基于WOE与PCA的油田钻井区地下水脆弱性研究

李 霞，方 樟，江世雄，马 喆，李立军

(1.吉林大学地下水资源与环境教育部重点实验室，长春 130021；2.国网福建省电力有限公司，福州 350001；3.吉林省地质环境监测总站，长春 130021)

0 引 言

地下水对生态环境和人类的生产生活具有重要作用，尤其在干旱半干旱区域，地下水是主要的环境生态因子和供水水源[1]。近年来，石油化工产业迅速发展，在石油的开采、运输和加工过程中，地下水污染事件屡有发生[2]。其中石油类污染物具有三致毒性，对生态环境及人体健康的危害巨大。某油田开采厂的油田开采井选址位于伊通地区饮用水源地准保护区，选址范围须考虑油田井在未来开采可能出现的石油类污染物对地下水的污染。因此本文根据该区地质条件和水文地质条件进行地下水脆弱性评价。

地下水脆弱性评价指污染物自含水层顶部某一特定位置到达地下水系统的可能性与趋势[3-5]。自1968年法国人Margat首次提出“地下水脆弱性”的概念以来[6]，各学者对地下水脆弱性评价的研究不断深入和改进，评价方法也日趋成熟。在DRASTIC模型基础上衍生出适应研究区的特殊地下水脆弱性评价模型，Nerantzis等提出了DRASTIC-PA模型，将其应用在有硝酸盐污染的含水层特殊脆弱性评价中，周奉等[7,8]利用DPSIR模型构建了反映黔中地区水资源脆弱性的评价指标体系。目前，将地下水脆弱性评价应用于选址问题的研究甚少，陈寰等[9]建立评价体系研究生活垃圾填埋场最佳选址位置，但其评价因子不能充分反映污染地下水的可能性。在确定地下水脆弱性评价指标权重方面，学者们结合模糊理论、统计学及数值模拟等工具优化评价过程，薛玉璇等人采用LM-BP神经网络法改进权值和阈值，李绍飞等[10,11]人利用熵权法与层次分析法相结合确定评价指标的权重。但各方法计算繁琐且在确定权重方面仍存在缺陷[12,13]。证据权重法(WOE)计算简单，结果合理准确，但其主要应用于滑坡敏感性及成矿预测，在地下水脆弱性评价方面研究甚少[14-16]。因此本文利用主成分因子分析法(PCA)和证据权重法(WOE)对研究区地下水脆弱性进行评价并对比其性能，得到更准确的结果，为油田钻井选址提供依据。

1 研究区概况

研究区位于伊通满族自治县的伊通河以西地带，为伊通河与东辽河的冲积平原和侵蚀台地(图1)，属于莫里青断陷，现有的勘探开发与地质研究成果表明莫里青断陷是一个油气资源丰富的断陷[17]。研究区西部为北西向松辽分水岭，第四系孔隙承压水含水层在分水岭两侧增厚，在平原区变薄。地下水的补给来源主要为大气降水，在平原区的局部地段有侧向径流，河水和灌溉入渗补给。新近系承压水盆地为平缓向斜储水构造，其含水层与第四系孔隙承压水含水层呈不整合接触。平原区排泄方式以渗入河流为主，河谷区以垂向蒸发为主、水平运动为辅。

图1 研究区交通位置图

2 地下水脆弱性评价

2.1 地下水脆弱性评价指标

地下水固有脆弱性的评价指标包括地下水位埋深(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)和水力传导系数(C)[18-20]。研究区范围内降水量、蒸发量及温度值变化幅度较小，可忽略净补给量(R)对地下水脆弱性的影响。因此本文在地下水固有脆弱性评价模型中选取与地下水污染有密切关系的6个指标，同时选取土地利用方式(L)、河流距离(DR)及河流密度(RD)作为地下水特殊脆弱性评价指标。

(1)地下水位埋深(D)越大，地下水越不易受到污染，地下水脆弱性越低。水位埋深较浅的区域位于研究区北部与东南部的漫滩及一级阶地，水位埋深小于5 m。

(2)含水层介质(A)颗粒越小，渗透系数越小，含水层厚度越大，裂隙不发育，地下水脆弱性越低。研究区漫滩及一级阶地的岩性主要是现代河流砂砾石冲积层、黄土层、亚砂土，北部研究区边界处集中分布有正长花岗岩。含水层渗透系数介于4～100 m/d之间，含水层厚度介于1～134 m之间。

(3)土壤介质(S)有机质含量越多，渗透系数越小，厚度越大，地下水脆弱性越低。研究区土壤以亚砂土为主，渗透性较好，土壤厚度介于8.5～45 m之间。

(4)地形坡度(T)大，地下水脆弱性低。研究区地形趋势呈现西北高，向河流方向逐渐降低，范围介于0.005%～0.8%之间。

(5)包气带介质(I)渗透系数越小，厚度越大，脆弱性越低。研究区包气带介质渗透性呈现有东北向西南逐渐降低的趋势，包气带厚度介于0.5～20 m之间。

(6)水力传导系数(C)影响地下水的流速，介质颗粒的粒径越大且连接性越好，地下水的脆弱性越高。研究区河漫滩到河流阶地，潜水含水层的岩性颗粒逐渐变小，水力传导系数相应的逐渐变小。

(7)土地利用方式(L)是人类活动对地下水污染的集中途径，研究区以旱地为主，农业用地为潜在的面状污染源，地下水脆弱性最高；研究区工业用地中各类工厂工艺产生的“三废”为地下水的潜在污染源；研究区城镇居民生活用地部分做了防渗处理且人口密度较小，在一定程度上减少了地下水的污染。

(8)河流距离(DR)和河流密度(RD)是农业活动区域污染地下水的重要因素，肥料通过地表水汇向河流再渗入潜水含水层。丘陵距离河流最远超过2 000 m。河流在研究区东北部分布较密。

利用ArcGIS10.2分别对每一种指标的脆弱性绘制对应的矢量图，部分结果见图2～图5。

表1 地下水脆弱性评价指标评分标准

图2 地下水位埋深(D)分级图

图3 包气带介质(I)分级图

2.2 油田钻井区地下水脆弱性评价

2.2.1 多重共线性诊断

将研究区划分10 000个单元，建立每个单元对应于9个评价因子的属性数据库，计算容差和方差扩大因子(VIF)来评估本研究中评价因子的相关关系。容差<0.1和VIF>5则表现出强烈的多重共线性，根据计算结果可知9个评价因子没有多重共线性，即没有相关性(表2)。

表2 评价因子多重共线性诊断表

2.2.2 主成分因子分析法

主成分因子分析法(PCA)确定研究区各评价指标的权重值，可以避免权重赋值的主观性强等问题[21-23]。SPSS是通过主成分分析获取权重的客观赋权法。因子分析法是建立具有密切相关关系的典型因子替代大量原始数据，从而反映系统要素间的内在关系。根据上述10 000个单元，通过SPSS16.0软件计算得出权系数，归一化后得到权重值(表3)。

表3 脆弱性评价方法各指标权重值

图4 水力传导系数(C)分级图

图5 土地利用方式(L)分级图

2.2.3 证据权重法

表4 评价因子层最大权重值

2.2.4 结果与讨论

上述两种方法计算地下水脆弱性评价指数：DI=DwDr+AwAr+SwSr+TwTr+IwIr+CwCr+LwLr+DRwDRr+RDwRDr；式中r和w分别为评分值和权重值，DI为脆弱性评价综合指数。DI值越高，研究区地下水脆弱性越高，越容易受到污染；反之地下水越不易受到污染[27-31](表5)。通过ArcGIS10.2绘制地下水脆弱性综合评价图(图6～图7)。利用ROC曲线法评价和比较主成分因子分析法和证据权重法的结果(图8)[32]，主成分因子分析法的AUC值为0.73，证据权重法的AUC值为0.80，则证据权重法在评价研究区地下水脆弱性时更精确。

表5 脆弱性评价方法各指标评分表

图6 主成分因子分析法地下水脆弱性评价分级图

图7 证据权重法地下水脆弱性评价分级图

图8 地下水脆弱性评价方法评价性能对比图

由证据权重法地下水脆弱性评价结果可知，脆弱性以较低、中等、较高为主，其中脆弱性较低的面积占总研究区的25.57%，主要分布在槽形谷地及一级阶地，地层类型为黄土层、亚砂土，人类活动中等，在石油钻井选址时，尽量避免人类活动集中的区域，可将钻井周围的农业用地变林地，种植植物以减少污染的可能性；脆弱性中等、较高的区域面积占研究区的69.85%，集中分布在漫滩及一级阶地，地层类型为砂砾石冲积层及亚砂土，渗透系数大，含水层埋深浅，人类活动较强烈，部分为工业用地，污染物排放量大，选址时要认真勘查周围的污染源，并控制其进一步的污染，将农业用地改造为林地，在选址位置做好防渗处理。研究区进行油田钻井选址以钻前工程井场选址规划原则为前提，可优先考虑脆弱性低及较低的地区即研究区西部及西南部，并采取必要的预防和治理措施。选址时需避免地下水脆弱性高的地区即东北部漫滩，一级阶地，河流及水库影响范围。

3 结 语

(1)选择评价指标时去掉对地下水脆弱性影响较小的净补给量(R)，添加土地利用方式(L)、河流距离(DR)及河流密度(RD)，与地下水位埋深(D)、含水层介质(A)、土壤介质(S)、地形坡度(T)、包气带影响(I)和水力传导系数(C)共同组成了本次地下水脆弱性评价指标体系，经过多重共线性诊断可知9个因子不具有相关性。

(2)选择主成分因子分析法及证据权重法客观计算地下水脆弱性评价指标的权重值，并利用ROC曲线法比较两种方法的性能，其AUC值分别为0.73和0.80，对比得出证据权重法计算结果更精确。

(3)根据证据权重法计算研究区地下水脆弱性结果可知脆弱性较低的面积占总研究区的25.57%，脆弱性中等、较高的区域面积占研究区的69.85%。油田钻井选址需避免在东北部漫滩、一级阶地、河流及水库脆弱性高的地区，并制定相关的防治措施。