天水市城区浅层地下水脆弱性评估

赵 凯,周小龙,晏 娟

(甘肃省地矿局第一地质矿产勘查院,甘肃 天水 741020)

0 引言

天水市位于甘肃省东南部,属资源型缺水和工程型缺水并存的城市[1]。地下水开发利用量较大,而地表水污染加剧,地下水与地表水的水力联系情况及地下水的脆弱性却未有详细的相关明确说明,且地下水的脆弱性一定程度上能辅助评价地下水污染状况。本文旨在通过DRASTIC模型对天水市城区浅层地下水的脆弱性进行评估,为当地生态环境管理、城市规划及地下水开采利用等提供参考。

1 研究区概况

1.1 研究区自然地理

天水市位于甘肃省东南部,是丝绸之路经济带和关中平原城市群重要节点城市、陇东南交通枢纽,其主城区位于渭河及支流藉河河谷。本次研究区范围西起藉河中游秦州区天水郡李家台子,东至麦积区社棠镇渭河峡口,南北两侧均以各大支流的入河口和山前二级阶地后缘为界,属于同一个水文地质单元,面积81.125 km2,行政区划归天水市秦州区和麦积区管辖。

研究区属于温带半湿润半干旱气候过渡带,四季分明,冬长夏短,多年平均气温10.2℃,多年平均降雨量523.2 mm。地貌类型为侵蚀堆积河谷平原,西高东低,高差160 m,坡降3.9‰ 。研究区属于黄河流域渭河水系,地表水系有渭河及一级支流藉河、牛头河、东柯河、颍川河及别川河等。

天水土壤在河流和沟谷区为冲击、洪积物形成的淤淀土、草甸土;黄土主要分布在四级阶地以上,以渭河为界,北岸较厚南岸较薄,并向南逐渐消失,于长江流域多以黑垆土为主;耕作土壤经过开垦耕种熟化而形成以黄绵土、黑垆土为主。土层深厚,山塬开阔,是粮、油、菜、果主要生产区[2]。

天水属华北、华中、蒙新和喜玛拉雅植物交汇处,树种成份复杂,森林资源丰富。天水市现有森林总面积589.91万亩,森林覆盖率为26.5%。天然林地主要分布在东部、东南部的陇山、西秦岭和关山林区,有木本植物87科224属804种,其中乔木312种,灌木437种,藤本55种,常绿植物122种。属国家一级保护的有水杉;二级保护的有连香树、星叶草、杜仲、银杏、大白红杉、大果青杆、金钱松、小白树、水青树;三级保护的有秦岭冷杉、庙台槭、穗花杉、华榛、领椿木、胡桃楸、獐子松、青檀等。研究区类植被较为茂密,多为栽培植被,其中以果树居多,自然生长植被以渭河为界,北稀南密[3]。

1.2 水文地质条件

研究区内地下水赋存于由河床、漫滩、一级阶地和冲洪积扇的砂砾卵石组成的统一含水层中,就水力性质而言为浅层潜水,含水层岩性主要为砂砾卵石,麦积区渭河河谷局部砂砾卵石中夹有亚砂土及与薄层淤泥,含水层厚度5～35 m,水位埋深5～20 m,局部达到30 m以上。麦积区花牛镇—社棠镇渭河盆地有牛头河、藉河、颍川河及东柯河的汇入,补给来源充足,有侧向沟谷潜流、入川沟谷河水渗漏、降水渗入等补给方式;藉河河谷补给来源主要为各支沟的侧向潜流、上游地下径流及降水入渗补给。区内潜水排泄方式主要为人工开采,特别是生活用水的开采量很大,比如天水市麦积区东部集中式生活饮用水水源地;其次为溢出地表及蒸发。

麦积区渭河盆地潜水补给充足,储水空间大、汇水条件好,故潜水十分丰富,河漫滩及一级阶地单井涌水量大于2 000 m3/d,二级阶地及边缘盆地边缘部位单井涌水量1 000～2 000 m3/d;水质类型HCO3-·Cl--Na2+型,矿化度0.4～2.9 g/L。藉河河谷潜水沿河沿河两侧的一级阶地,因开采条件下可由河水直接补给,富水性好,单井涌水量1 000～2 000 m3/d;水质类型HCO3-·SO42--Na2+·Ca2+·Mg2+型,矿化度0.5～1.5 g/L。

2 地下水脆弱性评估

2.1 评估模型选用

研究区内地下水类型为河谷浅层潜水,依据《地下水污染防治重点区划定指南(征求意见稿)》(2022年8月),其脆弱性评估选用DRASTIC模型[4]。DRASTIC模型由地下水位埋深(D)、垂直净补给量(R)、含水层厚度(A)、土壤介质(S)、地形坡度(T)、包气带介质类型(I)和含水层渗透系数(C)7个水文地质参数组成。模型中每个指标皆分几个区段,对每个区段赋予评分,然后根据每个指标对脆弱性影响大小计算相应权重,通过加权求和,得到地下水脆弱性指数(DI)。

DI=DwDR+RwRR+AwAR+SwSR+TwTR+IwIR+CwCR

(1)

式中:DI表示地下水脆弱性指数,下标R表示各参数指标值,下标W表示各参数指标权重。根据各参数指标的评分和权重值,相应的将脆弱性分为高、中等、低,DI值越高,地下水脆弱性越高,反之脆弱性越低,地下水脆弱性级别与综合指数对应关系见表1。

表1 孔隙水脆弱性评估指标等级划分和赋值

2.2 评估指标数据获取方法

本次地下水脆弱性评估在充分收集研究区以往水文地质资料、近年科研成果报告、气象资料及地下水监测数据的基础上,采用ARCGIS空间数据分析对收集到的数据资料进行矢量化处理,并对每个单项指标根据不同的分级标准进行赋分分区,最后利用ARCGIS叠加每个单项指标分区值和指标权重,根据表2综合计算地下水脆弱性指数分区[5-7]。单指标评分分级赋分和各指标计算权参考《地下水污染防治重点区划定指南(征求意见稿)》(2022年8月)来确定,见表2。

表2 孔隙水裂隙水脆弱性评估指标等级划分、赋值和权重计算值

表3 研究区地下水脆弱性综合评价

2.3 单指标评估

本次研究将收集井水位监测数据、含水层厚度、第四纪地质地貌、DEM数据、包气带岩性图、钻孔资料、以往水文地质资料及抽水试验成果数据等通过ARCGIS数据空间分析,对脆弱性评价的7个影响因素地下水位埋深、垂直净补给量、含水层厚度、土壤介质、地形坡度、包气带介质类型、含水层渗透系数进行计算分区。研究区水位监测数据统测点密度为68个/百平方千米。

2.3.1 地下水位埋深(D)

地下水位埋深越大,地下水被污染概率越低;反之,越高。本次研究根据收集的水位数据利用ARCGIS分析天水城区地下水位埋深变化。河谷潜水埋深纵向变化不大、横向变化较大。河床及河漫滩,水位埋深一般小于6m;一级阶地及冲洪积扇的边缘部位一般在6～10 m;二级阶地及冲洪积扇的后缘部位一般在10～20 m之间,如马跑泉镇颍川河河口冲洪积扇一带;二级阶地以上至河谷平原边缘地带,水位埋深多大于20 m,局部大于30 m,如藉河河谷平原花牛镇局部区域[8],如图1。

图1 研究区地下水埋深分区图

2.3.2 垂直净补给量(R)

地下水入渗补给量越大,地下水受污染可能性越大。研究区内浅层地下水补给来源于上游径流、侧向潜流及河水渗流的侧向补给及降水入渗、灌水回渗及渠水渗漏的垂向补给,其中降雨入渗为主要补给来源,本次研究采用降水入渗补给量代替垂向净补给量。天水市城区多年平均降雨量523.2 mm/a,因不同的地貌单元其地层岩性成份也不尽一致,因此其降雨入渗系数也不同,入渗系数采用《甘肃省天水市区域水文地质调查报告》中的经验值,河漫滩0.176、较大支流沟口冲洪积扇0.118、一级阶地0.119、二级以上阶地0.094[9],则降水入渗补给量分别为河漫滩92.083 mm/a、冲洪积扇61.738 mm/a、一级阶地62.261 mm/a、二级以上阶地49.481 mm/a,垂向净补给量分区如图2。

图2 研究区垂直净补给量分区图

2.3.3 含水层厚度(A)

含水层厚度越大,则污染物下渗路径越长,地下水被污染概率越低。经分析,藉河河谷从上游至下游含水层厚度由小于10 m逐渐增大为大于20 m;渭河河谷二级阶地至河漫滩含水层厚度由小于10 m逐渐增大为大于30 m,社棠盆地一带基底平缓、凹陷,含水层厚度局部大于35 m,如图3。

图3 研究区含水层厚度分区图

2.3.4 土壤介质(S)

土壤介质颗粒越细、孔隙越小,阻隔污染物下渗的能力强,地下水越不易被污染。区内表层土壤分布范围最广的为粘质壤土,占总面积的15.64%,主要分布在一级阶地以上的大部分区域;其次为砂砾石,占总面积的84.36%,主要分布在河漫滩,如图4。表层土壤是大气层与包气带的连接介质,多为颗粒不均、孔隙不一的松软土体,影响垂直补给的下渗量和进入含水层的污染物浓度值。砂砾石渗透性大于粘质壤土。

图4 研究区表层土壤类型分区图

2.3.5 地形坡度(T)

地形坡度越小,地表径流越小,污染物下渗可能性越大,地下水被污染概率越高;在相同时空条件下,地形坡度越小,地下水水力坡度越小,地下水径流速度越小,污染物进入该地下水含量越多。经分析整个研究区地形坡度≤2%,如图5。

图5 研究区地形坡比分区图

2.3.6 包气带介质类型(I)

包气带维持区域内毛细水量,控制重力水渗流通路的长短和渗流形式,包气带为结构致密、胶结程度高的岩性,则污染物难进入含水层,反之,包气带为结构疏松的大粒径松散岩类,则污染物易进入含水层。研究区内藉河河谷一级阶地、渭河及较大支流河谷一级阶地、颍川河及东柯河冲洪积扇区域,包气带岩性为亚砂土,占总面积的42.49%;河漫滩包气带岩性为砂砾石,占总面积的15.64%;其余渭河干流及支流二级以上阶地包气带岩性为亚粘土,占总面积的41.87%,如图6。

图6 研究区包气带介质类型分区图

2.3.7 含水层渗透系数(C)

渗透系数可以评价在重力作用下,地表水体进入含水层后的渗流速率,渗流速率越大,则地表水体携带的污染物进入含水层的时间越短,反之亦然。经分析,一级阶地及河漫滩含水层岩性为砂砾卵石,岩性组成粒径大小不一、结构松散、孔隙大,渗透系数大180 m/d,则污染物扩散的速率快;二级以上阶地及冲洪积扇含水层有泥质、粉细砂等物质充填,渗透系数相对较小70～80 m/d[10]。如图7。

图7 研究区含水层渗透系数分区图

2.4 综合评估

根据7个指标的赋值分区结果,叠加指标权重,在ARCGIS中计算得出研究区浅层地下水脆弱性指数介于96～131之间,相应的将地下水脆弱性级别划分为低、中等、高3个等级,脆弱性中低区域基本为河流二级阶地及少量冲洪扇区域,河流一级阶地、河漫滩及部分冲洪积扇区域脆弱性评价高,分区结果如图8。

图8 研究区浅层地下水脆弱性等级分区图

2.4.1 脆弱性低区域

主要分布于研究区藉河河谷二级阶地花牛镇、社棠盆地及渭河河谷近峡口二级阶地局部区域,面积1.297 km2,占研究区总面积的1.6%。该区地下水埋深20～30 m,局部大于35 m;垂向净补给量49～62 mm/a;含水层厚度30～35 m;表层土壤介质为粘质壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包气带介质多为亚粘土;含水层渗透系数以70～80 m/d,综合评价该区内浅层地下水脆弱性较低。

2.4.2 脆弱性中等区域

主要分布于研究区藉河河谷南岸的二级阶地大部分区域、北岸的河谷平原边缘区域;渭河北岸二级阶地道北街道至山前区域、社棠盆地大部分区域、颍川河河口冲洪积扇区域、南岸二级阶地至山前局部区域,面积30.881 km2,占研究区总面积的38.07%。该区地下水埋深10～20 m,局部大于20 m;垂向净补给量60～62 mm/a;含水层厚度10～30 m;表层土壤介质为粘质壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包气带介质多为亚粘土、局部亚砂土;含水层渗透系数以70～80 m/d,局部冲洪积扇180 m/d,综合评价该区内浅层地下水脆弱中等。

2.4.3 脆弱性高区域

主要分布于研究区藉河及支流河谷河漫滩、一级阶地、支沟沟口冲洪积扇区域,渭河及支流河谷河漫滩、一级阶地、支流东柯河冲洪积扇区域,面积为48.947 km2,占工作区60.33%。该区地下水埋深0～10 m为主,局部大于10 m;垂向净补给量>62 mm/a;含水层厚度10～20 m,局部大于20 m;表层土壤介质河漫滩以砂砾石为主,一级阶地为粘质壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包气带介质河漫滩为砂砾石,一级阶地为亚砂土;含水层渗透系数多为180 m/d,局部70～80 m/d,综合评价该区内浅层地下水脆弱高。

3 结语

本研究采用DRASTIC模型,利用ARCGIS软件,对天水市城区浅层地下水脆弱性进行了评估分区,结论如下:藉河河谷二级阶地花牛镇、社棠盆地及渭河河谷近峡口二级阶地局部区域脆弱性低,防污性能好;藉河河谷南岸的二级阶地大部分区域、北岸的河谷平原边缘区域,渭河北岸二级阶地道北街道至山前区域、社棠盆地大部分区域、颍川河河口冲洪积扇区域、南岸二级阶地至山前局部区域脆弱性中等,防污性能中等;藉河及支流河谷河漫滩、一级阶地、支沟沟口冲洪积扇区域,渭河及支流河谷河漫滩、一级阶地、支流东柯河冲洪积扇区域脆弱性高,防污性能差。经综合计算单指标赋分及权重,单指标对研究区浅层地下水脆弱性影响程度由大到小分别为:地下水位埋深、包气带介质类型、垂向净补给量、含水层渗透系数、含水层厚度、表层土壤介质、地形坡度。

地下水开发与保护建议研究区内脆弱性有高有低,地下水综合脆弱性指数较大的区域,需完善水资源管理措施,加强对污水及污染物排放的监管,减少污染物扩散从而对地下水造成污染。脆弱性指数较低的区域,要加强水质水量的监管,减少未来出现污染的可能性。