基于GIS与DRASTIC模型的嘉峪关市平原区地下水防污性能评价

2018-06-13李平平薛雅彬王建红

中国水土保持 2018年6期

李平平，薛雅彬，郎涛，王建红

(1.甘肃省地质环境监测院甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室/甘肃省环境地质与灾害防治工程技术研究中心，甘肃兰州 730050；2.酒泉市党河流域水资源管理局，甘肃敦煌 736200)

嘉峪关市位于甘肃省西北部、河西走廊中部，东临河西重镇酒泉市，西连石油城玉门市，南倚祁连山与肃南裕固族自治县接壤，北枕黑山与酒泉金塔县和内蒙古额济纳旗相接，中部为酒泉绿洲西缘。嘉峪关市土地总面积为1 224.42 km2，地理坐标为E97°50′06″～98°31′44″、N39°38′26″～40°00′41″，是甘肃省唯一不设区也不下辖县市的地级单位。属河西冷温带干旱气候区，据嘉峪关市气象站多年观测资料，当地多年平均气温为7.0～8.1 ℃，极端最高气温为38.6 ℃，极端最低气温为-31.6 ℃；多年平均降水量为85.4～181.8 mm，降水集中于6—8月，期间降水量占全年降水量的59.3%～62.2%；多年平均蒸发量为1 175.8～2 205.4 mm，集中于5—8月，期间蒸发量占全年蒸发量的55.6%～56.7%。位于河西走廊酒泉西盆地，属黑河流域，北大河自西南向东北流经嘉峪关市，为区内原唯一地表径流。北大河发源于南部祁连山区高山雪域，自源区沿西北向流经讨赖川及讨赖峡(该段称讨赖河)，自冰沟口出山后折向东北进入酒泉市，多年平均流量为20.27 m3/s、径流量为6.39亿m3。

嘉峪关市地处西北内陆，水资源十分短缺，开采的地下水主要用于工业生产、农业灌溉及农村居民生活用水。近年来嘉峪关市地下水开采量持续较大，超出允许开采量，地下水处于负均衡状态，储量呈逐年下降趋势，原本的水均衡状况发生了明显变化，地下水水质出现不同程度的变差。嘉峪关市北部为基岩山区，南部的平原区集中了几乎全部的城市规划区，因此本研究以嘉峪关市平原区为研究对象，利用GIS技术和DRASTIC模型对地下水防污性能进行评价，以期为当地土地资源合理开发利用及地下水资源有效保护提供科学依据。

1 水文地质条件

研究区南部岩性为泥质砂砾卵石，至北部递变为半胶结—微胶结的砂砾石(图1)。地下水类型为松散岩类孔隙水，第四系中上更新统是主要含水层，大致以观蒲村—新城镇为界，以东为承压水分布区，以西为潜水分布区。含水层厚度多数在50～500 m，在北大河洪积扇顶部含水层厚度最大，向东北逐渐减小，至北部山前不足50 m。

天然条件下，地下水排泄途径主要为泉水溢出和潜水蒸发。随着井灌规模的逐步扩大，机井开采也成为地下水的主要排泄方式之一。地下径流呈现与地形坡降和河流流向相一致的运动特征。地下水由盆地西南部洪积扇补给带流向盆地北部及东北部蒸发消耗区，水位埋深由深变浅，至细土平原北部呈泉水溢出地表。

含水层富水性自西南向东北由强变弱。地下水水质较好，矿化度较低，水化学类型为HCO3-SO4型，北大河北岸单井涌水量均大于10 000 m3/d，向北和东北渐变为5 000～10 000 m3/d。含水层呈东西向条带状分布，横沟村以西地带矿化度小于1.0 g/L，以东矿化度逐渐增大，在泥沟村一带大于1.0 g/L。

2 地下水防污性能评价方法

根据研究区水文地质条件，结合DRASTIC评价方法，选取地下水埋深(D)、净补给量(R)、含水层介质(A)、土壤介质(S)、地形坡度(T)、包气带影响(I)、水力传导系数(C)7个因子，进行地下水防污性能评价[1-7]。DRASTIC评价方法中各评价因子的评分值范围在1～10，防污性能最好的评分为1，防污性能最差的评分为10，详见表1[8]。根据对防污性能影响的大小分别给予不同的权重值，影响最大的权重值为5，影响最小的权重值为1。DRASTIC地下水防污性能指数(DI)计算公式为

根据收集到的因子数据，在ArcGIS中转换成可用于分析的数据格式进行分类分析[9-11]。按照地下水防污性能分级标准(表1)，绘制出研究区地下水防污性能评价分级结果。

3 地下水防污性能评价

3.1 地下水埋深

研究区地下水埋深南部大于100 m，向北及东北逐渐变浅，文殊沟、嘉峪关大断层及大草滩一带地下水埋深为3～10 m，局部有泉水溢出，嘉峪关大断层东侧地下水埋深在100 m左右，向东逐渐变浅，至泥沟村一带仅为1 m。研究区地下水埋深分级结果见图2。

图2 研究区地下水埋深分级(注：交叉线区域为基岩山区，不在研究范围内，下同)

3.2 净补给量

研究区地下水补给来源主要为河水入渗、降水入渗及渠系、灌溉水入渗。河水入渗主要为北大河入渗，北大河主要分布在嘉峪关市平原区南部，面积为8.99 km2，入渗量为3 410.0万m3/a，单位面积上平均净补给量为3 790 mm；渠系和灌溉主要分布在研究区南部和东部及市区周围，面积为93.68 km2，入渗量为481.0万m3/a，单位面积上平均净补给量为51.3 mm。研究区地下水净补给量分级结果见图3。

图3 研究区地下水净补给量分级

3.3 含水层介质

研究区地下水类型为松散岩类孔隙水，第四系中上更新统是主要含水层。大致以观蒲村—新城镇为界，以东为承压水分布区，以西为潜水分布区。研究区含水层介质分级见图4。

图4 研究区含水层介质分级

3.4 土壤介质

居民生活和工矿区主要分布在嘉峪关市区内，土壤介质为黏质壤土，面积为74.05 km2，占研究区总面积的8.45%；耕地和林地主要分布在东部和南部及市区周围，土壤介质为粉质壤土，面积为119.62 km2，占研究区总面积的13.65%；其余部分土壤介质均为泥质砂砾卵石，面积为682.57 km2，占研究区总面积的77.90%。研究区土壤介质分级见图5。

图5 研究区土壤介质分级

3.5 地形坡度

研究区地形较为平坦，根据地形坡度分析结果，除文殊乡及最西端部分地区坡度为2%～6%外，大部分地区坡度<2%。研究区地形坡度分级见图6。

图6 研究区地形坡度分级

3.6 包气带影响

研究区包气带介质为泥质砂砾卵石，向北部递变为半胶结—微胶结的砂砾石；在耕地区域表层为粉质壤土，居民和工矿用地区域表层为黏质壤土，下部为砂砾石。按DRASTIC各因子的类别及其评分，包气带影响介质为砂砾石。研究区包气带介质分级见图7。

图7 研究区包气带介质分级

3.7 水力传导系数

研究区水力传导系数随着地下水埋深的变浅而减小。水力传导系数在南部、北部和西部最大，均大于12.2 m/d；向东北和西北逐渐变小，在文殊沟及嘉峪关大断层一带为4.1～12.2 m/d，在大草滩及泥沟村一带小于4.1 m/d。研究区水力传导系数分级见图8。

图8 研究区水力传导系数分级

4 防污性能评价结果分析

根据上述评价方法与各指标分析结果，结合DRASTIC防污性能划分原则，初步将防污性能分为5级：Ⅰ级，DI≤100，防污性能很好；Ⅱ级，100160，防污性能很差。进行叠加分析，对研究区评价结果按照分级标准进行分级，结果见图9。

图9 研究区地下水防污性能分级结果

(1)地下水防污性能很好区。该区主要分布在城镇和工矿区，面积135.26 km2，占研究区总面积的15.44%，地下水埋深>30 m，含水层介质以泥质砂砾卵石为主，土壤介质为黏质壤土，水力传导系数为4.1～12.2 m/d，综合各影响因素划分为防污性能很好区。

(2)地下水防污性能较好区。该区面积637.27 km2，占研究区总面积的72.73%，地下水埋深>10 m，净补给量以降雨入渗和灌溉、渠系水入渗为主，含水层介质以泥质砂砾卵石为主，水力传导系数>4.1 m/d，综合各影响因素划分为防污性能较好区。

(3)地下水防污性能中等区。该区分布在新城乡—野麻湾东侧和大草滩一带，面积91.03 km2，占研究区总面积的10.39%，地下水埋深<20 m，其中新城乡—野麻湾一带净补给量以降雨入渗和灌溉、渠系水入渗为主，其他地区净补给量以降雨入渗为主，含水层介质以泥质砂砾卵石为主，水力传导系数一般<4.1 m/d，综合各影响因素划分为防污性能中等区。

(4)地下水防污性能较差区。该区分布在泥沟村和北大河一带，面积12.68 km2，占研究区总面积的1.45%，其中泥沟村一带地下水埋深为5 m左右，净补给量以降雨入渗为主，含水层介质以泥质砂砾卵石为主，土壤介质为泥质砂砾卵石，综合各影响因素划分为防污性能较差区。

5 结论与建议

在系统分析研究区水文地质条件的基础上，进行研究区地下水资源评价，建立了DRASTIC地下水防污性能评价模型，利用GIS技术绘制了各项指标分级图，叠加后得到综合评价结果，并进行分级分区。评价结果表明，研究区地下水防污性能分为很好、较好、中等和较差4个区，分别占研究区总面积的15.44%、72.73%、10.39%和1.45%。由评价结果知，研究区地下水防污性能总体较好，评价结果为地下水管理、保护规划、污染防治提供了依据，对地下水资源和土地资源合理利用、废弃物填埋场的选址、地下水污染的评价与控制、水源地的选择与保护等工作具有一定的指导意义。根据地下水防污性能评价结果，建议在工业生产集中的地区，防治工业“三废”和有机污染，加强废物的安全排放管理与处置工作，防止地下水污染。

[参考文献]

[1] 郭康,冯加远.黄河上游某灌区地下水防污性能评价及预测[J].地下水,2015,37(3):55-58.

[2] 李爱国,张丰.基于DRASTIC 的山东省丘陵山区地下水防污性能评价[J].山东国土资源,2015,31(5):62-66.

[3] 郭正法.基于改进的DRASTIC泗阳城区浅层地下水防污性能评价[J].西部探矿工程,2015,27(1):92-94.

[4] 于向前,李云峰,赵义平,等.基于DRASTIC的地下水防污性能评价组合权重分配方法[J].地球与环境,2012,40(4):568-572.

[5] 王玉莲,王振兴,钟振楠.威海市地下水防污性能评价[J].山东国土资源,2014,30(2):47-50.

[6] 高爽,唐蕴,唐克旺.通辽市平原区浅层地下水脆弱性评价[J].中国水利水电科学研究院学报,2015,13(4):261-270.

[7] 刘春华,张光辉,王威,等.区域地下水系统防污性能评价方法探讨与验证——以鲁北平原为例[J].地球学报,2014,35(2):217-222.

[8] 王建红,余启明,李平平,等.基于GIS技术与DRASTIC模型的民勤盆地地下水脆弱性评价[J].兰州大学学报(自然科学版),2015,51(6):882-887.

[9] 贾永锋,郭华明,魏亮.基于模型模拟法的地下水氨氮-硝氮防污性能评价——以北京市昌平区为例[J].现代地质,2015,29(2):316-323.

[10] 邹胜章,李录娟,卢海平,等.岩溶地下水系统防污性能评价方法[J].地球学报,2014,35(2):262-268.

[11] 崔秀凌,李庚阳.银川市地下水防污性能研究[J].农业科学研究,2013,34(3):14-18.