刘春华, 张光辉, 王 威, 孟素花, 杨丽芝, 纪汶龙, 刘治政

1)中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061; 2)山东省地质调查院, 山东济南 250013; 3)山东省第一地质矿产勘查院, 山东济南 250014

区域地下水系统防污性能评价方法探讨与验证
——以鲁北平原为例

刘春华1, 2), 张光辉1)*, 王 威3), 孟素花1), 杨丽芝2), 纪汶龙2), 刘治政2)

1)中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061; 2)山东省地质调查院, 山东济南 250013; 3)山东省第一地质矿产勘查院, 山东济南 250014

区域地下水系统防污性能评价, 面临影响因子多又复杂、评价指标难以客观性选定和权重不易确定等难题, 以至严重影响评价结果的可信性。本文以鲁北平原为例, 在以往地下水脆弱性评价常用的DRASTIC模型基础上, 采用创新的迭置指数方法, 改进为“DRITCS法”, 选择地下水位埋深、包气带综合岩性、地表2 m内单层厚度大于0.5 m的粘土层厚、含水砂层厚度及其渗透系数、和地下水净补给量等因子, 组成区域地下水系统防污性能评价模型。合理地确定了区域地下水系统防污性能评价中关键指标——包气带粘性土层变化影响, 并在鲁北平原示范性应用和通过以面源污染为主的三氮污染现状验证的结果表明: 本文提出的方法能够客观地反映流域性相变造成的地下水系统防污性能空间差异性和区位分布特征, 具有较强的实用性。

区域地下水; 防污性能; 包气带; 粘性土层; 评价与验证

自 Margat(1968)提出“地下水脆弱性(Groundwater vulnerability)”以来, 国内外水文地质学家和有关研究部门都在试图客观表达“地下水脆弱性”(又名“防污性能”), 以便更好地利用和保护地下水。美国环保署(USEPA)和国际水文地质协会(IAH)提出, 地下水系统对人类活动或自然变化的有效敏感性具有固有脆弱性和特殊脆弱性之分, 前者表征地下水系统对污染和人类活动影响的内在固有敏感性,后者表征地下水对某一特定污染源或人类活动影响的脆弱性(张丽君, 2006)。

由于各个地区水文地质条件不同, 所以, 涌现出许多种地下水脆弱性评价方法。Foster方法(GOD 法)以地下水露头、包气带地层岩性和地下水位埋深作为主要评价指标, 在英国应用于水源地污染风险的地下水脆弱性评价中。Aller等(1987)提出的DRASTIC方法, 以地下水位埋深(D)、地下水净补给量(R)、含水层岩性(A)、土壤岩性(S)、地形坡度(T)、包气带影响(I)和含水层渗透系数(C)等作为主要评价指标, 在美国、加拿大、南非和欧共体等国家较广泛采用。但是, 该方法应用中各指标之间存在较多的重复性, 对评价结果具有一定的不确定性影响。

国内的地下水脆弱性研究始于 1996年, 欧盟与中国合作将DRASTIC方法推荐我国应用。我国学者曾从不同的角度, 探讨了“地下水脆弱性”各种方法(杨庆等, 1999; 钟佐燊等, 2005; 马荣等, 2011; 张翼龙等, 2012; 邹胜章等, 2014), 也发现了在平原区区域地下水脆弱性评价中, DRASTIC方法存在上述不足带来的明显影响。杨庆等(1999)直接利用DRASTIC法评价了大连市地下水易污性。雷静等(2003)在DRASTIC法的基础上, 增加了土壤有机质含量和地下水开采量等指标, 去掉了包气带岩性等3项指标, 在唐山平原区应用。范琦等(2007) 将DRASTIC法改进为DRUA模型, 在河北栾城地区进行了地下水脆弱性评价。严明疆等(2009)在研究了人类活动影响下地下水脆弱性演变特征基础上,完成了太行山前滹沱河流域平原区地下水脆弱性评价。孟素花等(2010)根据华北平原地下水脆弱性评价的需要, 将DRASTIC法精简为5项指标体系, 较成功地实现华北平原全区的地下水脆弱性评价。

但是, 如何合理确定包气带中粘性土层及其多层或厚度变化的影响, 以及如何确定各项指标权重等问题, 对区域地下水脆弱性评价具有不可忽视的影响。

从倡导地下水资源保护的出发点和易理解的角度, 本文将Groundwater vulnerability引申为“地下水系统防污性能”这一概念, 等同于 USEPA和IAH提出的地下水的固有脆弱性, 可以理解为土壤-岩石-地下水系统抵御污染物污染地下水的能力,不考虑人类活动和污染源的影响, 而只考虑水文地质内部因素, 突出“地下水系统防污性能”的表达,进一步完善了评价指标的选定和处理方法, 更为客观地反映了区域地下水系统抵御来自地表的污染物影响能力的空间分布状况。

示范研究区——鲁北平原, 位于华北平原东南缘, 地貌单元较为复杂, 自西南向东北依次为黄河冲积平原、冲积-海积平原、黄河三角洲和滨海平原等地貌单元(图 1), 包括黄河以北的全部山东省行政区域, 面积 3.2×104km2。多年平均降水量563.8 mm, 多年平均蒸发量1785.1 mm。区内地下水补给源, 主要为大气降水、地表水和灌溉水; 地下水的主要排泄途径为蒸发和开采, 蒸发量和开采量占到地下水总排泄量的 99%。包气带岩性, 多为结构松散、渗透性良好的粉土。浅层地下水含水岩组以第四系松散岩类的细砂、粉细砂等为主, 地下水水位埋深0.5～25 m, 地下水流向自西南向东北流动(杨丽芝等, 2011, 2013)。

图1 研究区地貌简图Fig. 1 Landscape characteristics of the study area

1 区域地下水系统防污性能评价方法

根据区域地下水流和污染质运移参数的影响因子空间变化特征, 提出迭置指数方法, 改进DRASITC评价模型为DRITCS法, 如式(1)所示:

即, 对每个评价因子进行评分(Fj)后, 分别加权(权重Fjw)求和, 由此获得地下水防污性的评价指数(DDRITCS)。

式(1)中, 各项评价因子的意义如下:

D为地下水位埋深: 是指地表至潜水面的深度,它决定污染物到达含水层的时间以及污染在到达含水层前与周围物质接触发生各种反应的时间。地下水水位埋深愈大, 污染物达到地下水中所需时间愈长, 降解、吸附等作用愈充分, 地下水防污性能愈好。

R为地下水净补给量: 是指地下水总补给量减去潜水蒸发量、开采、越流及侧向流出量, 它是污染物进入地下水的载体和动力, 补给量愈大, 能够溶解带入地下水的污染物愈多, 地下水受污染的可能性就愈大, 地下水防污性能愈差。

I为包气带综合岩性: 它是地表污染物通过包气带进入地下水中能力的重要影响因素。粘性土层愈多或愈厚, 入渗系数越小, 地下水防污性能愈强。本研究中采用, 由式(2)处理包气带岩性状况。

式中, A为包气带岩性加权平均评分值; Ai为计算层段内不同岩层的评分; Hi为计算层段内各岩层厚度, 计算层段为地面至地下水面。

T为含水层中砂卵砾层的累积厚度: 主要反映地下水储存空间的大小。厚度愈大, 储水空间愈大,稀释能力愈强, 地下水防污性能愈高。

C为含水层渗透系数: 主要影响地下水流动速度。渗透系数愈大, 在含水层中污染物传播速度愈快, 地下水防污性能愈差。

S为地表以下2 m内、单层厚度大于0.5 m的粘土层总厚度: Stephen(1995)研究表明, 地表以下土壤因为有较高的粘土矿物和有机质因此利于污染物的衰减和消除, 故而对来自地表的污染物具有很好的阻隔作用; 研究区土壤层厚度 1.5～2 m, 研究区包气带综合岩性(评价指标I)以粉土为主, 因此增加地表以下2 m内、单层厚度大于0.5 m的粘土层总厚度正好弥补用包气带综合岩性代表包气带影响因子的缺陷。

应用上述方法, 在鲁北平原开展区域地下水防污性能评价中, 以浅层地下水为主体, 含水层底板埋深不大于80 m。地下水位埋深(D)、地下水净补给量(R)、含水层砂卵砾累积厚度(T)与渗透系数(C)评分分级与标准, 如表 1所示。包气带综合岩性(I)评分分级与标准, 如表2所示。地表以下2 m内、单层厚度大于0.5 m的粘土层总厚度(S)评分分级与标准, 如表3所示。

应用基于层次分析的迭置指数方法, 确定计算各个评价单元的各项评价因子的权重, 结果如表 4所示。

DRITCS评价模型针对平原区地下水系统特点, 与DRASTIC评价模型从评价指标、评分、权重上均进行了改进(表5)。

表1 DRITCS法评价指标评分表Table 1 Ranges of ratings for DRITCS factors

表2 包气带综合岩性评分表Table 2 Ranges of ratings for lithology of the vadose zone

表3 粘土层厚度评分表Table 3 Ranges of ratings for thickness of clay

表4 层次分析法计算各指标权重结果Table 4 Weight of evaluations from AHP results

研究区地势平坦, 地形坡度差异小; 含水层只有第四系细砂和粉细砂; 地下水位埋藏浅, 土壤类型与包气带综合岩性近似, 因此评价指标去除了地形影响、用含水砂层厚度代替含水层的岩性、用粘土层厚度代替土壤类型; 其次是各项评价指标的权重通过层次分析法确定, 而 DRASTIC模型各项评价指标的权重是固定不变的。

在区域地下水防污性能评价中, 由式(1)获得的DDRITCS值愈大, 表明被评价单元的地下水防污性能愈差; DDRITCS值愈小, 表明被评价单元的地下水防污性愈好, 愈不容易受到来自地表污染物的影响。根据 DDRITCS值的大小和野外效验结果, 将地下水防污性能评价结果划分为5个级别: 防污性能好、防污性能较好、防污性能中等、防污性能较差和防污性能差。

表5 DRASTIC模型和DRITCS模型的差异Table 5 Difference between DRASTIC model and DRITCS model

2 DRITCS法应用评价结果与验证

2.1 评价结果

根据上述评价方法、评价指标体系、评价结果分级标准和应用计算结果, 得到鲁北平原区域地下水防污性能特征分布图(图2)。从图2可见, 全区地下水防污性能主要为较差和中等, 2类分布面积占总面积的 86%, 其中防污性能较差区面积占总面积的 58%; 其次是防污性能较好区, 分布面积占总面积的 10%; 地下水防污性能好和地下水防污性能差分布面积分别占总面积的2%。

图2 基于DRITCS方法的区域地下水防污性能状况分布图Fig. 2 Distribution of regional groundwater vulnerability based on DRITCS method

研究区地下水的防污性能受浅层地下水埋深和包气带综合岩性影响最大, 其次是净补给量。整体趋势上从南部黄河沿线往西北地下水防污性能逐渐由差、较差过渡到中等、较好, “防污性能差”区主要分布在黄河沿岸包气带综合岩性为粉土、浅层地下水埋深小于 4.6 m、同时净补给量大于235 mm/a的区域; “防污性能较差”区主要分布在包气带综合岩性为粉土同时浅层地下水埋深小于4.6 m区域。防污性能好的区域地下水位埋深基本上大于4.6 m, 局部地区超过22 m, 如冠县漏斗和宁津漏斗; 局部地区是地下水位埋深小于4.6 m, 但区域包气带综合岩性为粉质粘土的区域。

2.2 评价结果验证与分析

为检验DRITCS方法评价结果的可信性, 利用野外调查和地下水采样, 了解地下水污染现状, 对评价结果进行验证。2006—2009年, 在区内调查并采集浅层地下水无机和有机分析样品1084组(点)。分析结果显示, 鲁北平原浅层地下水呈现三氮、重金属(刘春华等, 2013)的人为污染特征, 个别地方检出有机物污染物。三氮污染呈现面源污染状态, 污染源荷载相对均匀; 重金属和有机物污染呈点状分布特征, 污染源荷载表现出极不均匀的特征。因此,采用已形成面源污染的三氮污染评价结果, 作为区域地下水防污性能评价结果的验证标识。

在研究区内, 三氮污染点 539组, 占样品总数的 49.7%。氨氮(NH3-N)污染点占 8%, 亚硝酸盐氮(NO2-N)污染点占30%, 硝酸盐氮(NO3-N为)污染点占25%。

利用MapGIS点对区相交分析, 将浅层地下水的三氮污染情况和地下水系统防污性能评价结果进行空间叠加, 得到表 6所示结果。从表 6可见, 鲁北平原浅层地下水防污性能“好”和“较好”的区域, 地下水中三氮污染点数分别占总样品数的 30% 和 35.2%, 明显低于防污性能“中等”、“较差”和“差”的区域, 这些区域的地下水中三氮污染点数分别占总样品数的55%、51.6%和48%。

由于地下水的污染尤其是三氮污染不是长时间累积造成, 而本次鲁北平原地下水系统防污性能评价所采用的评价数据如地下水位埋深均采用的现状数据, 所以也出现了现状条件地下水位埋深超过22 m、地下水防污性能好和较好的地区出现仍然出现三氮污染点。尽管如此, 防污性能不同三氮污染点比例不同的对比效果仍然比较明显。

在不同等级的地下水系统防污性能分区内, 三氮污染点检出率明显不同。随着地下水防污性能等级的提高, 地下水三氮污染检出点所占比率明显增大的事实表明, 利用DRITCS方法评价区域地下水防污性能具有较高的可信性和客观真实性。这也表明, 本文提出的评价方法和评价指标处理方法, 适宜平原区区域地下水系统防污性能评价。

表6 地下水防污性能分级与三氮污染比例对比Ta ble 6 Groundwater vulnerability grading in comparison with scale of nitrogen pollution

3 结语

从鲁北平原地下水防污性能评价结果和三氮污染评价结果对比看出, 利用DRITCS模型评价鲁北平原地下水防污性能效果较好, 评价因子选择和权重分配合理, 地下水防污性能好的区域地下水三氮污染比例小, 地下水防污性能中等到差的区域地下水三氮污染比例高。污染源荷载相近条件下地下水防污性能好的区域地下水三氮污染比例是地下水防污性能中等到差区域的54%～62%。影响鲁北平原地下水防污性能好坏的因子从影响程度从大到小依次为地下水位埋深、包气带综合岩性、净补给量、渗透系数、含水砂层厚度、2 m 内单层厚度大于0.5 m的粘土层总厚度。

DRITCS模型评价方法各指标容易获取, 评价结果得到了污染现状较好的验证, 对于平原区开展地下水系统防污性能评价具有示范意义。

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The Method for Regional Groundwater Vulnerability Assessment and the Verification of the Assessment Results: A Case Study of the Northern Shandong Plain

LIU Chun-hua1, 2), ZHANG Guang-hui1)*, WANG Wei3), MENG Su-hua1), YANG Li-zhi2), JI Wen-long2), LIU Zhi-zheng2)
1) Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061; 2) Shandong Institute of Geological Survey, Jinan, Shandong 250013; 3) No. 1 Institute of Geology and Mineral Resource Exploration of Shandong Province, Jinan, Shandong 250014

In regional groundwater vulnerability assessment, the impact factors are multiple and complex, and hence it is difficult to determine the evaluation system and the weights of factors objectively. This problem has affected the credibility of the assessment results. Selecting the Northern Shandong Plain as the study area, the authors used innovative overlay and index method. The conventional DRASTIC model was improved and converted into DRITCS model to evaluate groundwater vulnerability. The evaluation factors of DRITCS model included the groundwater depth, integrated lithology of the aeration zone, thickness of clay layer with the thickness of a single layer over 0.5 m within 2 m of land surface, aquifer thickness, permeability coefficient, and net recharge. A key factor in groundwater vulnerability assessment was determined reasonably, which represented the changes of the clay layer in the aeration zone. The DRITCS model was used to evaluate the groundwater vulnerability in northern Shandong plain as an example and was verified by nitrogen pollution statusof the study area. The verification of groundwater vulnerability assessment results of northern Shandong plain indicates that the proposed method can reflect objectively the spatial differences and regional distribution characteristics of groundwater vulnerability caused by phase transition of the basin. It is proved that the DRITCS Model has good practicability.

regional groundwater; vulnerability; aeration zone; clay layer; assessment and verification

X523; X820.6

A

10.3975/cagsb.2014.02.14

本文由国家自然科学基金项目(编号: 41172214)和中国地质调查局地质调查项目(编号: 1212010634603)联合资助。

2013-09-25; 改回日期: 2013-11-06。责任编辑: 张改侠。

刘春华, 女, 1981年生。工程师, 博士研究生。主要从事水循环与水土保持研究工作。通讯地址: 250013, 山东省济南市历下区建新南路35号。电话: 0531-86559973。E-mail: chunhua_liu321@126.com。

*通讯作者: 张光辉, 男, 1959年生。研究员, 博士生导师。主要从事水文地质环境地质研究。通讯地址: 050061, 石家庄市中华北大街268号。E-mail: huanjing59@163.com。