韩德村, 彭　慧, 文美霞

(湖北省地质环境总站,湖北 武汉　430034)

0　引言

东西湖区(图1)地处长江左岸,位于武汉市西北部,汉江、府河、长江三大地表水系环绕,拥有丰富的地下水资源。本文以东西湖区第四系上更新统孔隙承压含水层为例,通过地下水系统防污性能研究,讨论人类工程活动与地下水污染之间的关系,研究污染源的位置以及可能存在的污染风险,评价承压含水层的潜在污染性[1],帮助地下水资源管理者和决策者有效地制定地下水资源保护战略和措施,科学指导地下水的合理开发与利用。

图1　研究区地理区位置图(蓝色虚线范围为东西湖区)Fig.1　Geographical location of study area

现有的地下水脆弱性评价模型大多针对浅层地下水[2],而且模型多半是经验或半经验的[3],模型中的一些指标之间存在相关性。针对承压含水层脆弱性评价的模型[4]也主要借鉴DRASTIC模型的思路建立,无法反映出污染物由于越流进入承压含水层的物理机制。因此有必要根据越流区污染物进入承压含水层的途径,选取承压含水层脆弱性指数构建评价模型。

1　含水层特征

东西湖区全新统含水层与上更新统含水层之间有一厚度约10～20 m的粘土、亚粘土阻隔(图2),表明东西湖区一级阶地全新统含水层与上更新统含水层之间水力联系并不密切。上更新统含水层补给来源主要有大气降水，顺上覆弱透水层入渗越流补给和下伏新近系裂隙承压含水层越流补给。地下水径流方向主要为向下和南北两侧径流,排泄以人工开采为主。

上更新统含水层测压水位受啤酒厂和畜牧业用水集中开采影响,表现为人工动态型,在生产生活用水大量集中的区域,各自形成降落漏斗。据以往啤酒厂生产井监测资料显示,5—9月份啤酒厂生产高峰期,漏斗中心水位标高降至-3.08 m,距中心2 km处监测孔水位标高13.75 m;10月份以后生产规模缩小,地下水位则渐渐回升。

2　承压含水层DRASTIC模型建立

研究区孔隙承压含水层受到污染主要是由于人工开采承压水导致水头下降,诱发弱透水层中的污染物通过越流进入承压含水层造成的。因此,承压含水层的防污性能取决于承压含水层自身的属性、弱透水层的属性以及人类活动对含水层的影响[4],承压含水层应评价其综合防污性能。通过建立承压含水层DRASTIC评价指标体系进行评价(图3)。

模型中每个指标都分成几个区段(对于连续变量)或几种主要介质类型(文字描述性指标)。每个区段根据其在指标内的相对重要性,赋予一个评分值,各指标的评分范围为1～10,其影响越大,相对应的分值也就越高。最重要的一点是,每个指标应根据其对防污性能影响的重要性赋予一个相应的权重,其值为1～5,影响最大的因子权重设为5,而影响程度小的因子权重设为1。DRASTIC模型中权重的赋值分为一般适用条件和农田喷洒农药两种情况。最后,防污性能指数(Di)为上述七个指标的加权总和。Di可以用以下公式表示:

图2　东西湖区青松村—遮湖岗全新统孔隙承压水含水岩组水文地质剖面图Fig.2　Hydro-geologic profile of rock groups with water content in Qingsong village1.亚砂土;2.亚粘土;3.粘土;4.中细砂;5.粗砂;6.砂砾石;7.砂岩;8.粘土岩;9.钻孔及地下水位。

图3承压含水层防污性能评价指标体系
Fig.3Evaluation index stystem of antifouling capability of confined aquifer

(1)

式中:Di为防污性能指数,量纲为1;Wj为因子j的权重,量纲为1;Rj为因子评分,量纲为1。

根据防污性能指数(Di),可以对地下水防污性能进行分区。一般来说,防污性能指数越大,地下水防污性能越差。为了便于解释,根据最后得到的指数大小,将防污性能分为几个等级:好,较好,中等,较差,差。

针对此次研究区的实际情况,直接应用DRASTIC指标体系进行评价,存在如下问题:

研究区的地下水类型是第四系孔隙承压水,而DRASTIC模型主要是应用于第四系松散岩类孔隙水潜水,虽然在应用DRASTIC模型对承压含水层进行评分时作了有些补充说明,但是潜水与承压水仍然是差别很大的两类含水层,其防污性能的影响因子也不同。显然,把这两类含水层放在一起,用同一种指标体系来评价是不合适的。

因此,本次对研究区的评价指标在继承DRASTIC基本思想和模型的基础上,针对研究区的实际情况,对DRASTIC指标体系进行了改进,建立了适用于第四系孔隙承压水的评价指标体系。

基于DRASTIC指标体系,依据上述四个原则,结合研究区的实际条件,分析得出以下影响承压水防污性能的影响因素。

3　指标选取与评分标准

3.1　指标选取原则

3.1.1系统性原则

指标体系尽可能全面反映研究区的自然因素与人为因素对地下水防污性能造成的影响,应避免指标之间的重合,评价目标与指标必须有机地联系起来,组成一个层次分明的整体。

3.1.2客观性原则

指标体系要建立在对研究区地下水防污性能分析研究的基础上,多方面征求相关专家的意见,通过反复试验和实践中不断地调整和修改;其次,要保证数据的可靠性、准确性以及数据处理方式的科学性;最后,指标的物理意义必须明确,分析、统计和计算方法要规范。指标要能反映研究区地下水防污性能的含义和目标的实现程度。

3.1.3可操作性原则

指标体系应是简易与复杂的统一,过于简单不能反映评价对象的内涵,对结果精度产生影响；过于复杂则不利于评价工作的开展,在保证精度的前提下,指标体系的难易适中,有利于应用。同时还要考虑指标质量等级量化及数据采集的难易程度和可靠性。

3.1.4主导性原则

防污性能评价指标必须具有代表性,选择对地下水防污性能起主导作用的指标,以保证指标的真实性、可操作性和可实现性。

3.2　指标选取与评分标准

3.2.1弱透水层岩性L弱

由于污染物随地表水入渗经过弱透水层越流到含水层时产生了一系列的物理、化学和生物作用,可以显著降低污染物浓度,从而有效的阻隔污染物质向下迁移。因此,弱透水层垂向渗透系数越小(研究区弱透水层岩性对应渗透系数),则地下水防污性能越强;反之,则地下水防污性能越弱。本次评价选取弱透水层岩性作为弱透水层影响地下水防污性能的主要因子之一。本指标评分采用10分制,评分越高,防污性能越好;反之,防污性能越差(表1)。

表1　弱透水层岩性评分表Table 1　Marking table of weak aquifers

3.2.2承压含水层岩性L承

含水层岩性决定了渗透系数的不同,也影响可水流中污染物的吸附、扩散、弥散等作用,是影响承压含水层防污性能的一个重要因子。评价针对的研究区主要开采的第四系上更新统青山组(Qp3q)孔隙承压含水层的岩性有以下三种:含砾中粗砂、中粗砂、细砂。本指标评分采用10分制,评分越高,防污性能越好;反之,防污性能越差(表2)。

表2　承压含水层岩性评分表Table 2　Marking table of lithology of confined aquifers

3.2.3弱透水层厚度T

这里是是指承压含水层上部的粘土或粉质粘土等的厚度。一般情况下,弱透水层厚度越大,污染物就越难进入含水层,水质就越难变差,防污性能就越好;反之防污性能越差。确定该评价指标的等级划分区间和评分见表3。

表3　弱透水层厚度分级评分表Table 3　Marking table of thickness classification of weak aquifers

3.2.4潜水与承压水水头差

潜水与承压水水头差反映的是人类开采地下水的强度。其差值的大小反映了污染物进入承压含水层驱动力的大小,差值越大,污染物进入含水层的驱动力就越大,地下水防污性能越差,反之,地下水防污性能越好。根据研究区2013年8月潜水与承压水水头之差,绘制出差值等值线,确定该指标等级划分区间和评分见表4。

表4　潜水与承压水水头差分级评分表Table 4　Marking table of classification of head difference ofdiving and confined water

4　评价结果

4.1　评价指标定权

本次评价指标的权重确定,采用的是专家打分法。

专家打分法实际上是经验估计法与意义推求法的综合。前者是指不说明任何定权的理由和根据而直接给出权值的一类方法,其特点是无任何说明而直接定权;后者是讲明定权时考虑问题的具体根据、依据的意义等再直接给出权值的方法,其特征是有抽象说明而无具体定权过程和方法。专家打分法即是由少数专家直接根据经验并考虑反映某评价观点后定出权重。

4.2　评价结果表达

将每个评级指标按照第四节中的评分标准进行评分,评分范围均为1～10;每个评价指标按照上述权重定权,最后四个评价指标加权综合,得到的值记为Di。

Di=L弱×5+L承+T×5+H×2

(2)

4.3　评价结果

将各评价指标进行属性叠加,得到一个具有各个评价指标属性的区文件,在区文件中增加一个新的属性,记为地下水防污性能指数,其结果按照式(2)进行计算,最终统计得到东西湖区地下水防污性能指数在49～121之间。结合防污性能等级划分原则(表5),将研究区划分为四个等级,即防污性能好、防污性能较好、防污性能较差、防污性差。

表5　防污性能等级划分Table 5　Grade classification of antifouling capability

研究区各防污性能指数等级所占面积比例,如图4所示。

图5　研究区地下水防污性能分区图Fig.5　Zone map of groundwater antifouling capability of study area1.防污性能好；2.防污性能较好；3.防污性能较差；4.防污性能差。

图4　研究区地下水防污性能统计图Fig.4　Statistical graph of groundwater antifouling capability of study area

根据计算出来的Di,从实用角度出发,将评价结果分级,并作出结果等级分区图即武汉市东西湖区第四系上更新统孔隙承压含水层防污性能分区图。研究区地下水防污性能分区图,如图5所示。

5　结语

(1) 选取弱透水层岩性、弱透水层厚度、承压含水层岩性和潜水与承压水水头差四个影响因素评价指标是对DRASTIC模型的一个重要优化,使之能够应适用于承压含水层防污性能评价。

(2) 在评价指标中,承压含水层顶板(弱透水层或相对隔水层)厚度这项指标非常关键,厚度越大,防污性能相对越好。当考虑污染物来至地表的情况下,一旦承压含水层存在补给天窗,含水层的防污性能则为极差。

参考文献：

[1]孟宪萌，等.越流区承压含水层特殊脆弱性评价模型[J].清华大学学报：自然科学版，2010,50(6)：844-847.

[2]孙才志,潘俊.地下水脆弱性的概念、评价方法与研究前景[J].水科学进展,1999,33(4):444-449.

[3]Gogu R C,Dassargues A.Current trends and futurechallenges in groundwater vulnerability assessment usingoverlay and index methods[J].Envir Geology,2000,39(6):549-559.

[4]徐明峰,李绪谦,金春花,等.尖点突变模型在地下水特殊脆弱性评价中的应用[J].水资源保护,2005,21(5):19-22.