基于PLEIK模型的岩溶地下水防污性能评价——以贵阳市汪家大井泉域为例

于 杨, 肖一鑫, 陈彦美*

(1.长江大学 资源与环境学院,湖北 武汉 430100; 2.武汉中地环科水工环科技咨询有限公司,湖北 武汉 430073)

岩溶地下水是中国西南地区主要的供水水源,为当地经济社会发展提供了经济基础和重要保障[1]。近年来,随意排放的工业“三废”以及不合理的开采导致岩溶地区地下水水质持续恶化[2]。岩溶地下水系统结构复杂,不同类型的岩溶区具有不同的水文地质特征,其污染具有隐蔽性强、来源复杂、治理难度大、扩散性强等特点,一旦受到污染很难对其进行彻底地治理[3-4],因此,对岩溶地下水开展防污性能评价尤为重要。地下水防污性能即地下水脆弱性,指不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内部因素的脆弱性[4]。结合地下水防污性能评价结果和区域污染源分布特征,对地下水防污性能进行研究,是防范化解区域地下水环境污染问题的重要方法之一。针对岩溶区地下水防污性能,业界常采用EPIK、COP、PLEIK、RISKE等叠置指数模型进行评价[5-10]。

EPIK模型是根据岩溶网络发育程度和表层岩溶带,专门针对岩溶地区开发的防污性能评价方法之一。该模型包括表层岩溶带发育程度(E)、保护性盖层(P)、补给类型(I)和岩溶网络发育程度(K)4个评价指标。该评价方法适用于表层岩溶带发育且具有明显的地表—地下双层结构的南方裸露岩溶地区[11-12]。COP模型衍生于欧洲模式,评价指标分别为径流因素(C)、覆盖岩层(O)和大气降水(P)。该模型评价因素单一且未考虑人类活动等因素的影响,比较适合表层岩溶带不发育的北方裸露岩溶地区地下水固有的防污性能评价[13]。Hamdan et al.[14]采用EPIK和COP两个模型分别对约旦西北部Tanour和Rasoun两泉集水区岩溶地下水进行评价,并对比评价结果,结果显示EPIK模型评价结果精度高于COP模型。邹胜章等[12]对于覆盖型岩溶区地下水防污性能评价在DRASTIC、COP、EPIK模型基础上,提出了PLEIK模型,认为覆盖型岩溶区大部分岩溶被松散岩土层覆盖,浅层孔隙地下水与深层岩溶水具有明显的水力联系;局部岩溶裸露并发育表层岩溶带,具有裸露型岩溶的基本特征,在选取评价指标时应充分考虑P、L因子的影响;各评价因子权重通过“二元”比较及层次分析法等多种方法确定,可以避免由于主观因素造成的指标权重分配不均等问题。近年来,PLEIK模型被广泛应用于中国西南岩溶地区地下水防污性能评价[15-19]。

汪家大井泉域是贵州省贵阳市重要的供水水源,其岩溶地下水主要接受泉域范围内东北部裸露岩溶区和半裸露岩溶区的大气降水入渗补给及部分伏流补给,极易受到人类活动的污染,从而威胁当地居民生活用水安全。根据前期调查,泉域范围内潜在污染源主要分布在其东北及西南方向,污染源类型以工业源、农业源、移动源(加油站)为主。开展岩溶地下水防污性能评价有助于适当优化调整污染源分布位置并进行岩溶地下水污染防控,化解饮用水安全问题。本文采用PLEIK模型对汪家大井泉域范围内岩溶地下水防污性能进行定量评价并讨论,旨在为区内地下水环境保护提供一定的依据。

1 研究区概况

1.1 自然地理概况

汪家大井泉域位于贵阳市东部永乐堡复式向斜北西翼[20],地理坐标:北纬26°25′～26°45′,东经106°44′～107°05′。汪家大井上升泉现为该市东郊水厂取水地,泉眼高程约1 018 m,枯季最小流量为1 165 L/s[21]。

研究区气候类型为亚热带季风性湿润气候,具有明显的高原性气候特点。区内年平均气温14.6℃,多年平均降雨量和多年平均日最大降雨量分别约1 041.57、205.1 mm。

研究区大地构造位置处于“都匀南北向隔槽式褶皱变形区”,主要发育永乐堡复式向斜,整体地形起伏呈四周高、中部低的态势,西部谷脚—小碧—龙洞堡—永乐堡一带的地势相对平缓、地形坡度较小,东部沟谷切割深、地形起伏大、坡度陡。根据塑造地貌的主导作用力、地层岩性、地貌形态组合特征及切割深度因素,将研究区地貌类型划分为溶丘谷地、峰丛洼地、侵蚀低中山沟谷、溶蚀—侵蚀沟谷4种。

1.2 水文地质条件

研究区发育碳酸盐岩地层夹少量的碎屑岩地层,由老到新依次出露泥盆系(D)、石炭系(C)、二叠系(P)、三叠系(T)和第四系(Q)地层。区内地下水类型可以分为碳酸盐岩类裂隙岩溶水和碎屑岩类孔隙裂隙水两类。研究区水文地质简图见图1-a,含水层岩组划分见表1。

图1 研究区水文地质简图(改编自参考文献[23])Fig.1 Schematic diagram of the hydrogeology of the study area

表1 含水岩组划分表Table 1 Table of division of water-bearing rock groups

碳酸盐岩类裂隙岩溶水主要赋存于三叠系花溪组(T2h)、坡段组(T2p)、安顺组(T1-2a)、罗楼组(T1-2l)、大冶组(T1d),二叠系合山组(P3h)、茅口组(P2m)、栖霞组(P2q),石炭系黄龙组(C2h)、摆佐组(C1-2b)以及泥盆系高坡场组(D3gp)中;碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于三叠系夜郎组(T1y),二叠系大隆组(P3d)、合山组第一段(P3h1)、梁山组(P2l),石炭系旧司组(C1j)、祥摆组(C1x)地层中。

研究区位于NE向永乐堡复式向斜的北西翼,该向斜将含、隔水层塑造成叠盆状储水构造系统。根据含、隔水层垂向组合、地质构造分布条件、地下水排泄点分布等特征,将区内地下水分为“上层”及“下层”2个系统,见A-A′水文地质剖面图(图1-b)。

上层地下水系统主要由花溪组、坡段组、安顺组、罗楼组、大冶组组成,厚度约550 m;主要补给源为大气降水,通过落水洞和岩溶洼地处集中注入或灌入地下,或在溶蚀裂隙处分散渗入地下。一部分岩溶地下水通过岩溶大泉以及下降泉等方式于向斜核部排出,另一部分岩溶地下水则向深部循环补给下层地下水系统。

下层地下水系统主要由合山组、栖霞组—茅口组组成,厚度约300 m;大部分补给源来自于研究区东部裸露岩溶区的落水洞、岩溶洼地等处,接受大气降水集中注入式补给,小部分接受来自上层地下水系统的越流补给。含水介质类型主要为溶洞—裂隙,地下水沿岩层走向、倾向和构造线方向径流,穿越永乐堡向斜核部并通过汪家大井上升泉排泄于地表。

2 PLEIK模型的构建

2.1 评价因子

研究区岩溶地层十分发育。大部分含水层被上覆岩层覆盖,位于永乐堡向斜南西翼高枧一带的岩溶地下水补给区则为裸露岩溶区。针对这种独特的水文地质条件,本文采用PLEIK模型对研究区地下水防污性能进行评价,其评价因子分别为保护性盖层(P)、土地利用类型(L)、表层岩溶带发育程度(E)、补给类型(I)及岩溶网络发育程度(K)[12]。

保护性盖层为含水层上部所覆盖的松散土层,包括第四系松散土层等上覆非岩溶地层和地下水位以上的岩溶地层两部分。地下水在岩层中滞留的时间与上覆岩层保护性盖层厚度具有密切联系,当区内保护性盖层厚度较薄时,污染物在下渗过程中难以被其全部截留,地下水系统的防污性能较差[12]。

土地利用类型可以综合反映出地区的工农业及经济综合发展情况。不同的土地利用类型产生的污染物不同,因此下伏含水层的防污性能也存在明显差异。西南岩溶地区土地利用类型可按照用途分为林地、果园地、耕地、草地、裸地、村镇及工矿用地6种[12]。

表层岩溶带发育程度对岩溶地下水系统具有重要的调蓄功能。其发育程度受岩性、岩石结构、构造、地貌、水动力条件、土层及植被覆盖情况等因素影响[22]。表层岩溶带作为污染物从地表进入地下的主要途径之一,对地下水防污性能影响巨大,表层岩溶带越发育,地下水抵抗外来污染物入侵的能力就越差。在实际工作中,表层岩溶带的发育程度可以根据碳酸盐岩岩组类型及岩溶发育程度进行划分。

补给类型包括岩溶含水层的补给类别和补给强度。补给类型越集中,雨强越大,地下水的防污性能越差。评价过程中I因子可以通过构建补给类别和降雨强度综合评分矩阵来分级量化。

岩溶网络发育程度可以通过地下水径流模数来反映。当缺少相关资料时,也可用岩溶含水层组类型简单确定含水层岩溶网络发育程度[12]。区内岩溶网络发育程度越强,地下水的防污性能越差。

DI可以代表区内地下水防污性能分级,具体计算方法如下:

DI=Z1×P+Z2×L+Z3×E+Z4×I+Z5×K

(1)

式中:Z1-Z5分别代表各评价因子权重;P、L、E、I、K分别代表各评价因子分值。DI值越高,地下水防污性能越好。DI值分级标准见表2。

表2 地下水防污性能评价分区划分值Table 2 The partition value of groundwater anti-fouling performance evaluation

2.2 资料来源

本研究采用的资料包括:野外调查获取的水文地质要素信息(地层厚度、岩溶发育条件及分带性)、贵阳幅1∶20万地质图及报告(获取地质、构造及地层岩性信息)、龙洞堡幅1∶5万水文地质图及报告、遥感信息解译报告、DEM数值化信息(地形坡度、土地利用类型等)。基于上述资料,获取PLEIK模型各评价指标相关信息,并进行指标分级。

3 评价结果及讨论

3.1 评价结果

根据汪家大井泉域的水文地质特征及遥感解译结果,参考邹胜章等[12]的PLEIK模型各指标分级定额标准对研究区PLEIK模型各评价因子进行分级与评分,评分范围为1～10分,具体评分结果如表3所示。

表3 汪家大井泉域地下水防污性能各评价因子评分表Table 3 Evaluation of each factor score table of Wangjiadajing spring groundwater antifouling performance

3.1.1 保护性盖层

研究区存在碳酸盐岩和碎屑岩地层。根据土层厚度与DEM数据将岩溶地带的保护性盖层分为P1、P2、P4三类并依次评分为1、4、10分。P1为厚度在0～20 cm的土层,主要分布在地形坡度>15°的山顶和峡谷陡坡区;P2为厚度在20～100 cm的土层,主要分布在地形坡度为5°～15°的山体缓斜坡区;P4为厚度>150 cm的土层,主要分布在岩溶区山间平坝及非岩溶区(碎屑岩区)。具体划分结果如图2所示。

图2 P因子分区图Fig.2 Partition graph for the P factors

3.1.2 土地利用类型

研究区土地利用类型数据以Landsat8 OLI遥感影像数据为基础,利用ENVI平台开展遥感解译工作后分析获取。对照遥感数据,建立研究区Landsat遥感数据解译标志,并结合野外调查和原始遥感影像特征进行目视解译修正,根据土地不同用途,将区内土地利用类型划分为林地(L1)、草地(L2)、耕地(L4)、村镇及工矿用地(L6)、水体5类并制图。由图3可知,村镇及工矿用地较为集中,其余土地利用类型分散于区内。

图3 L因子分区图Fig.3 Partition graph for the L factors

3.1.3 表层岩溶带发育程度

研究区岩溶地层大部分上覆松散盖层,表层岩溶带发育不明显,只有局部裸露岩溶区表层岩溶带发育。根据野外踏勘结果和区域地质图出露地层岩性将碳酸盐岩岩组划分为5个等级。E1为灰岩连续型岩组,表层岩溶带强烈发育,评分为1分;E2为灰岩夹白云岩型岩组,表层岩溶带高度发育,评分为3分;E3为灰岩与白云岩交互型岩组,表层岩溶带中等发育,评分为5分;E4为断续状不纯碳酸盐岩型岩组,表层岩溶带轻度发育,评分为7分;E5则为非碳酸盐岩与不纯碳酸盐岩交互型岩组,在基岩上观察不到明显的表层岩溶带发育现象,评分为9分。具体E因子分级如图4所示。

图4 E因子分区图Fig.4 Partition graph for the E factors

3.1.4 补给类型

汪家大井泉域降雨补给类别以面状补给为主,研究区中部及南部发育落水洞及岩溶漏斗等62处岩溶点。由于鱼洞峡水库蓄水而常年有水的落水洞有6处,较大的地下暗河有6条,属于点状集中式渗入补给。入渗补给量则受到降雨强度、土地利用类型及地形坡度的影响。对于夹于岩溶区内的非岩溶区,补给类型可根据平均地形坡度综合判定;降雨强度采用当地多年日最大降雨强度平均值判定。结合研究区多年平均最大日降雨量205.1 mm,得出I因子分级,见图5。其中I1为落水洞、暗河等岩溶点附近500 m范围内区域,评分为1分;I2为落水洞、暗河等岩溶点附近500～1 000 m范围内区域,汇流坡度>25%的草地区和汇流坡度>10%的耕地区,评分为3分;I3则为落水洞、暗河等岩溶点附近500～1 000 m范围内区域,汇流坡度<25%的草地区和汇流坡度<10%的耕地区,评分为5分;I4为其他汇流坡度区域,评分为7分。

图5 I因子分区图Fig.5 Partition graph for the I factors

3.1.5 岩溶网络发育程度

K因子采用1∶20万地质图、1∶5万水文地质图(龙洞堡幅)及野外水文地质勘查结果,绘制研究区1∶5万水文地质图,并利用其中岩溶含水层组划分确定K因子分级,将研究区岩溶网络发育程度分为6类(图6)。K1为灰岩连续型,评分为1分;K2为灰岩夹白云岩型,评分为2分;K3为灰岩—白云岩交互型,评分为3分;K4为灰岩—白云岩间隔型,评分为4分;K5为断续状不纯碳酸盐岩型,评分为7分;K6为非碳酸盐岩—不纯碳酸盐岩交互型,评分为10分。

图6 K因子分区图Fig.6 Partition graph for the K factors

3.1.6 防污性能分区

研究区各评价因子权重赋值可通过二元比较定性排序后采用模糊综合矩阵方法确定,权重向量Z=(0.29,0.24,0.20,0.16,0.11)。利用ArcGIS软件对各评价因子分区图进行空间叠加分析,共形成944个区块,除去54个已知水体的区块,计算其余区块DI值,判别研究区地下水防污性能分级;最后将属性导回890个区块内,利用ArcGIS软件形成研究区地下水防污性能分区图并计算其面积,如图7所示。

图7 研究区地下水防污性能分区图Fig.7 The zoning map of groundwater antifouling performance in the study area

评价结果显示,研究区内地下水防污性能以中等和较好为主,面积分别为170.10、95.67 km2,分别占总面积的42.11%和23.69%;防污性能较差和好的区域次之,面积分别为74.90、62.72 km2,分别占总面积的18.54%和15.53%;防污性能差的区域分布面积最小,为0.54 km2,约占总面积的0.13%,呈零星分布。

研究区一级水资源保护区地下水防污性能分级以好和中等为主,其中防污性能好的区域主要位于高新社区服务中心的东北部一带汪家大井取水点附近及其周围泉域。

研究区二级水资源保护区共有2块,分别位于永乐乡一带和哪嗙乡一带,前者地下水防污性能以中等为主,部分区域地下水防污性能较差;后者地下水防污性能较差,少数区域地下水防污性能中等。究其原因主要是由于哪嗙乡一带的二级水资源保护区为裸露岩溶区且表层岩溶带较为发育,大量的落水洞与岩溶洼地分布于此。

3.2 讨论

研究区地下水防污性能主控因素为L、E、K,其中E、K两因子从水文地质角度上反映地下水防污性能。E、K两因子评分较低的区域多以灰岩、白云岩为主,极易发生碳酸盐岩溶解,表层岩溶带及岩溶裂隙比较发育,致使污染物极其容易进入地下水径流循环通道。L因子则代表人类活动对地下水防污性能的影响,结合图3及图7可看出,研究区村镇及工矿用地聚集区域地下水防污性能中等—较差。

由防污性能分区图(图7)可知,研究区二级水资源保护区所在区域地下水容易受到污染,一级水资源保护区地下水防污性能较好,不易受到污染。研究区二级水资源保护区地层岩性以二叠系和三叠系的灰岩及灰岩夹白云岩为主,其表层岩溶带及岩溶网络均较为发育,集中发育大量落水洞与地下暗河,该区地下水防污性能为较差—中等。永乐乡二级水资源保护区土地利用类型以耕地为主,缺少植被覆盖,水土容易流失;化肥与有机农药的过量使用也会造成该区地下水污染。东部哪嗙乡附近二级水资源保护区为汪家大井泉域的主要补给区,其水质好坏直接影响汪家大井上升泉供水水质。该保护区林地覆盖率大于耕地,但由于该区域为典型的裸露型岩溶区,表层岩溶带较为发育且保护性盖层较薄,地下水径流速度较快,地下水极易受到污染。通过裸露岩溶区大气降水补给及落水洞等集中入渗补给,该区域地下水中的污染物沿着岩层走向及构造线方向向永乐堡向斜盆地核部迁移,并污染沿途地下水环境。

研究区一级水资源保护区大部分被林地覆盖,上覆盖层较厚,表层岩溶带发育不明显;其西侧边缘地区为碳酸盐岩夹碎屑岩地层,岩溶发育较弱,该区域大部分地区地下水不易受到大气降水入渗带来的污染物影响,反而容易受到补给区所运移而来的污染物的影响。

4 结论

本文通过选取PLEIK模型对汪家大井泉域范围内的地下水防污性能进行评价,得出主要结论如下:

(1) 对于中国西南地区局部表层岩溶带发育的覆盖型岩溶区,宜采用PLEIK模型评价岩溶地下水防污性能。PLEIK模型同样也适用于岩溶区夹少量非岩溶区地下水防污性能评价。

(2) 汪家大井泉域范围内地下水防污性能可以划分为5个等级,在覆盖型岩溶区表层岩溶带不发育或发育不强烈的地区,地下水防污性能较好。研究区内地下水防污性能以较好和中等为主,分别占总面积的23.69%和42.11%;防污性能较差和好的区域次之,分别占总面积的18.54%和15.53%;防污性能差的区域最少,约占总面积的0.13%。此外,地下水防污性能差及较差的区域,多分布在岩溶十分发育的碳酸盐岩地层以及村镇及工矿用地等居民活动频繁的地区。

(3) 汪家大井泉域范围内的地下水环境保护应以预防为主、优化污染源分布位置为辅。建议对区域内污染严重企业进行综合整治或异地搬迁处理;加强对北东方向地下水补给区污染监管力度,制订合理的地下水保护方案,以防污染物沿地下水流向运移到排泄区,污染居民生活用水。