基于DRASTIC方法的乌鲁木齐市平原区地下水脆弱性评价

李玉芳，陈 立

（新疆地矿局第一水文工程地质大队，新疆乌鲁木齐 830091）

0 前言

乌鲁木齐市是新疆维吾尔自治区首府，是世界上最内陆、距离海洋和海岸线最远的大型城市。随着城市的不断发展，乌鲁木齐市的地下水资源不仅遭到超采，同时亦遭到不同程度的污染，制约了城市经济和资源环境的协调发展。随着国家西部大规模开发和“一带一路”的发展规划，乌鲁木齐市还将进入大规模的开发和建设的新时期，伴随着人口增长、生态环境及经济发展，未来将对乌鲁木齐市的水源的质量和数量提出更高的要求。由于自然条件的不断变化以及愈来愈频繁的人类活动的影响，其地下水资源被污染的可能性进一步增大。在充分了解乌鲁木齐市地下水赋存的基础条件的情况下，本次研究采用DRASTIC评价方法，评价研究区内浅层地下水脆弱性，并进行了地下水脆弱性分区，为乌鲁木齐市地下水资源管理与规划提供基础资料。

1 研究区概况

研究区为乌鲁木齐市行政区范围，位于新疆中部、北天山北麓、准噶尔盆地南缘、欧亚大陆腹地，东西宽约185km，南北最长约270km，土地总面积13788km2，海拔高程680～920m。区内总体地势南高北低，由西南向东北倾斜，地形复杂，地形大致为东、南、西三面环山，北部为乌鲁木齐河流域倾斜平原。

研究区属温带大陆性干旱和半干旱气候。其主要特点是：降水量少，年平均降水量不足200mm，蒸发能力强，日照时数长；冬季寒冷，夏季炎热，春秋两季不甚明显，年较差及昼夜温差大，具有寒热多变的典型大陆性气候特征。该地区2014年全年月平均气温7.4℃，全年月平均降水量24.8mm，全年月平均日照时数248.9h。

研究区境内河流水系主要由乌鲁木齐河流域、头屯河流域和白杨河水系构成。乌鲁木齐河流域包括原乌鲁木齐河及南山十余条小河。流域内较大的河流有乌鲁木齐河、板房沟、水磨沟等。

区内发育地层有古生界泥盆系、石炭系、二叠系，中生界三叠系、侏罗系、白垩系和新生界古近系、新近系以及第四系。岩浆岩不甚发育，多为华力西早、中期小型侵入岩体、岩株，以酸性花岗岩、中酸性石英闪长岩和花岗闪长岩、中性闪长岩和基性辉绿岩为主。总体上由南向北、从山区到平原，地层由老到新分布。其中第四系广泛分布于乌鲁木齐河、头屯河流域、柴窝堡盆地及北部平原区。

按含水介质和埋藏条件，平原区地下水类型以第四系松散岩类孔隙水为主，碎屑岩类孔隙裂隙水以及基岩裂隙水多赋存于山区及低山丘陵区（图1）。其中第四系松散岩类孔隙水分布于柴窝堡山间盆地、乌鲁木齐市河谷地段、山前倾斜平原以及达坂城区一带，从山前到平原中部，从河流上游至下游，地下水由第四系松散岩类单一潜水变为多层结构潜水—承压水；碎屑岩类孔隙裂隙水主要分布在低山区及丘陵区，赋存在二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系及第三系碎屑岩类的裂隙孔隙中；基岩裂隙水主要分布于乌鲁木齐东部、南部中低山区，赋存于石炭系、二叠系及泥盆系碎屑岩和花岗岩类的裂隙中（图2）。

图1 乌鲁木齐市水文地质略图Fig.1 Hydrogeological map of Urumqi

图2 乌鲁木齐市区域水文地质剖面图Fig.2 Hydrogeological section of Urumqi city region

2 地下水脆弱性评价

2.1 地下水脆弱性评价因素

地下水是一个开放系统，其脆弱程度往往是多种因素共同作用的结果，其中包括地形、地貌、含水层特征等内部因素，也包括各种人为的可能引起污染的外部因素（刘仁涛等，2006）。地下水脆弱性评价分为固有脆弱性评价以及特殊脆弱性评价。其中固有脆弱性评价考虑的评价因素主要是水文地质等内部因素，特殊脆弱性评价主要考虑外部因素。通常对地下水进行脆弱性评价是对两种脆弱性进行综合考虑。

在实际应用中由于各种原因，不可能对所有内外部因素全部考虑，通常是根据研究区的自然地理条件、人类活动现状以及污染实际情况，并结合研究目的进行具体分析，尽量找出对地下水脆弱性影响较大的主要因素（敏感因子），建立一套客观、系统、易操作的指标体系，根据指标体系进行脆弱性评价。

2.2 评价方法的选择

目前国内外学者根据研究区特点提出了许多不同的评价方法，其中有侧重于小比例尺（大范围）的浅层地下水的固有脆弱性评价或者固有脆弱性评价和特殊脆弱性评价的联合的迭置指数法；有适用于大比例尺（小范围）的土壤、包气带的特殊脆弱性评价的过程数学模拟法；有适用于小比例尺（大范围）的潜水的特殊脆弱性评价的统计法；也有适用于小比例尺（大范围）的潜水的固有脆弱性评价的模糊数学方法（DIXON et al,2007）。这些方法都各有侧重点及优缺点。目前，对地下水脆弱性的评价，迭置指数法中的DRASTIC方法是应用较为广泛和成功的。

DRASTIC法中的主要指标为7项，均为水文地质参数。其中D代表地下水位埋深，R代表含水层的净补给量，A代表含水层组介质类型，S代表土壤介质类型，T代表地形坡度，I代表渗流区介质类型，即包气带介质，C代表含水层渗透系数。7项指标的加权总和为最后的脆弱性评价得分，该方法提供的是相对概念，并不表示地下水污染的绝对数值。

2.3 评价模型的建立

本次地下水脆弱性评价方法采用DRASTIC评价方法。首先对7个指标分别进行评分，评分范围为1～10，对地下水脆弱性影响越大，评分越高；然后为每个指标赋予一个相对权重值，代表每个指标的相对重要程度，权重值的范围为1～5，其中对地下水污染影响力最大的指标的权重值赋为5，影响力最小的指标权重赋为1，权重为不可变的定值；最后脆弱性评价得分Di为以上7个指标的加权总和（范琦等，2007）。

Di的计算方式为：

式中：Di代表DRASTIC指数得分；Wj代表因子j的权重；Rj代表因子j得分。

2.4 各指标评分体系的建立

根据《地下水资源调查评价技术方法汇编》（中国地质调查局）中“地下水脆弱性评价技术要求GWI-D3”的指标特征值，通过对研究区内各种地质资料的收集、分析结果，按DRASTIC方法的评价原则，建立各指标的评分体系。

（1）D（地下水位埋深）：地下水位埋深是地下水脆弱性评价中比较重要的一个评价指标。研究区中部为乌鲁木齐河谷，河谷两侧地下水位埋深20～50m不等，南部为山前倾斜平原，地下水位埋深一般大于100m，北部为细土平原，地下水位埋深10～30m。区内地下水位埋深总体趋势为由南向北逐渐减小。通常水位埋深越小，地表污染物越容易迁移至含水层，地下水受到污染的可能性越大，因此，水位埋深越小，评分越高。按此原则对研究区内的地下水位埋深区间进行评分，结果见表1。

表1 定量评价因子等级分值及权重Tab.1 Quantitative Evaluation of the Value and Weight of Factor Grades

（2）R（含水层净补给量）：该值可以通过区域降水等值线图获得。通常净补给量的值越大，代表地下水受到污染的可能性越大，其评分越高。

（3）A（含水层介质类型）：研究区内平原区地下水以第四系松散岩类孔隙水为主，其含水层岩性主要分为砂砾层及层状砂岩两类，通常情况下，含水层岩性的孔隙度越大，含水层受到污染的可能性越大，其评分应该越高，反之则越低，因此相比之下，砂砾层评分相对于层状砂岩稍高，见续表1。

（4）S（土壤介质类型）：研究区的土壤介质类型主要指距地表平均厚度2m或小于2m的地表风化层，可以分为砾（砂）、泥炭、粉质粘土（砂质粉土）、粘土及垃圾等5类，土壤厚度越小，颗粒越粗，代表含水层越容易受到污染，则该评价因子在评分体系中评分越高，反之则越低。对土壤介质类型按照此原则进行评分，结果见续表1。

（5）T（地形坡度）：研究区总体地形由西南向东北倾斜，东、南、西三面环山，北部为乌鲁木齐河流域倾斜平原；南部低山丘陵区地形坡度较大，大于20%，北部倾斜平原2%～20%。

（6）I（包气带介质）：研究区包气带介质类型主要包括砂砾、含粉砂和粘土较多的砂砾、砂岩、粉砂/粘土4类，由南向北包气带介质岩性颗粒呈现出由粗变细的分布特征。通常包气带岩性孔隙度越大，地表污染物越易被带入含水层，污染物的运移时间也越短，含水层遭受污染的可能性越大，那么该因子评分越高。

（7）C（含水层渗透系数）：影响含水层渗透系数大小的因素主要取决于含水层中介质颗粒的形状、大小等，含水层渗透系数越大，含水层遭受污染的可能性越大，该因子评分越高，对研究区的渗透系数按此原则进行评分，结果见续表1。

续表1 定量评价因子等级分值及权重Continued from Tab.1 Quantitative Evaluation of the Value and Weight of Factor Grades

2.5 评价分析结果

根据得到的研究区DRASTIC模型的7个指标的评分图，应用ArcGis10.2图层分析软件对7个指标对应的相对权重值进行图层间的叠加分析，根据表2的划分等级，分析得到乌鲁木齐市地下水脆弱性分区图（图3）。

（1）极高脆弱性区：主要分布于乌鲁木齐河河谷区及五一农场区域。该区地下水位埋深小于10m，包气带厚度较薄；包气带自净能力比较弱；包气带岩性以砂砾石、卵砾石为主，透水性较强，渗透系数40～100m/d，有利于地表的污染物向地下水含水层的迁移和渗透；地下水补给强度大；根据评价结果，该区划分为地下水极高脆弱性区。

表2 地下水脆弱性分级标准Tab.2 Subsurface water vulnerability classi fi cation criteria

图3 乌鲁木齐市地下水脆弱性分区图Fig. 3 Sub-region Chart of Groundwater Vulnerability in Urumqi City

（2）高脆弱性区：主要分布于三坪农场北部、青格达湖乡—安宁渠镇段。该区域地下水位埋深10m左右，包气带厚度较薄；包气带自净能力比较弱；包气带的岩性以砂砾石、卵砾石为主，其渗透系数30～80m/d，透水性也较强；地下水补给强度大；根据评价结果，该区划分为地下水高脆弱性区。

（3）中等脆弱性区：主要分布于柴窝堡—乌拉泊村、永丰乡以南至雅马里克山、乌鲁木齐河河谷两侧阶地及北部山前倾斜平原三坪农场—大草滩段。该区域地下水位埋深30～80m，包气带厚度较厚；包气带自净能力比较弱；包气带岩性为砂砾石、卵砾石，其渗透系数5～20m/d，透水性中等，较利于地表污染物向含水层的迁移和渗透；地下水补给强度大，根据评价结果，划分为地下水中等脆弱区。

（4）低脆弱性区：主要分布于柴窝堡盆地及达坂城区及北部三道坝镇北侧的小部分区域，该区域水位埋深30～250m，包气带厚度大；包气带自净能力中等；包气带岩性细砂、砂砾石，渗透系数较小，透水性中等，根据评价结果，划分为地下水低脆弱性区。

（5）极低脆弱性区：主要分布于乌鲁木齐市三道坝镇以北，该区包气带岩性多为砂粘土、粉土、细砂；包气带的自净能力比较强；渗透系数一般较小，地表污染物较难向地下渗透和迁移；地下水补给强度较小，综合各影响因素，划分为地下水极低脆弱性区。

3 结论

本次研究，在分析乌鲁木齐市基础地质条件及地下水赋存条件的基础上，采用DRASTIC评价方法，对乌鲁木齐市平原区地下水脆弱性进行了整体评价，同时采用ArcGis10.2软件的图层空间分析平台，将各评价因子分区图叠加并整合，形成乌鲁木齐市地下水脆弱性评价分区图。其中乌鲁木齐市中心城区绝大部分地区的地下水脆弱性为中—高等，主要是由于含水层介质多为砂岩、砂砾石等透水性较好的地层，地下水埋深较小，渗透系数较大，因此在此区域进行城市规划及各类企业建设及运行时，应严格开展地下水环境影响评价工作，并控制污废水的排放，防止地下水水质受到污染。