基于AHP的DRASTIC模型在银川市潜水防污性能评价中的应用

刘乃静， 赵银鑫， 吴文忠， 张晓东， 王改平， 张 勇， 田硕丰

(宁夏回族自治区地质调查院, 宁夏 银川 750001)

地下水资源作为银川市城市生活和工业用水主要来源[1]，自20世纪80年代以来，需求量不断扩大。由于不合理的机井布局，水井的布设密度、开采深度及开采层位等没有得到统一的规划管理，集中开采承压水已造成当地地下水降落漏斗半径逐年扩张、浅层地下水污染、污染的潜水越流补给承压水等环境地质问题的出现[2]，银川市的饮用水安全受到威胁。因此，有必要查明地下水在自然或人类活动的影响下引起污染的难易程度，即定量分析研究银川市地下水的防污性能。

目前，国内外在防污性能研究的过程中所采用的评价法有模糊数学法[3]、GOD模型法[4]、SIGA模型法[5]、LSD模型法等[6]，运用最为广泛的方法是DRASTIC模型法[7-9]。中国最早于1996年与欧盟合作引入该模型，对大连和广州的地下水进行了地下水资源及其污染势评价[10-11]，之后经历了模型的改进[12-18]、结合GIS[19-23]、AHP[24-27]等技术手段的改良，成为目前在全国范围内使用最广泛、成熟的一种评价地下水防污性能的方法。任小荣[28-29]等在2007年对银川平原的脆弱性进行了评价，崔秀凌等[30]在2013年利用经验法评价了银川平原中部地下水防污性能，上述研究存在研究年代早、评价尺度大、主观性强等问题，本研究基于AHP法和GIS平台，在银川市绕城范围内进行精细化的地下水防污性能评价，以期为银川市的地下水资源防治、保护及规划利用等工作提供最新的科学依据。

本文的研究方法层次分析法(analytic hierarchy process，简称AHP)是一种可将定性与定量分析结合起来[31]的系统分析法，常用于地下水防污性能评价的因子权重确定[25-27]。通过对影响因子的两两对比，采用给出的1—9标度法构造判断矩阵，利用归一化确定各层次各因素之间的权重，判断矩阵的结果可通过随机一致性比率(consistency ratio，CR)来衡量，它是判断矩阵的一致性与平均随机一致性的综合指标，其计算公式为[32]

(1)

(2)

式中：λmax为最大特征值; CR为判断矩阵的随机一致性比率;N为判断矩阵的阶数; CI为判断矩阵一致性指标; RI为判断矩阵的平均随机一致性指标。当CR<0.10时,则认为判断矩阵具有满意的一致性。

DRASTIC模型是一种用来评价区域地下水的污染潜力的水质模型，最早是由美国的水井协会(NWWA)和美国环境保护局(USEAP)于1987年共同开发成型[33]，成功应用于当地县区尺度范围内的地下水易污性评价，该模型先后被加拿大、南非、欧盟、中国等国家广泛推广使用[5]。模型一般选取地下水埋深(D)、地下水净补给量(R)、含水层介质(A)、土壤类型(S)、地形坡度(T)、包气带影响(I)和水力传导系数(C)等7个对潜水含水层的防污性有不同程度影响的评价因子。基于AHP获取各评价因子的权重与其分级评分加权和构建地下水防污性综合指数DI。计算公式：

DI=DWDR+RWRR+AWAR+

SWSR+IWIR+CWCR

(3)

式中：下标为W的变量表示各评价因子的权重,下标为R的变量表示单项评价因子的分级评分值,范围为1～10。DI值越高,地下水防污性能相对越差,即地下水越易遭受污染;反之则地下水防污性能相对越好,地下水越不易遭受污染。

1 研究区概况及数据

1.1 自然地理

银川市位于中国西北部银川平原腹地，因西倚贺兰山、东临黄河，本次区内地貌单元有洪积扇、冲湖积平原(黄河二级阶地)以及洪积扇与冲积层过渡带的风积类地貌。属中温带干旱区，多年平均降水量196.0 mm，多年平均蒸发量1 558.7 mm。

1.2 水文地质条件

区内水文地质条件明显受地貌、岩性结构的控制，呈现出砂性土与黏性土互层的多层结构，在勘探深度370 m以浅一般有4个含水层：潜水(Ⅰ)、第一承压水(Ⅱ)、第二承压水(Ⅲ)、第三承压水(Ⅳ)，各含水层水力联系密切。

银川市的潜水类型主要为第四系松散岩类孔隙水(表1)。潜水含水层岩性以细砂、粉细砂为主，厚30～70 m，自南向北逐渐变薄，中部向东、西部变薄；水位埋深1～8 m；单井涌水量一般大于1 000 m3/d，水化学类型多为HCO3·Cl-Mg·Ca型，HCO3·SO4-Mg·Na·Ca型，Cl·SO4-Na·Ca型，水溶解性总固体282～3 581 mg/L，水质一般，个别区域受工业活动污染。补给来源以引黄渠系渗漏补给、灌溉入渗补给为主(80%)，降雨入渗补给和侧向径流补给各占总补给量10%左右，总体径流方向自西南向东北沿黄河流向汇入黄河，排泄方式以蒸发排泄为主(52%)[34]。

表1 银川市潜水类型及特征

1.3 数据来源

本次研究使用的各评价因子数据大都来源于2018年《银川都市圈城市地质调查项目》的实测与调查结果，地下水水位埋深、土壤类型、包气带岩性、渗透系数、含水层单孔涌水量均源于2018年项目组成员调查的200口(0～5 m深土石井)浅井、50个双环渗水试验及53个水文钻孔试验结果，大气降雨量利用银川、贺兰降雨站2018年数据，降雨入渗系数采用《银川平原地下水资源合理配置调查评价报告》[35]中的数值，土地利用类型数据为研究区2017年土地利用图。

2 DRASTIC评价模型的建立

本文根据银川市的实际情况，将中国地质调查局2008年发布的《地下水污染地质调查评价规范》(DD2008-01)中推广的DRASTIC模型进行适当改进，建立银川市浅层地下水防污性能评价DRASTIC指标体系，并借助GIS技术将有关参数进行综合。

2.1 评价因子

根据银川市的地质背景、水文地质条件及数据获取的程度，科学合理的选取评价因子。银川市位于平原区，地形平坦，地面坡度小于等于2°，地形坡度在本次评价中不作考虑；区内潜水水位普遍较浅，调查过程中近一半的浅井水位埋深小于2 m，表明银川市的的潜水水面距离地表较近，易受污染；银川市的地下水补给来源除大气降水外，主要受大面积的农业灌溉产生的灌溉水补给，不同的土地利用类型对应的补给量差异明显；受地质、地貌及岩性结构的控制，银川市含水层的富水性具有明显的自西南向东北渐变特征；银川平原既有洪积物堆积，也有河流、湖沼相的交替沉积，造成区内土壤类型较多，包气带结构多样，含水层在空间上错综复杂等特征。因此，本文选定地下水埋深(D)、净补给量(R)、含水层富水性(A)、土壤类型(S)、包气带岩性(I)和渗透系数(C)等6个评价因子反映地质背景及人类活动对污染的影响。

2.2 基于AHP的因子权重

本次基于AHP的因子权重确定步骤：根据研究区的具体情况，在“1—9”的比较标度法的基础上两两对比评价因子的重要程度来创建6阶判断矩阵(表2)；利用归一化确定权重，计算判断矩阵的特征值，算出对应的特征向量，进而求得各评价因子的权重；对权重的合理性进行一致性检验，该判断矩阵的λmax=6.446 8，CR=0.070 9<0.10，故判断矩阵一致性检验合格，所得权重值合理可靠[32]。

表2 判断矩阵、AHP确定的因子权重

2.3 因子的分级评分

本次DRASTIC模型中评价因子的评分值范围为1～10，评分越高说明防污性能越差，按照该要求确定各因子分级评分及其分区(表3，图1)。

表3 银川市潜水防污性能各评价因子的分级及评分值

图1 银川市潜水防污性能单因子分区特征

2.4 地下水防污性能综合指数分级

将以上各评价因子权重及评分代入公式(3)可定量得出银川市各区域的地下水综合防污指数(DI)。防污性能是一个相对的概念[12]，本次用自然间断点分级法(Jenks)将防污性能计算结果分为5级来表示含水层防污性的相对高低(见表4)。

表4 银川市潜水防污性能分级标准

3 结果与分析

3.1 评价结果

在掌握了各个评价因子的空间分布情况后，利用ArcGIS的空间分析功能将各单因子图的矢量数据转化为栅格数据，再利用空间分析功能中的地图代数—栅格计算器叠加出DRASTIC模型的银川市地下水防污性能分区结果(见图2)。

结合本次研究的成果(图2，表5)，可以得出银川市地下水防污性能表现为中等—弱等。

表5 银川市地下水防污性等级面积统计结果

图2 银川市地下水防污性能分区

(1) 防污性能强—较强区域主要位于研究区中部的金凤区及东北部的兴庆区、贺兰县，所占面积为108.70 km2，占总面积的27.28%，污染物较难进入含水层，综合各影响因素为不易受到污染区。

(2) 地下水防污性能弱—较弱地区分布广泛，防污性较弱区面积为73.96 km2，约占总面积的18.56%，防污性弱区域面积为133.38 km2，占总面积的33.47%，污染物较易进入含水层，综合各影响因素为较易受到污染区。

(3) 防污性能中等的地区在研究区内的金凤区与兴庆区均有分布，所占面积为82.42 km2，占总面积的20.68%，整体对外界污染物的敏感性一般。

3.2 防污性评分可靠性分析

注：图3a中细实线旁数值为硝酸根浓度值(mg/L)。

3.3 评价结果与分析

结合区内地下水类型特征(表1)及《银川都市圈城市地质调查项目》自西向东方向的水文地质剖面成果可以发现：防污性能弱区的地下水在西部洪积扇前缘的洪积层含水层中，如Yg32孔的水位埋深2.04 m，含水层岩性以细砂为主，个别区域含砾石，含水层介质颗粒大、分选好，细砂孔隙度(n)为38.33%，具有孔隙大、透水性强等特征，可以储存相对较大量的地下水体；该区域地貌类型以洪积扇和风积地貌为主，主要特征是地下水水位埋深浅，土壤类型以砂壤土为主，包气带岩性为砂土，渗透系数在风积地貌处明显较大，说明此区域地表污染物容易进入地下水，对外界污染物的敏感度高，进入水体后更容易迁移扩散，污染面易增大。防污性强区位于金凤区阅海湖附近，拥有较厚层的湖积相沉积层，如Yg28孔的水位埋深4.70 m，土壤类型以黏壤土为主，包气带岩性以黏土为主，是良好的地下水保护屏障，阻隔地表污染物进入地下水中。对于银川市不同地区地下水防污性能的差异性，应采取相应的措施，在最大程度上防止地下水发生污染。

对比银川市土地利用类型(图4)，可以看出人类活动对当地地下水的防污性影响主要表现为西、南部的农业活动，受农业灌溉的影响，一定程度降低了该区域地下水防污性能。而研究区内金凤区北部阅海湖附近为防污性强—较强区，该区域土地利用类型以水体湖泊、水田为主，这说明在多年地质沉积作用的影响下，湖积相沉积是潜水的良好保护屏障，建议相关政府部门在规划今后的城市扩建区及工矿居民地时优先考虑此区域。

图4 银川市土地利用类型

4 结论与讨论

本文在调查清楚研究区的水文地质条件的基础上，建立了适合银川市的基于AHP的地下水防污性能DRASTIC评价模型。

(1) 研究区内的地下水防污性能总体表现为中等—弱，其中，地下水防污性能强—较强区面积108.70 km2，占总面积的27.28%，污染物较难进入含水层；地下水防污性能弱—较弱区面积207.34 km2，占总面积的52.03%，污染物较易进入含水层；地下水防污性能中等区面积82.42 km2，占总面积的20.68%，整体对外界污染物的敏感性一般。

(3) 研究区防污性能弱区地下水在洪积扇前缘的洪积层含水层中，具有孔隙大、透水性强等特征，可储存较大量的地下水体；地貌类型决定了该区水位埋深浅、渗透系数大、包气带岩性和土壤类型都以砂性土为主等特征，地表污染物易进入地下水中。防污性强区位于阅海湖附近，拥有较厚层的湖积相沉积层，包气带岩性和土壤类型都以黏性土为主，阻隔地表污染物进入地下水中。对于不同地区地下水防污性的差异性，应采取相应的防治措施。结合区内土地利用类型现状，建议相关政府部门在规划今后的城市扩建区及工矿居民地时优先考虑金凤区北部阅海湖区域。

本文在选取评价因子时虽考虑到人为影响因素，但只限于农业活动的影响，未考虑在城市扩张过程中城市建设用地对地面入渗和污染物污染地下水的影响，尽管银川市区内工业活动较少，但对评价结果还是有一定的影响。此外，地下水防污性能评价的结果具有一定时效性，鉴于地下水资源需要长期的监管和保护，一段时间之后还需进一步更新研究。