基于GIS的DRASTIC模型在秦皇岛平原区地下水脆弱性评价中的应用
2019-04-10
(1.河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛 066000；2.北京艾力泰尔信息技术股份有限公司，北京 100038)
水是人类社会赖以生存和发展的不可替代的重要资源，是经济社会可持续发展的必要条件之一。近年来，对水资源尤其是地下水资源的过度开发，已造成严重的环境问题，如：地下水超采、海水入侵等，直接威胁到人民群众饮用水安全。随着秦皇岛经济社会的发展，水资源供需矛盾日益凸显，水资源短缺已成为制约经济社会发展的瓶颈。《秦皇岛市水利发展“十三五”规划》指出，2020年要建成构建“一路双线、东西互济、三库联调、四区双水”的供水基本框架，构建多水源互补、丰枯调剂的供水安全网络。
地下水脆弱性是指由于自然条件变化和人类活动影响，地下水遭受破坏的趋向和可能性，它反映了地下水对自然和人类活动影响的抵御能力[2]。地下水脆弱性分析是合理开发利用和保护地下水环境的基础，近几年,我国学者对其进行了大量的研究工作，2012年唐立强等[3]对DRASTIC模型的地下水脆弱性评价方法的局限性和缺陷进行了探讨；2013年王维琦等[4]运用DRASTIC模型对延吉市河谷地区地下水脆弱性进行了评价；2015年王建红等[5]运用Mapgis的DRASTIC模型对黄山市中心城区地下水防污性进行了评价。本文运用GIS技术的空间分析及制图功能，与DRASTIC相结合，统筹考虑地下水埋深、净补给量、含水层介质、土壤介质、地形坡度、包气带影响、水力传导系数等指标综合对地下水防污性能进行了评价，得到秦皇岛平原区地下水脆弱性分区成果图，为当地地下水合理开发利用、水资源保护、配置提供科学依据和技术基础。
1 研究区概况
1.1 自然地理
秦皇岛市位于河北省东北部，东北接辽宁省绥中县，西北临河北省承德市，西靠唐山市的滦县、迁安市，南临渤海，面积7802km2，其中山区面积5648km2，平原面积2154km2。海岸线东起山海关金丝河口，西止昌黎县滦河口，总长162.70km，所辖海区20m等深线以内总面积2114km2。
1.2 气象水文与水资源
秦皇岛市的气候类型属于暖温带半湿润大陆性季风气候。因受海洋影响较大，气候比较温和，春季少雨干燥，夏季温热无酷暑，秋季凉爽多晴天，冬季漫长无严寒。辖区内地势多变，但气候影响不大。多年(1956—2015年)平均气温10.10℃，多年平均降水量661.70mm，多年平均陆面蒸发量537mm，多年平均水面蒸发量为1110mm。蒸发最强的季节为春、秋季，3—5月蒸发量约占年总量的32%。多年平均水资源量为16.80亿m3，其中地表水水资源量为13.09亿m3，地下水水资源量为7.45亿m3，重复计算量为3.74亿m3。
1.3 社会经济
据《秦皇岛市国民经济统计年鉴》(2015年)统计，2015年末全市常住人口307.32万人，其中农业人口163.15万人，占总人口的55.3%，非农业人口132.49万人，人口密度394人/km2。全年共接待国内外游客3372.4万人次。全市国内生产总值1250.44亿元，其中第一产业177.63亿元，第二产业445.09亿元，第三产业627.72亿元。人均国内生产总值达到40746元。全市总耕地面积19.55万hm2，其中水浇地面积10.55万hm2。
2 地下水脆弱性指标体系构建
地下水脆弱性的评价一般是选取叠置指数法，其机理是将所选取的各个评价指标的得分进行叠加，得到一个表达脆弱性严重与否的综合指数。目前，最受国内外学者追捧的是DRASTIC模型，也是当下使用最为广泛的地下水脆弱性评价方法之一。它选取了地下水埋深(D)、净补给量(R)、含水层介质(A)、土壤介质(S)、地形坡度(T)、渗透系数(K)、水力传导系数(C)7个因子，进行地下水脆弱性评价[1-5]。该模型将每个指标因子都分成不同的区段，每个区段根据自己在模型中所占的相对重要性即权重赋予评分，DRASTIC数值指标的分级范围见表1。
每个指标都会对地下水脆弱性有不同程度的贡献度，即相应的权重。根据以往研究成果，地下水位埋深、净补给量、含水层介质、土壤介质、地形坡度、水力传导系数和渗透系数相对于地下水脆弱性的权重分别为5、4、3、2、1、5、3。将各个指标最终得分加权就得到地下水脆弱性评价指数，可通过式(1)来实现。
地下水脆弱性评价综合指标数DI的表达式为
DI=DwDR+RwRR+AwAR+SwSR+TwTR
+IwIR+CwCR
(1)
式中 下标R——各影响指标的值；
下标w——各影响指标的权重。
表1 DRASTIC数值指标的分级范围
3 评价因子的分析
3.1 土壤介质S
秦皇岛市平原区土壤种类繁多，共有褐土、棕壤土、粗骨粒、潮土、滨海土、新积土、石质土、风沙土、水稻土、沼泽土10种类型。褐土：分布最广，从海拔20m至山前平原之间均有分布，为主要的土壤类型，约占平原区土地总面积的54.30%，主要种植粮食作物。棕壤土：主要分布于山海关、北戴河等滨海地带，土壤母质多为酸性岩、硅质岩。潮土：主要分布在京山铁路以南到滨海平原海拔1.50～2.50m范围及秦皇岛市区范围内，发育在冲积母质上。风沙土和水稻土：主要分布在京山铁路以南的海岸线上以及滦河沿岸，呈带状分布。其他土壤类型分布面积较小。研究区土壤分布情况见图1。
图1 土壤类型分区
3.2 地下水水位埋深D
受地下水贮藏条件、自然条件和人类活动的影响，研究区地下水位整体上由西北向东南呈现出加深的趋势，由西北向东南流动，但由于昌黎县、抚宁区地下水大幅度的开采，地下水水位降落漏斗的形成，在抚宁留守营和昌黎县城范围内产生了地下水水位降落漏斗，地下水水位埋深在20m左右。地下水位埋深变化分区图见图2。
图2 地下水埋深分区
3.3 含水层介质A
研究区受新生代以来强烈的地质构造控制，承接了完整的第四系松散底层，堆积厚度大约在50～400m，受冲洪积地形的影响，含水层厚度由山前平原向沿海逐渐变薄，以昌黎华夏断裂为分界线，平均厚度在40m左右。含水层厚度变化情况见图3。
图3 含水层厚分区度
3.4 地形坡度T
受中朝准地Ⅰ级内的Ⅱ级构造单元燕山褶皱与华北坳陷额控制，经历了长期的多次构造演变，秦皇岛平原区地势形态特征是连片，少有起伏，北高南低稍有倾斜，基本广阔平坦，海拔0～20m，面积1410.2km2，占全市总面积的18.05%。以昌黎—抚宁—秦皇岛市区一线以南地形坡度较小，小于3°，其余位置均大于3°。地形坡度分区见图4。
图4 坡度类型分区
3.5 渗透系数K
该区的渗透系数主要受地形地貌的影响，在平原区中部渗透系数为80～100m/d，南部两侧以津秦铁路和大夫庄—昌黎县城一线为分界线，渗透系数为30～50m/d，最北部地区为50～80m/d，中部两翼一般小于30m/d。研究区渗透系数分区情况见图5。
图5 渗透系数分区
3.6 净补给量R
研究区位于燕山东麓，属于华北平原的一部分，地下水的补给来源较多，包括大气降水入渗、山区侧向补给、河渠渗漏和灌溉水回归补给，垂向的排泄以潜水蒸发和人工开采为主。通过对研究区各补给项、各排泄项的分析，将各补给量进行叠加分析，得到地下水的净补给量的分级情况，在侧向径流补给、渠系渗漏补给和田间灌溉回归的作用下，地下水的补给由西北向东南总体上呈现出逐渐变弱的态势。净补给量变化情况见图6。
图6 净补给量分区
3.7 水力传导系数C
研究区水力传导系数对地下水防污性能的影响主要表现在其颗粒的粗细，本次用该区的水文地质情况来体现。水文地质情况见图7。
图7 水力传导系数分区
4 GIS与DRASTIC模型的结合与应用
首先，在充分分析研究区地质、水文地质条件的基础上，结合收集资料，将DRASTIC模型的7项因子按照相应的区间值或类型特征在同一幅数字化的地图上进行分区，形成各单项评价指标的分区图，并对每幅图的各分区进行属性编辑，按照表1相应的属性区间值给出评分。其次，通过ArcGIS的Raster Calculater功能，对任意的单个因子和防污指数分布栅格图进行叠加分析，可以得到任意区域、任意点的计算值。本次研究以10m×10m为一个单元格，提取每个单元格对应的单因子和防污指数，将7个单项因子指标的栅格文件按照各评价指标的权重，计算得出各分区单元地下水防污性能指数。最后，根据上述评价方法与各指标分析结果，结合DRASTIC 脆弱性划分原则，初步将脆弱性分为5级:Ⅰ级，DI≤70，防污性能很好；Ⅱ级，70
表2 地下水防污性能分级标准
本次秦皇岛市平原地区地下水脆弱性评价DRASTIC模型的评价指标的选择，主要参照了研究区的以往工作资料以及《秦皇岛市水文手册》相关成果和《秦皇岛市地质环境图集》，各指标的评价标准见表1。平原区地区孔隙潜水的脆弱性评价结果将研究区地下水脆弱性依次分为脆弱性强区、脆弱性较强区、脆弱性中等区、脆弱性较弱区和脆弱性区。按照脆弱性评价值由高到低，利用颜色的深浅表示脆弱性的强弱，最终得到地下水脆弱性分区图(见图8)。
图8 平原地区地下水脆弱性评价分区
研究表明，昌黎县不易污染区主要分布在北部山丘区，广大平原区为较易污染或极易污染区，为第四系松散岩类孔隙。抚宁区极易污染区主要分布在南部平原区及洋戴河两侧，为第四系松散岩类孔隙水。防污性较低区主要位于南部平原区，其中极易污染区主要位于青龙河两侧和青龙镇，为第四系松散岩类孔隙水，包气带岩性主要为粉细砂、亚砂土，含水层岩性以卵砾石、粗砂为主，渗透系数多大于100m/d，水位埋深较浅，为2～6m，地下水净补给强度100～200mm，补给强度相对较强。受地表水的影响，地下水交替较强烈，包气带透水性较强，有利于地表污染物的渗透和迁移，地下水环境自我防护能力较差，地下水较易污染。
如图8所示，地下水固有防污性能指数(DI)变化范围在88～167之间。
5 结 语
本文选取DRASTIC方法，通过ArcGIS数据处理平台，结合研究区的地形、土壤、水文地质条件等因素，采用层次分析法对各指标赋权，建立DRASTIC地下水模型，对秦皇岛平原区地下水脆弱性进行分析。研究表明：昌黎县不易污染区主要分布在北部山丘区，广大平原区为较易污染或极易污染区。抚宁区极易污染区主要分布在南部平原区及洋戴河两侧。防污性较低区主要位于南部平原区，其中极易污染区主要位于青龙河两侧和青龙镇。该成果与实际情况基本一致，可靠性较高。
评价结果对于制定研究区地下水资源保护规划、地下水污染防治规划，合理开发利用地下水资源、土地资源具有一定的指导意义，根据不同的地下水脆弱性分区，制定和采取有针对性的保护措施，制定科学的地下水资源开发利用方案，设置地下水资源保护区，从保护地下水资源角度进行国土资源规划，对于缓解研究区地下水资源紧缺、地下水位持续下降，保持地下水资源可持续开发利用具有重要意义。
