郑州市航空港区地下水脆弱性评价

匡 恒，唐 辉

（1.河南省地质调查院，河南 郑州 450001；2.河南省城市地质工程技术研究中心，河南 郑州 450001）

1 问题的提出

郑州市航空港经济综合实验区位于郑州市中心城区东南约20 km，是我国首个航空港经济发展先行区，是中原经济区的核心增长极。随着港区城市化进程的加快，地下水受到污染的风险越来越大。地下水污染防治和保护应是城市发展中不可忽略的战略任务。地下水污染是一个不可察觉的过程，多数情况具有不可逆性，这对地下水环境保护提出了考验。地下水脆弱性评价作为一种保护和管理地下水资源的方法，已经被广泛地应用[1-2]。

自1968年法国人Margat首次提出“地下水脆弱性”这一概念以来，其内涵不断得到丰富。目前普遍公认的是美国环保署和国际水文地质学家协会的定义：“地下水脆弱性是地下水系统对人类和（或）自然的敏感性”[3]。地下水脆弱性分为固有脆弱性和特殊脆弱性。固有脆弱性是指地下水对污染所表现的内部固有的敏感属性。它只考虑水文地质条件等内部因素，不考虑人类活动或污染物的类型，是一个相对静态的属性。特殊脆弱性主要针对特定的污染物或人类活动，是一个较为动态的属性[4]。

目前，国内外关于地下水脆弱型评价的方法大约有30多种，评价模型各有其优缺点。其中，由美国环境保护署提出的DRASTIC模型应用最为广泛，但也有其局限性，在应用时可根据研究区的实际情况进行相应的改进。近年来，随着DRASTIC模型在国内外的广泛应用，针对DRASTIC模型缺陷的各种改进方法层出不穷[5]。孟宪萌等在确定因子权重时，引入信息论中的熵值理论，使得权重分配更为合理[6]。方樟等应用模糊理论改进了指标权重，对松嫩平原地下水脆弱性进行评价[7]。李梅等针对地下水脆弱性的非线性特征，对BP神经网络进行改进，取得了较好的应用效果[8]。雷静[9]、范弢[10]、唐辉[11]等，根据研究区地质环境条件和数据的可获得性对评价指标和评分体系做出改进，使得评价结果更为科学合理。汪莹[12]等选择不透水地面和土地利用类型作为城镇化因子，对水城盆地地下水固有脆弱性进行评价，发现地下水脆弱性逐年降低。

本文旨在通过研究影响航空港区地下水固有脆弱性的地质因素，基于DRASTIC模型，并对其进行改进，建立地下水脆弱性评价体系，进行地下水脆弱性评价，以期为研究区地下水污染防治和地下水资源保护提供科学依据，服务于研究区地下水资源的可持续利用。

2 研究区概况

2.1 自然地理

研究区属暖温带季风气候，四季分明。区内年降水分布不均匀，多集中在7 — 9月，1959 — 2018年平均降水量为633.8 mm，年最大降水量1 041.3 mm（1964年），最小降水量372.0 mm（1986年）。多年平均蒸发量为1 769.8 mm。研究区属淮河水系，地表水主要有南水北调中线干渠、梅河、丈八沟、小清河、杜功河、马花沟、老丈八沟等。

研究区属山前冲洪积平原及黄河冲积平原地貌，地势西北高，东南低。地面高程78.00 ～ 160.00 m，地面比较平坦开阔，整体微向东南倾斜，地面坡降2.5‰ ～ 10.0‰。受古地形控制，新郑机场 — 三官庙一线为该区的地表水分水岭，地面高程以该线为界，向南、北两侧逐渐降低，向北地面坡降1.7‰左右，向南地面坡降3.6‰左右。区内北部表层发育有风积沙丘，沙丘高度一般为5.00 ～ 8.00 m。受西部山丘区隆升、东部平原区缓慢下降和后期水流切割影响，地表分布有起伏不大的岗地和洼地，岗洼相间分布。岗垄长短、宽窄不一，多呈近南北向的长条形展布。该地貌单元地表岩性多由晚更新统冲洪积粉土组成。

2.2 水文地质条件

研究区主要含水层为松散岩类孔隙含水层，按埋藏条件、成因类型、水力性质又可细分为浅层潜水 — 微承压含水层（浅层含水层）、中深层承压含水层（中深层含水层）。浅层含水层主要包括第四系全新统、上更新统及中更新统砂层，底板埋深为20.00 ～ 55.00 m，岩性以细砂、中细砂、中粗砂、粉细砂为主，厚度一般为5.00 ～ 20.00 m，富水性为中等 — 弱；中深层含水层主要为新近系砂层上新统和中新统砂层，含水层顶板埋深一般70.00 ～ 90.00 m，由西向东渐深，底板埋深为650.00 ～ 800.00 m，岩性为中砂、细砂、粗砂为主，一般有10 ～ 20层砂层，单层厚度5.00 ～ 20.00 m，总厚度110.00 ～ 240.00 m，富水性以中等富水和弱富水为主，局部为富水区。

3 影响因素分析

传统的DRASTIC模型中包括地下水埋深、含水层净补给量、含水层介质类型、土壤介质类型、地形坡度、渗流区介质类型、含水层水力传导系数共7个指标。

地下水固有脆弱性主要受到地形、土壤、包气带、含水层等多因素的综合影响，反映的是污染物从含水层上部特定位置到达含水层的可能性。包气带的渗透性也起到至关重要的作用，而DRASTIC模型中只考虑了渗流区介质类型，因此把渗流区水力传导系数也纳入评价指标体系中。含水层净补给量与研究区的降水量和降水入渗补给系数有关，但研究区面积小，降水量无明显变化，而降水入渗系数又由土壤介质和地形坡度等因素决定，因此本次评价中不考虑含水层净补给量。

地下水位埋深越深，污染物到达含水层的时间越长，其与周围物质接触发生各种反应的时间就越长，污染物衰减及被氧化的概率就越大，从而地下水脆弱性越低[13]。含水层介质控制污染物渗流的途径、长度、时间，其颗粒越大、孔隙越多、渗透性越好，污染物被稀释、衰减的概率就越低，地下水脆弱性就越高；土壤介质影响地面水渗入地下的量，同时也影响污染物垂直进入包气带的能力；地形坡度有助于控制污染物是产生地表径流还是渗入地下，地形坡度越大，地表径流大，入渗小，地下水受污染的可能性也小；渗流区介质颗粒越粗，入渗系数越大，地下水补给量越多，从而可能带入地下水的污染物越多，地下水脆弱性越高；含水层水力传导系数控制着地下水的流速，同时也控制着污染物离开污染源场地的速度。

根据研究区的水文地质条件及数据的可获取性，将传统的DRASTIC模型中的7个评价指标改进为地下水位埋深D、含水层介质类型A、土壤介质类型S、地形坡度T、渗流区介质类型I、渗流区水力传导系数C、含水层水力传导系数C。

4 评价方法

参照DRASTIC模型，根据航空港区地质环境条件，对DRASTIC模型的评价指标类型、分级标准以及指标权重进行了改进。

4.1 评价模型

采用定性半定量的评价模型 — 综合指数法对地下水脆弱性进行评价计算。

各评价单元脆弱性值的计算公式为：

式中：V为脆弱性值；Wi为评价因子的权重；vi为各单元单因子值。

4.2 评价指标分级

DRASTIC模型的评级指标考虑了多种不同地质环境条件下的影响因素，应用范围广，如基岩山区、滨海地区、平原区等均可应用。但实际评价中，由于数据的可获取性以及不同地区地质环境条件的差异，评价指标及分级标准均需根据实际情况进行改进。由于研究区位于黄河冲积平原，地表沉积了巨厚的第四系松散沉积物，岩性差异小，地形较为平坦，且评价指标已经改进，若应用DRASTIC模型中的分级标准，则难以适用于研究区。因此，对分级标准作出适当调整。地下水脆弱性评价指标及分级标准见表1。

表1 地下水脆弱性评价指标分级标准表

4.3 权重确定

由于评价指标已与DRASTIC模型有差异，因此原模型中的权重已不适用于改进模型。应用层次分析法确定各个评价因子的权重，计算步骤如下：①由12位水工环境地质等专家，将评价因子两两进行比较，建立因子间相对重要性的7阶判断矩阵R；②计算判断矩阵的特征值及特征向量，进行层次单排序，求出各个参数的权重（见表1）；③进行一致性检验，求得矩阵最大特征根λmax= 3.053 6，一致性比例CI= 0.051 6，判断矩阵R具有满意的一致性。各评价指标权重见表1。

5 评价过程与结果

基于MapGIS平台，将各评价指标分区图赋值后进行叠加分析，生成评价单元图，共划分776个评价单元。应用上述脆弱性评价模型对每个评价单元进行评价，得到每个评价单元的地下水脆弱性值。根据评价结果，进行脆弱性等级的划分，具体见表2。按照脆弱性分级标准，生成地下水脆弱性评价分区图（见图1）。

由评价结果可知，地下水脆弱性高区主要分布于蒲北孙村以北，零散分布于三官庙乡附近。该区域大部分区域地形坡度小于5%，地表岩性以粉砂、细砂为主，地下水位埋深小于10.00 m，渗流区渗透性强，渗流区岩性以粉、细砂为主，含水层渗透性中或强，含水层岩性以粉砂、细砂为主。

地下水脆弱性较高区广泛分布于研究区。该区域少部分区域地形坡度大于5%，地表岩性以粉土、粉砂为主，地下水位埋深5.00 ～ 15.00 m，渗流区介质类型以粉土、粉砂、细砂为主，含水层渗透性主要为中等。

地下水脆弱性中区主要分布于张庄镇 — 龙王乡以西、龙王乡 — 冯堂乡以南。该区域大部分区域地形坡度大于5%，地表岩性以粉土、粉砂为主，地下水位埋深大部分区域大于10.00 m，渗流区渗透性弱到强均有分布，渗流区介质类型以粉质黏土、粉土、粉砂为主，含水层渗透性弱。

地下水脆弱性低区主要分布于机场南部、冯堂乡、八千乡附近，面积较小。该区域大部分地形坡度大于5%，地表岩性以粉土为主，地下水位埋深10.00 ～ 20.00 m，渗流区介质类型以粉质黏土、粉土为主，渗流区渗透性较差，含水层渗透性以弱为主，含水层岩性以粉砂为主。

表2 地下水脆弱性分级标准表

图1 研究区地下水脆弱性分区图

6 结 语

本研究参照DRASTIC模型，根据航空港区地质环境条件，对DRASTIC模型的评价指标、分级标准以及指标权重等进行改进，构建适用于航空港区的地下水脆弱性评价模型，并基于MapGIS对研究区进行评价，得到地下水脆弱性评价分区图。评价结果表明，航空港区蒲北孙村以北及三官庙乡附近为地下水脆弱性高区，地下水较高、中等脆弱区广泛分布，地下水脆弱性低区面积较小。评价结果可为郑州市航空港区地下水资源的管理和保护提供依据。目前，航空港区还未大规模开发，建议加强对高脆弱区地下水污染的防范措施。