基于Mapgis和AHP的DRASTIC模型的合肥市地下水防污性能评价

王松 管后春

摘要：随着城市化进程的加快，合肥市浅层地下水受到了不同程度的污染。本文选取地下水位埋深、净补给量、含水层渗透系数、地形坡度、含水层介质、土壤介质及非饱和带介质等7个指标，用层次分析法确定权重，建立了合肥市地下水易污性评价的DRASTIC指标体系。借助Mapgis软件的空间分析及制图功能，对该地区浅层地下水防污性能进行评价和分区。评价结果与实测研究区地下水质量较好地吻合，说明基于DRASTIC模型的浅层地下水防污性能相关成果在一定程度上可为本地区政府管理部门制定城市规划、工业布局和地下水资源保护提供决策参考。

关键词：地下水防污性能；DRASTIC模型；层次分析法；Mapgis

随着工业化和城市化进程的加快，导致地下水污染日益严重，地下水防污性能已成为研究热点。受城市“三废”排放的影响，城市生态环境质量明显下降，水土污染日趋严重，地表水和地下水水质明显下降，危害人体健康。

目前，合肥老城区浅层地下水单项指标污染严重，属中一重度污染，估算经济损失达4660万元，给城市发展带来较严重的负面影响。此外，地下水污染难以被发现，且污染后的治理与恢复困难。

本文根据研究区的实际情况，对《地下水污染调查评价规范》（DD2008-01）推广的DRASTIC模型进行适当改进，建立研究区浅层地下水易污性评价DRASTIC指标体系，利用Mapgis空间分析功能和制图技术编制防污性评价分区图，为研究区地下水污染、地下水资源的保护提供科学依据，并为地方政府土地利用、规划等提供参考。

1.水文地质概况

根据研究区地下水的赋存条件、水力性质及地层岩性组合特征，将本区地下水划分为松散岩类孔隙水、碎屑岩（红层）空隙裂隙水、碳酸盐岩类岩溶水和基岩裂隙水四大类型。根据岩性、水量等的差异，进一步细分为不同亚类（表1）。

2.地下水防污性能影响因素

地下水防污性能是指地下水环境对于自然条件变化和人类活动影响破坏带来的一系列问题的敏感程度，通俗的说法就是地下水的易受污染程度。地下水防污性能与多种影响因素密切相关，其中主要包括含水层结构、埋藏条件、水动力条件、地下水形成条件及地下水环境。影响地下水固有防污性能的因素主要包括补给量、土壤介质、包气带、饱和带，其次为地形、地表水和下伏含水层。

3.地下水防污性能评价方法

本次研究是基于合肥市区域地下水固有属性的研究，因此仅考虑研究区地质和水文地质条件。结合研究区的实际情况，选取基于Mapgis和AHP的DRASTIC法作为此次评价方法。该方法为地下水防污性能评价的经典方法，也是目前应用最广、效果最好的一种评价方法。

根据评价区自然地理、地质及水文地质条件，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）、包气带介质（I）及含水层渗透系数（C）7个指标，建立合肥地区地下水易污性DRASTIC评价因子。其中，D、R、C、T为数值分类，A、S、I为介质分类。

DI值越高，防污性能越差；反之防污性能越好。D1分级见表2。

3.1评价因子

本次研究设计各评价因子的评分值范围为1～10，分值越低防污性能越好，评分越高防污性能越差。对各评价因子的分级及评分值见表3。

（1）地下水埋深（D）

地下水埋深是对地下水防污性能影响最大的因子之一。本次调查评价对象为潜水含水层，由地下水位确定含水层埋深，埋深越深，防污性能越好。此次将地下水位埋深对地下水防污陛能影响分为7个级别，并分别赋予分值（表3）。

（2）净补给量（R）

补给水控制着污染物在包气带和含水层中的弥散和稀释。调查评价区浅层地下水补给主要来源于降雨量，采用降水人渗系数计算R值，具体计算方法见《合肥市滨湖新区三维地质调查成果报告》。南淝河、派河、丰乐河、杭埠河、店埠河、二十里埠河、板桥河等河谷平原区中一级阶地、漫滩R值为129mm/a、波状平原R值为43mm/a，丘陵山区中红层孑L隙裂隙水含水层与一般构造裂隙水含水层R值均约为86mm/a，风化带网状裂隙水含水层R值约为103mm/a。

（3）含水层介质（A）

污染物渗透途径和渗流长度强烈受含水层介质性质的影响，通常状况下，含水层中介质颗粒越大，裂隙或溶隙越多，渗透性越强。调查评价区含水层中介质评分从高到低有碳酸盐岩、砾石层、含砾砂层、砂层、粉质粘土、粘土、砾岩、砂岩、千枚岩、片麻岩、泥岩、块状安山岩等。

（4）土壤介质（S）

土壤介质是包气带顶部具有肥力并能生长植物的疏松物质层，影响着污染物垂直进入包气带的能力。一般情况下，粘土颗粒越小，防污性能越好。调查评价区中基岩区土壤层很薄或缺失，其他区域大部分为粉质粘土或含砾粘土。

（5）地形坡度（T）

地形坡度影响着地表径流，决定污染物是随着地表径流而被冲走还是留在一定的地表区域内最终向下垫面人渗。地形坡度>18%的地区，地表径流大，污染物很大部分随地表径流冲走，人渗小，地下水防污性能就好；相反，地形坡度<5%的地区，地表径流微弱，污染物人渗的机会大，地下水防污性能就相对较差。

以1：5万地形图中等高线为数据源，采用Mapgis空间分析中DTM模块分析功能，按照表3分级评分标准，做出地形坡度对浅层地下水防污性能评价（图1）。分布于南淝河、派河、丰乐河、杭埠河、店埠河、二十里埠河、板桥河等河谷两侧的一级阶地和河漫滩，地形平坦，略向河床及下游倾斜，坡度大部分小于5。，地下水较易一很易受污染；桥头集、紫蓬山等基岩区及江淮分水岭一带，地形坡度较大，地下水較难一很难受污染。

（6）包气带影响（I）

调查评价区包气带指潜水水位以上非饱水带，包气带介质裂隙欠发育，对地下水防污性能的影响主要表现在其颗粒的粗细。

（7）含水层渗透系数（C）

水力传导系数越高，污染物在含水层随地下水迁移转化的速度越快，防污性能就越差。据水文地质钻孔中抽水试验，合肥市中晚更新世裂隙孔隙含水岩组和基岩裂隙含水岩组渗透系数极小，如基岩裂隙含水岩组渗透系数c值0.0036m/d～0.0059m/d；渗透系数最大的岩溶含水岩组c值0.8m/d～5.0m/d。即该区域内无论河谷平原、波状平原还是基岩区均属单因子极难污染等级。

3.2因子权重

本次研究对各因子赋权重方法参照管后春等（2016）。按因子对防污性能影响大小给予不同权重，传统的影响因子最大的权重值为5，最小的为1，权重和为23。本次调查评价采用层次分析法（AHP）确定各影响因子的权重，为使表2分级标准仍适用于式（1）评价结果判定，将由AHP法归一化确定的权重乘以23。

根据各因子之间相对重要性比较，利用专家打分法，构建了用于确定DRASTIC模型中各评价因子权重的判断矩阵A如表4所示。利用AHP法归一化确定的权重如表5所示。将由AHP法归一化确定的权重乘以23，得到适用于于式①评价结果判定的各评价因子权重（表3）。

3.3基于Mapgis的地下水防污性能评价的实现

首先，对地下水防污性能评价指标中的单因子进行评价，利用Mapgis矢量化制图功能，编制单因子分区图，对不同等级的区域赋予不同的颜色，并设置相应的属性结构，利用“区编辑”中“根据参数赋属性”功能，对不同颜色标识的区域赋予相应的评分值存于区属性结构中。

其次，利用Mapgis将全区分割成500mx500m的评价单元，每个评价单元视为一个评价点，共8360个评价点。在属性数据库的基础上，利用Mapgis的“空间分析”功能中“点对区的相交分析”功能，依次對各单因子分区图进行点对区相交分析并合并，合并后形成的点文件综合属性库。通过库管理模块中属性库管理输出属性，按照各评价因子的权重计算得出各评价单元防污性能指数值，再应用“连接属性”功能将“防污性能指数”字段连回新点文件中。最后，按照地下水防污性能分级标准，基于DTM分析模块绘制的平面等值线图经适当整饰得出地下水防污性能分级评价图（图2）。

4.评价结果与分析

4.1评价结果

此次调查评价结果显示，调查区地下水防污性能好、中、差面积几乎各占全区面积（2096k㎡）的三分之一（表6，图2）。

（1）地下水防污性能好区

主要分布于调查评价区中紫蓬山（I-1）、桥头集一带基岩区（I-4）、江淮分水岭（I-3）及波状平原（I-2），总面积713.63k㎡。

I-1区、I-3区和I-4区影响因子特点是地形坡度大、浅层地下水位埋深较大、含水层渗透系数极小，均为地下水防污性有利因子。

I-2区浅层地下水水位大都为5m-10m，属稍难污染等级；R值属较难污染等级；地形坡度和土壤介质分别属于极难污染、较难污染；含水层介质和包气带介质均稍易污染等级。综合评价为浅层地下水防污陛能好。

（2）地下水防污性能中等区

主要分布于调查评价区中紫蓬山一上派镇（Ⅱ-1）、烟墩乡一蜀山镇（Ⅱ-2）、岗集镇一双墩集一店埠镇（Ⅱ-3）及复兴集（Ⅱ-4）一带，总面积683.80k㎡。

Ⅱ-1区、Ⅱ-2区、Ⅱ-3区和Ⅱ-4区地下水水位大都为5m-10m，属稍难污染等级；R值属较难污染等级；土壤介质属较难污染等级。但地形坡度属稍易一较易污染等级；含水层介质和包气带介质均稍易污染等级。综合评价为浅层地下水防污性能中等区。

（3）地下水防污性能差区

主要分布于南淝河、店埠河河谷平原（III-1）、派河河谷平原（III-2）和丰乐河、杭埠河河谷平原（III-3），总面积698.58k㎡。

地下水位埋深属较易一很易污染；净补给量R、含水层介质和包气带介质属很易污染等级；土壤介质属较难一稍易污染等级；地形坡度属较易一极易污染等级。综合评价为浅层地下水防污性能差区。

4.2评价结果可靠性分析

地下水质量与地下水防污性能相关，如图2所示，区域上，分布于东大圩一撮镇镇一店埠镇一带浅层地下水Ⅴ类水质分布区（不宜饮用水区），主体上属于南淝河、店埠河河谷平原浅层地下水防污性能中等一差区；环巢湖岸带浅层地下水Ⅳ、Ⅴ类水质分布区，也属于南淝河、店埠河、派河、丰乐河、杭埠河等河流下游的平原区，为浅层地下水防污性能差区。说明了基于Mapgis和AHP法改进的DRASTIC模型计算的合肥市地下水防污性能评价结果与实测的地下水质量较吻合，方法较为可靠。需要指出的是，夏店乡北东一带Ⅴ类水质分布区，对应于浅层地下水防污性能好，若排除样品遭受二次污染可能，则所构建的评价模型还有待于进一步完善。以便为当地政府管理部门制定城市规划、工业布局和地下水资源保护提供更准确的决策参考。

5.结论

（1）本文在利用国内外研究经验和DRASTIC模型的基础上，配合Mapgis和AHP的分析方法，结合合肥市的地质、水文地质条件，建立了适合研究区的地下水防污性能评价的指标体系。

（2）对合肥地区浅层地下水的防污性能评价表明，研究区地下水防污性能好的区域面积713.63k㎡，占34.05%；防污性能中等区域面积为683.80k㎡，占32.62%；防污性能差区域面积为698.58k㎡，占33.33%。

（3）地下水防污性能评价结果与研究区实测地下水质量能够较好地吻合，所建立的评价指标体系较为可靠，评价结果可为当地政府制定城市规划、工业布局和地下水资源保护提供决策支持。