基于GIS与DRASTIC模型的白银市白银区地下水脆弱性评价

张 伟，赵 旭，吴耀坤

(1.甘肃省地下水工程及地热资源重点实验室，甘肃 兰州 730050；2.甘肃省地质环境监测院，甘肃 兰州 730050)

1 研究区概况

白银市位于甘肃省中部，被誉为中国的“铜城”，是甘肃省重要的有色金属和能源化工基地，是甘肃省“兰白都市经济圈”经济发展重要城市。白银区为白银市政府所在地，东邻靖远县，西连皋兰县，南与榆中县隔黄河相望，北靠景泰县。全区东西长47 km，南北宽60 km，总面积1 372 km2。其地理坐标为：东经103°54′24″～104°24′55″，北纬36°14′38″～36°47′29″。

研究区属温带大陆性干旱气候区，据白银气象站观测资料，研究区多年平均气温为7.9℃，最冷月1月平均气温-7.8℃，最热月7月平均气温21.3℃，极端最低气温-26.08℃，极端最高气温37.3℃。多年平均降水量204.3 mm，其中7-9月降水量占全年降水量的66.1%，且多以集中的大雨及暴雨形式出现。多年平均蒸发量1 997.1 mm，是降水量的9.8倍。

研究区属黄河流域上游的黄河干流水系。区内主要沟谷有西大沟、东大沟等，均属黄河一级支流，自西北向东南直接注入黄河。西大沟发源于境内西北部的青石岘、头道沟一带，主沟总长70 km，非洪水期流量0.2 m3/s，洪水期流量0.9 m3/s。东大沟发源于境内北部的宋梁南麓的左家沟、大井子沟一带，主沟总长38 km，在白银城区以下非洪水期流量0.3 m3/s，洪水期流量流量0.7 m3/s。

2 区域水文地质条件

根据地下水赋存条件和含水岩组性质，研究区地下水类型可划分为基岩裂隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和松散岩类孔隙水三类。

2.1 基岩裂隙水

分布与研究区西部的基岩山区，分布不均、埋藏浅。含水介质为变质砂岩和绿泥片岩，构造裂隙发育填充程度较低。地下水接受大气降水补给，沿基岩的网状裂隙通道运动，最终以泉或以潜流的形式向地势低洼处排泄。含水层厚度30～80 m，富水性差，一般0.01～0.03 L/s。

2.2 碎屑岩类孔隙裂隙水

分布于黄河高阶地一带。地下水储存于白垩系、新近系红色砂岩、砂砾岩地层中，包括层间孔隙裂隙潜水和承压水。补给源为大气降水、地表水和松散岩类孔隙水，以泉和地下径流的形式向外阶地前缘排泄。其中，层间孔隙裂隙潜水水量较小，一般0.01～0.03 L/s；承压水顶板埋深30～100 m，单井涌水量130.5～187.7。

2.3 松散岩类孔隙水

分布于较大的河、沟谷地。地下水主要接受农田灌溉水、大气降水和沟谷潜水等补给，从上游向下游径流，以泉水地形式在阶地前缘排泄。含水层厚度3.7～6.3 m，地下水水位埋深垂直河谷由浅渐深。其中Ⅰ级阶地水位埋深1～2.8 m，Ⅱ级阶地水位埋深3.2～32 m。富水性中等，单井涌水量500～1 000 m3/d。水化学类型以SO4-Ca·Mg型为主，溶解性总固体小于1 g/L。

3 地下水脆弱性评价方法

地下水脆弱性评价主要采用迭置指数法[1]，基本原理为通过对选取的评价参数的分指数进行迭加形成一个反映脆弱程度的综合指数，包括指标、权重、值域和分级。国外地下水脆弱性的研究开展较早[2-3]，DRASTIC模型在地下水脆弱性评价中应用最为广泛，由美国环保署于1987年提出[4-5]，后在美国、加拿大、南非及欧共体广泛应用在地下水脆弱性研究中。

根据研究区水文地质条件，地下水脆弱性评价采用DRASTIC模型，评价模型由地下水位埋深(D)、垂向净补给量(R)、含水层厚度(A)、土壤介质(S)、地形坡度(T)、包气带介质类型(I)和含水层渗透系数(C)等7个水文地质参数组成[6-12]。模型中每个指标都分成几个区段，每个区段赋予评分。然后根据每个指标对脆弱性影响大小计算相应权重，最后通过加权求和，得到地下水脆弱性指数(DI)。

DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TWTR+IWIR+CWCR

式中：DI为地下水脆弱性指数；DW、DR分别为地下水位埋深权重、地下水位埋深评分；RW、RR分别为垂向净补给量权重、垂向净补给量评分；AW、AR分别为含水层厚度权重、含水层厚度评分；SW、SR分别为土壤介质权重、土壤介质评分；TW、TR分别分别为地形坡度权重、地形坡度评分；IW、IR分别为包气带介质类型权重、包气带介质类型评分；CW、CR分别为含水层渗透系数权重、含水层渗透系数评分。

地下水脆弱性评估指标的数据来源、说明及推荐权重见表1，指标等级划分和赋值见表2。

表1 DRASTIC模型各指标说明和权重推荐值

表2 地下水脆弱性评估指标等级划分和赋值

地下水脆弱性综合指数取值范围为23～230，综合指数值与脆弱性评价结果级别的对应关系见表3，综合指数值越高，地下水脆弱性越高，反之脆弱性越低。

表3 地下水脆弱性评价结果等级划分推荐值

各参数的分级分析在GIS平台上进行，根据收集到的不同的数据参数，在ArcGIS中生成可用于分析的数据格式进行分类分析[13-15]。最后，按照地下水脆弱性分级标准(表3)，绘制出研究区地下水脆弱性评价分级结果。

4 地下水脆弱性评价

4.1 地下水位埋深(D)

研究区潜水水位埋深呈现由北至南逐渐变浅的变化规律。北部地区水位埋深大于30 m，东北侧沟谷地带埋深较浅，水位埋深大致2～4 m。西南侧基岩山区，水位埋深大于30 m，向东南侧水位埋深逐渐变浅，至河谷地区水位埋深仅1 m左右(图1)。

4.2 垂向净补给量(R)

研究区地下水垂向补给来源主要为大气降水，故近似采用降水入渗补给量代替垂向净补给量。研究区年均降水量自东南向西北逐渐减小，东南部降水量可达250 mm，西北部降水量约190 mm，全区内多年平均降水量204.3 mm。根据全区降水量分布DEM数据，乘以相应的入渗系数，利用ArcGIS作图，得到垂向净补给量评分图(图2)。

图1 研究区地下水水位埋深分级图 图2 研究区垂向净补给量分级图

4.3 含水层厚度(A)

研究区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙潜水，在黄河沿岸有少部分地区的含水层厚度为10～15 m，其余的地区含水层厚度均小于10 m。研究区含水层厚度评分见图3。

图3 研究区含水层介质分级图 图4 研究区土壤介质分级图

4.4 土壤介质(S)

研究区黄河沿岸及其较大支沟谷地为全更新统的冲洪积物，向北沿沟谷地带岩石粒度逐渐变细，这一部分地区土壤介质以砾石、中砂、粗砂为主。北部的基岩山区地区其主要岩性为白垩系和三叠系的泥岩、砂岩。西部和北部主要为上更新统黄土，土壤介质为粉质壤土。北部还有部分以奥陶系基性、中基性花岗岩为基岩的地区、以及部分新近系砂岩、砂砾岩地区(图4)。

4.5 地形坡度(T)

研究区大体呈四面环山，中部城区平缓的盆地地形。总地势西北高、东南低，西北边界最高点武川乡境内的青岘标杆山海拔2 273 m；东南部最低点四龙镇境内的黄河河心滩地海拔1 420 m，最大相对高差853 m(图5)。

图5 研究区地形坡度分级图 图6 研究区包气带介质分级图

4.6 包气带介质类型(I)

研究区包气带介质为粉细砂、砾石、中砂、卵砾石。其中，南部黄河沿岸主要为卵砾石，黄河一级支沟沟底包气带介质主要为粗砂、粉细砂。北部较小沟谷内包气带介质为中细砂、砂砾石(图6)。

4.7 含水层渗透系数(C)

研究区渗透系数随着水位埋深的变浅而减小。黄河河谷地带及其较大的支沟地带渗透系数最大，渗透系数可达35～40 m/d，其余地区的渗透系数普遍较小，都小于5 m/d(图7)。

图7 研究区含水层渗透系数评分图

5 脆弱性评价结果

经过ArcGIS叠加分析，研究区地下水脆弱性综合指数分布范围在72～172之间，对评价结果按照分级标准进行分级(图8)

图8 研究区地下水脆弱性分级图

较低脆弱区主要分布在北部吴家窑、西部白杨树沟、西南部宋家湾一带，面积为516.5 km2，占调查区总面积的38.76%。中等脆弱区主要分布年家庄一带沟谷两侧地区，面积为278.5 km2，占调查区总面积的20.91%。较高脆弱区主要分布在南部甘沙河、窑沟、瓜地沟两侧的基岩山区一带，面积为393.2 km2，占调查区总面积的29.50%。高脆弱区主要分布在南部的黄河沿岸一带，及其较大的支沟西大沟和东大沟沟谷地带，面积最小，为144.3 km2，占调查区总面积的10.83%。

6 结语

在系统分析研究区地质、水文地质条件的基础上，并在研究区地下水资源评价的基础上，建立了DRASTIC地下水脆弱性评价模型，利用GIS技术绘制了各项指标分级图，在此基础上通过叠加分析得到评价结果，并进行了分级分区。评价结果表明，研究区地下水脆弱性总体较低，吴家窑、白杨树沟、宋家湾一带地下水脆弱性较低，占研究区总面积的38.8%；年家庄一带沟谷两侧及南部甘沙河、窑沟、瓜地沟两侧的基岩山区地下水脆弱性中等，占研究区总面积的50.4%；黄河沿岸及其较大的支沟地带脆弱性较高,占研究区总面积的10.8%。

研究区地下水脆弱性总体较低或中等，防污性能好。为地下水环境调查、保护规划、污染防治提供了依据，合理开发利用地下水资源、土地资源、废弃物填埋场的选址等工作具有一定的指导意义。根据地下水脆弱性评价结果，建议在人类活动和工业生产集中的地区，防治工业“三废”和有机污染[16]，加强黄河干流及其主要支流地下水环境监测与评价。