的不同方法，如EPIK、越南模型、Slovenia模型、二元法、COP方法等（邢立亭等，2009；徐慧珍等，2006；章程等，2007），其中以欧洲模型考虑的指标最为全面,评价体系也最为完善，是目前对岩溶含水层脆弱性指标阐述最详细的方法（彭稳等，2010；张强等，2009），中国的蒋勇军等人在对我国西南地区岩溶含水层脆弱性评价时，以欧洲方法为蓝本进行了改进（张强，2009；杨桂芳，2002）。

近30年来，尽管地下水脆弱性研究方面的发展迅速，关于岩溶区地下水脆弱性研究却进展缓慢。本文改进的岩溶水脆弱性评价模型基于较完善的欧洲方法，选取中国北方典型岩溶区北京市房山区为试点，结合《中华人民共和国环境保护行业标准——地下水脆弱性评价技术指南建议稿》，运用ArcGIS作为工作环境，对评价因子进行优化，形成了一套适用于中国北方岩溶水脆弱性评价的程序化方法，提高了岩溶水脆弱性评价的准确率。

1 欧洲方法

欧洲方法是基于“起源—路径—目标”模型，可应用在地下水资源和水源地保护中，在此模型中将潜在污染物质的释放区视为“起源”；“目标”是地下水面或水井、泉；“路径”包括从起源到目标之间的全部路径（Goldseheider，2003）。欧洲方法的地下水脆弱性评价模型考虑四个因素：覆盖层O（Overlying layers）、径流特征C（Concentration of flow）、降水条件P（Precipitation regime）、岩溶系统发育K（Karstic network development）。

2 评价模型及改进

本文的岩溶水脆弱性评价模型的指标及原理如图1所示。

以秦岭淮河为界，中国南、北方岩溶在岩溶发育程度、岩溶水含水介质、岩溶水动态、赋存条件等方面都存在一系列差异，而国内的《中华人民共和国环境保护行业标准——地下水脆弱性评价技术指南建议稿》并没有对中国南、北方岩溶发育的特点做出详细区分。另外，欧洲方法目前的主要试点在欧洲发达地区，这些地区基础地质资料丰富，岩溶勘察详实，而在我国大部分岩溶区，勘察资料获取存在一定的困难。基于上述问题，评价模型个别因子的选取应根据我国北方与欧洲方法的特点上有所区分。本文对欧洲模型进行了如下改进，详见表1：

图1 岩溶水脆弱性评价模型原理图Fig.1 The Theory of Evaluation M odel of Vulnerability of Karst Water

（1）中国北方的年均降雨量在50～800mm左右，极端降雨（暴雨＞50mm/d，大雨＞25mm/d）次数极少，故本文将降雨条件P的次级因素概化为年均降雨量Ar（我国北方各地的降雨主要集中在夏季，故取值选取近30年来6—8月降雨量的均值）与年均极端降雨次数Se。P值越大，代表该地区脆弱性越低。

（2）考虑到中国北方岩溶发育的落水洞与消水河发育极少，但有少量溶洞发育，故将欧洲方法中的落水洞、消水河的影响合并为溶洞因素，且溶洞是否在降雨情况下处于活跃状态仍需要鉴定。因此，用Tv因子来鉴定溶洞在全年中所起的作用。其中，距离溶洞越近的区域，其脆弱性越高。

（3）岩溶区与非岩溶区植被覆盖情况及坡度对脆弱性的影响是相反的，因此，需以分水岭为界区分快速补给区和缓慢补给区。快速补给区是溶洞周边区域，地形坡度越大、植被覆盖越少，其脆弱性越高，缓慢补给区与此相反。

（4）因为C、O、P、K各因素对脆弱性指数的贡献程度是不同的，故利用专家打分法对各因素赋权重后进行叠加计算。

3 改进模型的应用

房山位于北京市西南，其地理坐标为东经115°25′—116°15′，北纬39°30′—39°55′，属于大清河水系，境内地势西北高，东南低。以凤凰山—上寺岭—霞云岭分水岭为界，北部为大石河，南部为拒马河。北部大石河切割较浅，由霞云岭向北经蓟县系地层进入寒武系、奥陶系灰岩地层之中，沿岸现岩溶溶蚀作用形成的洼地，并受构造作用影响形成佛子庄泉、河北泉等多处泉。南部低山丘陵区广泛分布蓟县系雾迷山组碳酸盐岩，受拒马河切割影响，形成两岸陡峭的峰丛、峰林等岩溶地貌，且岩溶洞穴较发育，形成石花洞、云水洞等重点景观岩溶洞穴。山区岩溶裂隙发育，地下水入渗补给条件好。

根据房山区的水文地质资料，结合以上改进模型进行的岩溶水脆弱性评价结果如图2所示。

表1 模型因子改进前后对比表Tab.1 M odel factor comparison before and after improvement

图2 房山区岩溶水脆弱性评价结果Fig.2 Evaluation of the vulnerability of karst water in fangshan

4 结果分析

根据此次收集的房山区基础地质、水位、降雨以及植被覆盖于地形坡度等资料，利用本文基于ArcGIS改进的北方岩溶水脆弱性评价模型得到的房山区岩溶水脆弱性评价结果显示：

（1）降雨因素对整个研究区的影响完全相同，这是因为研究区面积较小，整个研究区的降雨情况基本相同。

（2）覆盖层因素于土壤类型以及土地利用类型有关，在整个研究区的中部，覆盖层产生的脆弱性较低；在西北和东南的部分区域，脆弱性评价最低，因为土壤类型及性质较好，对地下水产生了较强的保护能力。

（3）落水洞于消水河对研究区的影响较大，因为溶洞周边会产生坡度较大的地带，这一地带使得地表水可以快速流入溶洞，从而将地表污染物以及与地表水混合的其他污染物一并带入。研究区中有小面积脆弱性高的地区主要位于溶洞附近，因污染物通过点状快速入渗进入溶洞，通过溶洞迅速进入岩溶含水层。

（4）研究区4/5的面积处于脆弱性中等或低的地区，一次无需特别的调研与保护，但是在大型溶洞周边，模拟产生的红色区域指示脆弱性较高，因此需要特别注意或者进行进一步的调研。

5 结论

本文构建了北方地区岩溶含水层脆弱性评价模型，以北京市房山区为例进行了应用及验证，表明构建的模型基本符合实际情况，可用于北方地区岩溶含水层脆弱性评价。岩溶含水层脆弱性级别高的区域主要位于灰岩裸露区、渗漏河道和泉源区，因此应该进行进一步的调研或采取相应的措施加强保护。

Derek C, W illiam s F，2007. Karst Hyd rogeology and Geomorphology [M]. Wiley Revised Edition: 551.

Goldseheider N, 2003. Karst groundwater vulnerability mapping: application of a new method in the Swabian Alb, Germany [J]. Hydrogeology Journal, (13): 555-564.

彭稳，裴建国，2010. 岩溶含水层脆弱性评价方法探讨[J]. 水资源保护，6(6)：9-12.

徐慧珍，高赞东，2006. 岩溶地区地下水防污性能评价——PI方法[J]. 新疆地质，24(3)：318-321.

杨桂芳，姚长宏，2002. 我国西南岩溶区地下水敏感性评价模型研究[J]. 科技进展，25(2)：83-85.

章程，蒋勇军，Michele，等，2007. 岩溶地下水脆弱性评价“二元法”及其在重庆金佛山的应用[J]. 中国岩溶，26(4)：334-340.

钟佐燊，2005. 地下水防污性能评价方法探讨[J]. 地学前缘. 12 (S1)：3-11.

张强，蒋勇军，林玉石，等，2009. 基于欧洲模型的岩溶地下水脆弱性风险性评价[J]. 人民长江，40(13)：51-54.

赵玉国，2011. 基于GIS的岩溶地区地下水脆弱性评价——以重庆市老龙洞地下河流域为例[D]. 西南大学.

Evaluation M odel and Its Im provement of Vulnerability of Karst Water in North China

SUN Shaoyou1, MA Jingchen1, LIU Quanguo1, LI Shijun1, YANG Nan2,3, PAN Mao2

(1. Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering, Beijing100048; 2. Peking University, Beijing 100871; 3. University of British Columbia, Vancouver, Canada, V6P4Y7)

An improved model was proposed based on the characteristics of karst aquifers in North China. This improved model, including index system, weight and scoring system, comes from the European Model and take advantage of ArcGIS as the eff cient tool to simulate the vulnerability of Fangshan karst aquifers in Beijing. The result shows that the regions w ith high vulnerability to karst water are in the areas where karst landform is relative well-developed especially around the karst caves. Rainfall and vegetation factors are less affected in smaller study areas. The simulation result show that 90% of Fangshan karst area in Beijing is in a low vulnerability area, only a small part of the region w ith strong karst development in the northwest of the study area has higher vulnerability. It is suggested to strengthen further research or strengthen protection in high vulnerable areas.

European Model; ArcGIS; Karst water; Vulnerability; Fangshan District

A

1007-1903（2017）02-0087-04

10.3969/j.issn.1007-1903.2017.02.017

北京岩溶水资源勘查评价工程（京发改[2011]1215号）

孙少游（1983- ），男，硕士，工程师，主要研究方向：地下水资源。E-mail：418171619@qq.com