基于DRASTIC改进模型的小流域河间平原地下水防污性能评价

2021-08-27宋仁亮

地下水 2021年4期

宋仁亮，韩迪，马雷

(1.安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，安徽蚌埠 233000；2.安徽省地质环境监测总站，安徽合肥 230001；3.合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥 230009)

随着工业经济的迅猛发展与城镇化的快速发展，水资源短缺问题日益严重，人们对地下水资源的保护越来越重视，地下水防污性能评价研究倍受关注。当前应用最为广泛的地下水防污性能评价方法是DRASTIC模型[1][2]，该方法模型简单，易于实现，可定量分析影响污染物运移的水文地质因素[3]，但该方法在指标权重分配方面存在缺陷[4]。多年来，我国学者从不同角度对地下水防污性能评价方法进行了改进，如戴元毅等[5]提出将模糊分析评价理论及层次分析法(AHP-DRASTIC)引入地下水易污性评价中；付俊旺，邝智慧等[6]应用层次分析法的DRASTIC指标评价体系地下水防污性能进行评价。周朝等[7]提出利用地下水数值模型为改进的DRASTIC方法提供数据支持，并探讨地下水脆弱性评价方法。

本文旨在通过研究影响位于六安市丰乐河-杭埠河河间平原地区地下水防污性能的地质因素，采用改进的DRASTIC模型并结合自然地理、土壤、水文地质等特征，增减评价因子重组建立新的地下水防污性能评价体系，评价小流域河间平原区地下水防污性能，为地下水污染防治提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理

研究区位于六安市丰乐河和杭埠河之间的平原地区，属河漫滩地貌，地面海拔高程5.9～21.6 m，地形总体平缓；降水量年均值1 080 mm，蒸发量年均值1 397.8 mm。

研究区属于长江流域巢湖水系，主要河流有杭埠河、丰乐河。杭埠河，发源于大别山区岳西同安寨南界岭，研究区段河宽40～180 m，最大流量1 322 m3/s。丰乐河，发源并流经六安丘陵地区，至三河镇大潭湾汇入杭埠河，研究区段河宽20～70 m，最大流量661 m3/s。

研究区土壤为潮土类灰潮土亚类，土壤母质为河流沉积物，杭埠河沉积物砂多粘少，丰乐河沉积物粘多砂少。

1.2 水文地质条件

研究区地层属于北淮阳地层小区。基岩地层隐伏于松散层之下，东部岩性为白垩系上统张桥组(K2z)鲜红色薄层细砂岩、厚层含砾中细砂岩和紫红色泥岩；西部岩性为下第三系始新统戚家桥组(E2q)砖红、棕红色含钙质结核砂砾岩和砾砂岩互层，夹砂岩、粗砂岩。松散地层广泛出露，为第四系全新统丰乐镇组(Q4f)地层，层厚20.0～35.7 m。岩性自上向下，砂性增强、砂砾增多；上部岩性为灰黄、灰白色粉质粘土、粘土、砂质粘土和砂土，中部岩性为浅灰、灰黄色粉细砂、中粗砂、含砾中粗砂，夹砂质粘土，底部岩性为棕黄色砂砾石、含砾粗砂。

研究区松散岩类孔隙水(图1)为潜水，水位埋深0.5～2.0 m、年变幅0.5～4.0 m，层厚10.00～30.00 m，岩性为新生界第四系全新统丰乐镇组的粉砂、中粗砂、含砾中细砂及砂砾石，局部夹砂质粘土薄层；单井出水量97.86～542.59 m3/d，水量中等，以重碳酸钙钠型水为主。红层裂隙水孔隙为覆盖型承压水，区域水文地质资料表明：含水岩组由粗砂岩、含砾砂岩组成，富水性差异较大，一般水量贫乏、局部水量可达中等；目前未开采该层水，故该类水不作为本次研究对象。松散岩类孔隙水直接接受大气降水补给；受区域地形及地层结构影响，地下水径流自西流向东；地下水排泄方式主要为蒸发和人工开采。

图1 研究区水文地质简图

2 评价方法

地下水防污性能评价通常以地下水的固有防污性能评价为主[8]，多采用点评分指数模型评价[1]；固有防污性能评价常采用美国环保局提出的DRASTIC方法。传统DRASTIC方法[9]由评价因子、评价因子权重、评价因子评分体系和地下水防污性能综合指数计算4部分组成：即由地下水埋深(D)、地下水净补给量(R)、含水层介质(A)、土壤介质(S)、地形坡度(T)、包气带介质(I)、含水层水力传导系数(C)等七个因子建立DRASTIC模型进行评价。

鉴于DRASTIC模型存在的缺陷和应用局限性，本次评价根据研究目的并结合自然地理、土壤、水文地质等特征，增减评价因子重组评价指标，改进了地下水防污性能评价模型。

2.1 评价因子

研究区地下水埋深(D)0.5～2.0 m；地下水净补给量(R)210～330 mm；含水层介质(A)主要为粉砂、中粗砂和含砾中细砂，含水层厚度(M)10.00～30.00 m，含水层水力传导系数(C)3.14～3.29 m/d。土壤介质(S)近丰乐河一侧主要为粘质壤土、近杭埠河一侧主要为砂质壤土；地形坡度(T)小于2%；包气带介质(I)近丰乐河一侧主要为粉质粘土，近杭埠河一侧主要为粉砂土。

研究区地处河间平原且地形差异很小，地形对污染物入渗的影响可忽略；整个区松散岩类地下水概化为一个含水层，含水层介质、水力传导系数实际是两个重复的因子；DRASTIC模型对水力传导系数大使水交替加快的稀释作用未予考虑且难以评分，含水层厚度大小决定地下水水量多少和地下水稀释能力强弱，能够很大程度反映地下水防污性能大小[1][10]。

因此，本次研究在DRASTIC模型基础上，综合研究目的及气象水文、土壤、水文地质特征等具体参数，将评价模型改进为由地下水埋深(D)、地下水净补给量(R)、含水层厚度(M)、土壤介质(S)、包气带介质(I)五个因子组建的DRMSI模型。

2.2 评价因子评分及权重

DRMSI模型评价因子分值根据其使得地下水受污染难易程度而设置，越容易使地下水污染的因子评分越高，反之评分越低；评价因子权重根据其对地下水防污性能贡献的大小而赋值，贡献越大则权重赋值越大，反之赋值越小，DRMSI模型评价因子及其评分见表1。

表1 DRMSI模型各因子类别评分及权重赋值

2.3 计算方法

DRMSI模型5项评价因子的类别评分与相应权重乘积的总和，即为DRMSI模型防污性能指数(DI)，以此来评价地下水的防污性能。

计算公式：

DI=DRDW+RRRW+MRMW+SRSW+IRIW

式中：下标R为类别评分，下标W为权重值。

根据防污性能数值的大小判别地下水防污性能好差，数值越小则地下水防污性能越好，数值越大则地下水防污性能越差。据此将地下水防污性能分为：好(DI<95)、较好(95≤DI<105)、中等(105≤DI<115)、较差(115≤DI<130)和差(DI≥130)5个等级。本次研究利用公式计算出研究区DI值范围为108～139。综合考虑DI数值空间分布的聚类性质和实际水文地质条件，划定研究区地下水防污性能等级为：中等(108～114)、较差(115～129)和差(130～139)3个等级。

3 地下水防污性能评价

3.1 防污性能分区评价

利用GIS软件进行图形处理，获得DRMSI模型各指标的评分图；并利用GIS软件进行空间分析，对各指标评分图乘以权重赋值后进行叠加，根据地下水防污性能等级对图形进行分区，得出研究区地下水防污性能分区图(图2)，绝大部分处于地下水防污性能较差-差的区域(表2)，地下水环境质量保护应高度重视。

图2 研究区地下水防污性能分区图

表2 地下水防污性能分区说明表

3.2 DRMSI模型评价验证

3.2.1 地下水质量分区评价

本次研究充分利用地下水的调查采样测试分析成果，采用《地下水质量标准》(GB/T 14848-2017)地下水质量常规指标及限值，综合选取12项单项组分作为评价因子开展地下水质量分类评价，编制地下水质量评价分区图。评价结果表明：研究区地下水水质状况大部分较差—极差，地下水质量分为Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级三种类型[11-12]。

3.2.2 评价验证

由图2可知：地下水Ⅲ类水质区完全分布于防污性能中等区以内，地下水Ⅳ类水质区大部分分布于防污性能较差区、一部分于防污性能中区、极小部分布于防污性能差区，地下水Ⅴ类水质区在防污性能较差区和差区均有分布。

考虑到污染物进入地下水系统到影响地下水水质的过程，存在着一定的时间滞后和空间变化，结合研究区地下水呈自西向东的流向趋势进行综合分析，表明：研究区地下防污性能等级和地下水质量等级的分区区域基本吻合，即地下水污染性能越弱则地下水水质越差；进一步表明DRMSI模型评价方法适宜于小流域河间平原的地下水防污性能评价。