基于AHP-DRASTIC模型的肇州县地下水脆弱性评价

李治军，张嗣路，于博文，王 涛

(黑龙江大学 a.水利电力学院；b.寒区地下水研究所，哈尔滨 150080)

0 引 言

黑龙江省肇州县土地资源肥沃，主要以农耕产业为主，种植玉米、大豆等作物，是东北黑土区重要的商品粮生产基地。肇州县主要供水水源为地下水。保护地下水资源安全，对于促进经济社会发展和维护国家粮食稳定生产具有重大战略意义。本文通过对肇州县进行地下水脆弱性评价，可对地下水污染防治提供科学依据，还可对松嫩平原和松花江流域的其他区域提供参考价值[1-2]。

1 研究区概况

肇州县境内为冲积性平原，地势较为平坦[3]，地理位置为E124° 48′～E125°48′，N45°35′～N46°16′，面积为2 445 km2。属中温带大陆性季风气候，季节变化较为显著，冬季寒冷干燥，春季少雨多风。松嫩平原黑土资源丰富，耕地土壤肥沃，适用多种经济作物生长。肇州县境内赋存地下水，地表水资源匮乏，开采地下水进行农业灌溉和生产生活。

2 评价方法选取

地下水脆弱性评价方法主要有迭置指数法、过程数学模拟法和统计方法。其中DRASTIC模型根据研究区水文地质特征对地下水脆弱性进行评价[4]。虽然DRASTIC模型具有使用方便，适用范围广等优点，但在应用过程中存在一定局限性，如评价指标是固定的，但对于不同区域地下水脆性影响因素对其重要程度的不同，评价指标也不同[5]。因此，在实际应用过程中，要根据研究区具体特征对模型进行改进，保证选取的评价指标的科学性、代表性和全面性。

3 评价指标体系及评价模型

3.1 评价指标选取

根据肇州县实际情况，在系统研究影响地下水脆弱性的指标和各指标作用机理后，对DRASTIC模型各指标进行优化调整。含水层介质A和含水层水力传导系数C都是表征含水层的渗透能力参数指标，避免选取重复且为方便计算，选择含水层介质A,剔除含水层水力传导系数C[6]；土壤带介质S和包气带介质I都是表征入渗到地下水污染物质吸附能力，由于包气带的影响相对复杂，因此，保留土壤带介质类型S，剔除包气带介质I。人为因素对地下水的影响不可忽视，引入土地利用类型L和地下水资源承载能力的综合关联度CRD。综上选取地下水位埋深D，净补给量R，含水层介质类型A，土壤介质类型S，地形坡度T，土地利用类型L和地下水资源承载能力的综合关联度CRD共7个指标对肇州县进行地下水脆弱性评价。

参照传统DRASTIC模型指标分级评分方法和相关文献，对各个指标进行分级与评分，评分值介于1～10，评分值越高表示对地下水脆弱性影响越大[7]，见表1。

表1 肇州县地下水脆弱性评价指标评分Table 1 Groundwater vulnerability evaluation index score in Zhaozhou County

3.1.1 地下水位埋深D

地下水位埋深决定了污染物抵达含水层之前迁移的深度和周围岩土体的接触时间[8]。水体中的污染物在随地表入渗，向地下水运移的过程中与土壤介质中氧气等接触反应，可以不断地被吸附，中和以及氧化衰减。分级见图1。

图1 地下水埋深分级Fig.1 Groundwater depth classification

3.1.2 净补给量R

含水层净补给量等于降雨入渗补给量与灌溉补给量之和，肇州县灌溉补给量相对降雨入渗量有限[9]，忽略不计，净补给量数值上采用降雨入渗补给量[10]。降雨入渗是污染物进入地下水的载体。分级见图2。

图2 含水层净补给量分级Fig.2 Classification diagram of net recharge of aquifer

3.1.3 含水层介质类型A

含水层介质在地表水与地下水转换过程中控制着污染物的运移途径。污染物在运移过程中与周围岩石不断接触，可认为污染物在含水层中稀释的过程。肇州县含水层富水程度，按照哈尔滨组、明水组、林甸组顺序依次增加，故评分分值不断递增[11]。分级见图3。

图3 含水层介质类型分级Fig.3 Classification diagram of aquifer medium type

3.1.4 土壤介质类型S

当污染物由地表进入到土壤层，土壤带的介质颗粒越细密，黏粒含量越高，微生物数量越多，污染物可以通过一系列生物化学反应被微生物降解，也可被土壤颗粒所“筛选吸附”，经由地表进入包气带的污染物浓度就会明显降低[8]。分级见图4。

图4 土壤介质类型分级Fig.4 Classification map of soil medium type

3.1.5 地形坡度T

地形坡度的大小与土壤的形成与发育，污染物的迁移与累积和地表水产汇流过程有着密切的联系[12]。当坡度较大时，污染物随降雨在地表以径流方式排泄，而不是长时间滞留在地表入渗到地下水含水层中。分级见图5。

图5 地形坡度分级Fig.5 Topographic gradient classification

3.1.6 土地利用类型L

土地利用类型直接反映不同人类活动对地下水脆弱性的影响。在居民区和农业灌溉区等人类活动频繁的地区，容易造成地下水污染，地下水脆弱性高。而在草地，森林，湿地等地区，人类活动和污染源较少，天然生态系统对污染物可起到淋滤衰减作用，地下水脆弱性低。分级见图6。

3.1.7 地下水资源承载能力的综合关联度CRD

地下水资源承载能力综合评价指标选取地下水资源利用率、人均供水量和生态环境用水率等多方面因素[13]。经计算得到肇州县各乡镇地下水承载能力关于3个等级的综合关联度。选取最大的综合关联度评价各地区地下水资源开采利用程度。关联度越小，表示地下水承载能力越接近饱和状态，地下水的脆弱性越高。分级见图7。

3.2 评价指标权重确定

传统方法中指标的权重是根据专家的经验确定的，无法反应研究区内水文地质、气候、降雨以及人类工程等区域特性[14]。针对地下水脆弱性评价指标权重的计算方法有层次分析法，熵权法，灰色关联度法等。本文采用层次分析法确定各指标的权重。在主观判断的同时，还可用递阶层次结构表达出评价对象的复杂关系，逐层进行评价分析，最终得出最低层相对于最高层的重要程度的权重[15]。利用YAAHP软件将地下水脆弱性评价作为层次分析的目标层；将评价指标体系中7个指标作为层次分析的准则层；将各因子的得分作为层次分析的基础层。以研究区概况为基础，对所选取的评价指标性质进行综合分析，相互比较判断，构建权重判断矩阵见表2。

根据矩阵计算得到最大特征值为7.508 7，特征向量为(0.15，0.091 3，0.041 7，0.041 7，0.058 8，0.264 4，0.352 0)T。经过计算可得判断矩阵一致性比率,小于0.1满足条件,说明判断因素的权重分配是合理的。对因子进行归一化处理，可得到各因子权重值见表3。

表3 评价指标权重Table 3 Evaluation index weight

3.3 评价模型建立

基于AHP-DRASTIC模型所建立的评价指标体系，构建出能充分反映肇州县地下水脆弱性评价模型，简称DRASTL-CRD模型。根据每个指标在其区段内的相对重要性进行分级，并在1～10之间评分赋值，对地下水脆弱性影响越大，评分越高；再将每个指标根据其重要性的大小赋予不同的权重值，权重值越大，对地下水脆弱性影响程度越大。按公式将两者加权求和得到地下水脆弱性综合指数为

DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TWTR+LWLR+CRDWCRDR

式中：各指标带下标R为指标值；各指标带下标W为指标权重。

4 脆弱性评价及结果分析

根据建立的DRASTL-CRD模型，利用ARCGIS栅格叠加功能对各评分图按照确定的权重值进行图层叠加，得到综合地下水脆弱性评价结果，见图8。其最大值为8.36，最小值为2.83，数值越大，地下水脆弱性越高，地下水抗污染能力越差[16]。

图8 肇州县地下水脆弱性评价结果Fig.8 Groundwater vulnerability assessment results in Zhaozhou County

根据评价结果对肇州县地下水脆弱性按脆弱性指数大小分为5个等级：低脆弱性区(2.83

肇州县地下水脆弱性整体由北到南，风险等级不断提高。低脆弱性区，较低脆弱性区，中等脆弱性区，较高脆弱性区和高脆弱性区分别占肇州县总面积8.97%,21.74%，32.36%，23.86%和13.07%,见表4。

表4 肇州县脆弱性评价分区Table 4 Vulnerability assessment zoning of Zhaozhou County

低脆弱性区大部分分布于兴城镇和榆树乡东北部以及新福乡附近；较低脆弱性区主要分布在新福乡，兴城镇，永乐镇和二井镇；中等脆弱性区大部分分布于兴城镇，榆树乡和新福乡；较高脆弱性区主要分布在双发镇，朝阳乡和托古乡；高脆弱性区大部分分布于肇州镇，托古乡，永乐镇，见表5。肇州县地下水脆弱性评价为中等脆弱性区面积占比最大，但高和较高脆弱性区的面积大于中等脆弱性区的面积大于低和较低脆弱性区的面积，肇州县地下水承受污染的风险较高[17]。

表5 肇州县各乡镇地下水脆弱性等级Table 5 Groundwater vulnerability grade of each township in Zhaozhou County

5 结 论

1)以肇州县地下水脆弱性为评价对象，基于DRASTIC模型并进行改进，选取地下水位埋深D，净补给量R，含水层介质类型A，土壤介质类型S，地形坡度T，土地利用类型L和地下水资源承载能力的综合关联度CRD共7个评价指标，建立了DRASTL-CRD模型并应用ARCGIS软件进行肇州县地下水脆弱性评价，得到肇州县地下水脆弱性评价分区图。

2)利用层次分析法对选取的评价指标确定权重，定性与定量分析相结合，根据实际情况从污染源和地下水承载能力方面充分考虑，给予土地利用类型和地下水承载能力的综合关联度较高的权重，更能反应研究区内地下水脆弱性的特性。

3)各评价分区占比：中等脆弱性区32.36%，较高脆弱性区23.86%，较低脆弱性区21.74%，高脆弱性区13.07%，低脆弱性区8.97%。地下水作为肇州县唯一水资源，在开采利用的过程中，应注意减少在高脆弱性区和较高脆弱性区的开采力度，加强地下水管理，同时对两个区域内的地下水进行保护，防止地下水污染造成经济生态等损失。