DRASTIC 在某地下水水源地脆弱性评价中的应用

胡 超，杨 仪，周红卫，郭 华，姜玉肖*

（1．江苏省地质环境勘查院，江苏 南京 211100； 2．中科鼎实环境工程有限公司，北京 100086）

0 引言

中国地质调查局在2006 年出版的《地下水脆弱性评价技术要求》中将地下水脆弱性定义为“地下水系统对人类和（或） 自然的敏感性”［1］。地下水脆弱性评价目前主要使用的是迭置指数法，其中最典型的是Aller等［2］于1987 年提出的DRASTIC 方法，DRASTIC 方法是一种参数－ 加权评价体系，其通过计算七项水文地质参数评价指标评分的加权值来定量评价地下水的脆弱性。该方法的最大优点是能够较客观的评估不同地区的地下水环境脆弱性，且获得的成果易于为决策者利用［3］。然而，DRASTIC 方法在参数获取方面仍然存在着一定的局限性［4－5］。针对这一问题，模型反演法能够以整个研究区为计算对象，避免人为划定区域对参数计算结果的影响。因此，本文以某地下水备用水源地为例，将DRASTIC 方法与地下水数值模拟方法相结合，通过计算地下水脆弱性指数来对水源地取水含水层的地下水脆弱性进行评价。通过本文的研究，可以为某地下水备用水源地今后的规划利用提供一定的参考依据。

1 研究方法

式（1） 为DRASTIC 方法中地下水脆弱性指数的计算公式：

其中，D，R，A，S，T，I，C分别为地下水埋深、含水层接受的净补给量、含水层介质类型、上层土壤介质类型、地形坡度、包气带介质类型和渗透系数所对应的地下水脆弱性指数；λD，λR，λA，λS，λT，λI和λC分别为各参数相对应的权重因子。地下水脆弱性指数和权重因子的具体取值方法见文献［2］。

针对某地下水水源地，式（1） 中的地下水埋深、含水层介质类型、上层土壤介质类型、地形坡度和包气带介质类型根据实地勘察结果得到，含水层接受的净补给量和渗透系数根据地下水运动控制方程进行计算。在已知地下水水位数据的基础上，可以建立数值模型并运用有限差分法进行离散化，然后迭代求解相应的离散方程，即可得到相应的解。

2 实例应用

2．1 地下水水源地概况

某地下水备用水源地位于南京市栖霞区，面积约43．4 km2。根据资料收集和实地调查的结果，水源地的多年平均降水量为1 095． 0 mm，多年平均蒸发量为1 121 mm。水源地附近有4 条主要断层，其中2 条断层使灰岩含水层与水源地外部的砂页岩隔水层相接触，为隔水断层。研究区内上层土壤介质主要为砂质亚黏土，包气带介质主要为黏土。含水层的主要类型为松散岩类孔隙含水层和碳酸盐岩类溶蚀裂隙含水层，其中碳酸盐岩类溶蚀裂隙含水层的岩性主要为周冲村组角砾状灰岩和青龙组灰岩，岩溶较发育，具有承压性，为某地下水备用水源地的目标取水层。

2．2 地下水数值模型

根据备用水源地的水文地质条件，建立三维、非均质、各向异性、稳定流地下水数值模型。根据调查结果，水源地西部和北部的断层为隔水断层，因此在模型中将这两个断层概化为隔水边界，其余边界概化为流量边界。模型的顶部边界主要接受大气降水入渗补给和蒸发蒸腾排泄，因此将其概化为流量边界；含水层底板的岩性主要为粉砂岩，为相对隔水层，因此将模型的底部边界概化为隔水边界。模型垂向上剖分为2 层，平面上每个单元格大小148 m×115 m，共剖分5 050 个大小相同的单元格。根据研究区内观测井的地下水水位，在模型中对渗透系数进行反演。研究区范围内含水层渗透系数介于12．4 m/d ～41．5 m/d 之间，水源地西部和中部附近含水层的渗透系数较大，介于31．4 m/d ～41．5 m/d 之间，其他区域含水层的渗透系数介于12． 4 m/d ～31． 4 m/d之间。

2．3 地下水脆弱性评价

根据对水源地的水文地质调查，水源地取水含水层为碳酸盐岩类溶蚀裂隙含水层，含水层介质为岩溶灰岩，对应的地下水脆弱性指数为9 ～10，本文取为10。水源地区域内上层土壤介质主要为砂质亚黏土，对应的地下水脆弱性指数为6，包气带介质主要为黏土，对应的地下水脆弱性指数为1 ～2，本文取为1．5。通过模型反演得到的水源地净补给量为3．71 ×10－3m/a，对应的地下水脆弱性指数为1。图1 为水源地内含水层顶板埋深和坡度及其对应的地下水脆弱性指数，从图1（a） ，图1（b） 中可以看出，碳酸盐岩类溶蚀裂隙含水层顶板埋深介于10．8 m ～105．3 m 之间，对应的地下水脆弱性指数介于1 ～5 之间，水源地中部和西部部分地区埋深较深，介于30．5 m ～105．3 m 之间，对应的地下水脆弱性指数为1，东部地区埋深较浅，介于10．8 m ～30．5 m 之间，对应的地下水脆弱性指数介于2 ～5 之间。从图1（c） ，图1（d） 中可以看出，水源地范围内的坡度介于0．05% ～8．03%之间，对应的地下水脆弱性指数介于9 ～10 之间，水源地中部零星分布着低山丘陵，坡度介于2．00% ～8． 03% 之间，对应的地下水脆弱性指数为9，其余大部分地区坡度介于0．05% ～2．00%之间，对应的地下水脆弱性指数为10。

图1 含水层顶板埋深、地面坡度及其对应的地下水脆弱性指数

图2 为计算得到的某地下水备用水源地的地下水脆弱性分区图，从图2 中可以看出，碳酸盐岩类溶蚀裂隙含水层的地下水脆弱性指数介于75． 5 ～106．3 之间。地下水脆弱性最大的区域位于水源地东部和西南部，脆弱性指数介于90． 5 ～106． 3 之间，面积占水源地面积的3．3%，原因主要与含水层顶板埋深较浅有关； 地下水脆弱性较大的地区位于水源地中部和西部，脆弱性指数介于85．5 ～90．5 之间，占水源地面积的54．2%，主要受较大的渗透系数的影响； 其余地区的地下水脆弱性指数介于75． 5 ～85． 5 之间，占水源地面积的42．5%，主要分布在三条近南北向断层中间的区域。

图2 某地下水备用水源地的地下水脆弱性

3 结语

本文将地下水数值模拟方法与DRASTIC 方法相结合，通过地下水数值模型对净补给量和渗透系数进行了反演，并以空间分布场的方式来描述含水层埋深、坡度和渗透系数，避免了人为划定区域和使用公式计算参数造成的误差。本文通过对某备用水源地的取水含水层地下水脆弱性的计算，可以定量地对比分析含水层的易污染性，并为今后备用水源地范围内可能对地下水产生影响的工程建设提供一定的参考作用。