湛 江，屈吉鸿

(华北水利水电大学，河南郑州 450000)



地下水脆弱性评价指标体系的建立

湛 江，屈吉鸿

(华北水利水电大学，河南郑州 450000)

综合前人的研究成果，特别是总结近年来国内外学者提出或改进的模型，提出4项建立指标体系的基本原则，即重要性、独立性、差异性和可操作性。并举例说明其应用，证明该原则有助于评价区域内地下水脆弱性。

地下水脆弱性;影响因素;指标体系

自1968年Margat提出“地下水脆弱性(Groundwater vulnerability)”的概念以来，经过国内外专家学者几十年的不断研究，地下水脆弱性的内涵不断延伸，地下水脆弱性的评价方法不断丰富。地下水脆弱性的影响因素很多，如包气带、含水层，还有人类活动因素。地下水脆弱性的评价方法主要包括迭置指数法、过程模拟法、数理统计法和模糊综合法，其中迭置指数法应用最广泛。在实际研究中，由于资料匮乏，各因素之间存在相互作用等问题，要建立一个全面、客观且有效的评价指标体系是一项艰巨的工作，也是地下水脆弱性评价工作的关键。目前学术界缺乏一套规范的地下水脆弱性评价准则。笔者总结近年来国内外学者提出或改进的模型，建立了地下水脆弱性评价指标体系。

1 地下水脆弱性的概念和发展

地下水脆弱性指地下水被污染的可能性。由于影响因素的复杂性和研究水平的局限性,各国的水文地质学家从不同角度根据各国的实际情况,对地下水脆弱性概念进行了不同的释义。比较公认的是美国环保署(EPA)和国际水文地质学家协会的定义:“地下水脆弱性是地下水系统对人类和(或)自然的敏感性”[1]。地下水脆弱性分为本质脆弱性和特殊脆弱性，前者主要考虑自然因素，后者主要考虑人为因素。地下水脆弱性主要考量自然环境因素(各类水文地质条件)对地下水的影响。随着研究的深入，学者将人类活动因素考虑进来，一方面，由于人类活动影响了地下水系统，另一方面，由于自然因素的不可抗力，单纯评价自然因素的影响对于地下水保护无意义。因此，近10多年来，地下水脆弱性的评价倾向于综合评价。

2 地下水脆弱性评价方法

目前，地下水脆弱性评价方法主要有迭置指数法、过程模拟法、数理统计法和模糊综合评价法4种。其中迭置指数法是应用最广泛、最易被人们接受的一种方法。迭置指数法是指对选取的评价参数的分指数进行迭加形成一个反映脆弱程度的综合指数，再由综合指数进行评价。过程模拟法是指在地下水和污染物运移模型的基础上，建立一个脆弱性评价数学公式，将评价因子定量化后，得到区域脆弱性综合指数。数理统计法是指在分析处理各类水化学数据的基础上，运用数理统计进行数值模拟或建立模型的评价方法。模糊综合评价法是指以模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化进行综合评价，解决多指标综合问题。除过程模拟法外，其他3种方法都需要建立一个指标体系来评价地下水脆弱性。

图1 地下水本质脆弱性评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of intrinsic groundwater vulnerability

图2 地下水特殊脆弱性评价指标体系Fig.2 Evaluation index system of forced groundwater vulnerability

3 地下水脆弱性评价指标体系和模型

3.1 地下水脆弱性评价指标体系 地下水脆弱性评价指标体系即评价地下水脆弱性的各种影响因素，如自然因素中的地形、气候、包气带和含水层等，人为因素中的地下水开采、土地利用和污染负荷。地下水本质脆弱性和特殊脆弱性评价指标体系见图1和2。

3.2 地下水脆弱性评价模型 迭置指数法分为水文地质背景参数法(HCS)和参数系统法。前者通过一个与研究区有类似条件的已知脆弱性标准的地区比较确定研究区的脆弱性，且多为定性或半定量化评价。参数系统法分为矩阵系统(Matrix Systems，MS)、标定系统(Rating Systems-RS)、计点系统模型(Point Count System Models,PCSM)3种。MS方法是以定性方式对研究区各单元的脆弱性进行评价,后2种方法则是以定量(数值化)方式进行评价。二者区别在于综合指数的计算方法不同。RS方法的综合指数是由各参数的评分值直接相加而成,而PCSM法的综合指数值则是各参数评分值和各自赋权的乘积迭加得到,又称权重-评分法。RS方法中常见的评价模型有GOD、AVI和ISIS，PCSM方法中常见的评价模型有DRASTIC、SINTACS、SEPPAGE、EPIK等[2]。早期研究主要侧重于本质脆弱性[3]。1987年美国环保署(EPA)[4]提出DRASTIC评价方法，并将其应用于美国、加拿大以及欧共体成员国等，几十年来取得显著成效。

DRASTIC模型选取7个因子进行评价，即地下水位埋深(Depth of water-table)、净补给量(Net recharge)、含水层介质(Aquifer media)、土壤介质(Soil media)、地形坡度(Topography)、包气带影响(Impact of the vadose)、水力传导系数(Hydraulic conductivity of the aquifer)。

I=rdwd+rrwr+rawa+rsws+rtwt+riwi+rcwc

(1)

式中，I为综合指数，r为因子评分，w为因子权重。

随着研究的发展，国内外又不断发展了其他模型，比较有代表性的有GOD和EPK等。部分本质脆弱性评价模型见表1[5]。

表1 部分本质脆弱性评价模型

我国地下水脆弱性研究起步较晚，但发展很快，特别是在迭置指数法的基础上，学者们总结了DRASTIC的优缺点，对该模型不断改进，多数加入了特殊脆弱性因素。雷静[7]提出了ODCTRE模型，刘仁涛[8]提出了DRASCLP模型(表2)。

4 指标体系的建立原则与方法

4.1 指标体系的建立原则

4.1.1 重要性。重要性是指在选择影响因素(评价指标)时，应首先选择对地下水脆弱性影响较重要、选择较为普遍的指标。如在本质脆弱性中，土壤、包气带、含水层和气候(补给)因素对地下水影响最为直接，尤为重要，因此几乎所有的指标体系都包含土壤介质(S)、地下水位埋深(D)、净补给量(R)等指标。另外，重要性还有一层含义，即在评价特殊区域地下水脆弱性时，应着重选取代表地区特点的影响因素。如在评价岩溶地区的地下水脆弱性时，应选择岩溶发育程度(E)作为一项指标；在评价线状污染带地下水脆弱性时，应重点考虑将河流补给作为一项影响因素；在评价干旱地区地下水脆弱性时，由于降雨量稀少，故将影响地表径流的因素作为地下水的主要胁迫因子[12]。

表2 国内部分地下水脆弱性评价模型

4.1.2 独立性。独立性是指影响因子之间的关联程度，在选择评价指标时，应尽量选择关联程度低的指标。很多指标之间的关系错综复杂,且存在协同和拮抗等作用。如含水层的水动力传导系数与含水层岩性密切有关[3]，而渗透系数(降水和污染物的入渗能力)和净补给(富水性)之间存在拮抗作用，污染物进入含水层又会被稀释。为保证指标体系中各评价指标的相对独立性,可对评价指标体系进行相关性分析[8]。

4.1.3 差异性。差异性是指在评价某个指标的作用时，要考虑选取评价区域内不同地区具有差异性的指标。目前国际和国内尚无统一的地下水脆弱性评价规范，地下水脆弱性是一个相对的概念。因此，若某指标在评价区域内不具有差异性，地下水脆弱性无任何意义。如在评价平原区地下水脆弱性时，通常会舍弃地形坡度(地形因素)这一指标，因为平原区内地势平坦，起伏很小，基本不具有差异性，可以忽略。需要注意的是，尽管有些因子不具有差异性或差异性很小，但这些因子很重要，不能舍弃。如在某岩溶地区，虽然可能会出现岩溶发育程度较为均匀的情况，但作为重要因子，不能忽略其影响。

4.1.4 可操作性。 可操作性是指在实际操作中由于缺少资料或实际指标难以获得，需要使用一些指标代替数据进行评价。如使用土壤有机质含量来表征土壤对地下水脆弱性的影响。在考量含水层因素时，由于很多地区含水层的导水系数难以获得，在一些情况下可以使用单井涌水量来代替。同时，该原则也是选择特殊脆弱性指标的指导思想。如在评价大区域地下水脆弱性时，使用人口密度来代替地下水使用率。由于河流侧向补给量数据难以获得，可以考虑将沿河岸的垂直距离作为衡量线状污染带地下水的重要因素。

4.2 指标体系的建立方法 指标体系的建立方法应遵循先“海选指标”再“甄别指标”再“补充指标”的思想，结合4条基本原则，具体问题具体分析，建立一套较为完善的地下水脆弱性评价指标体系(图3)。

图3 地下水脆弱性评价指标体系建立途径Fig.3 The roadmap of index system

5 结论与展望

选择影响因素、建立指标体系是评价地下水脆弱性的第一步，关系到评价成功与否。然而要建立一个包含所有指标的庞大体系是不可能和不现实的。该研究提供的4条基本原则有助于建立全面且客观的指标体系，但在应用时要具体问题具体分析。一方面，由于我国国土面积巨大，自然和人为因素复杂多样，评价区域内地下水脆弱性较困难。另一方面，地下水脆弱性缺乏标准规范，研究者的主观性太强。希望研究者们可以制订一套规范化的地下水脆弱性评价准则。

[1] 张丽君.地下水脆弱性和风险性评价研究进展综述[J].水文地质工程地质,2006(6):113-119.

[2] 滕彦国，苏洁，翟远征，等.地下水污染风险评价的迭置指数法研究综述[J].地球科学进展，2012(27)：1140-1147.

[3] 姜桂华.地下水脆弱性研究进展[J].世界地质,2002,3(1):33-38.

[4] ALLER L T,BENNETT T,LEHR J H,et al.DRASTIC: A standardized system for evaluating groundwater pollution potential using hydrogeologic settings[J].Journal of the geological society,1987,29(1):23-27.

[5] 滕彦国,苏洁,翟远征，等.地下水污染风险评价的迭置指数法研究综述[J].地球科学进展,2012(27):1140-1147.

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[7] 雷静.地下水环境脆弱性研究[D].北京：清华大学,2002.

[8] 刘仁涛.三江平原地下水脆弱性研究[D].哈尔滨：东北农业大学,2007.

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[10] 王存政,徐海红,刘怡，等.北京近郊区浅层地下水污染综合脆弱性动态评价研究[J].监测与评价,2014(12):109-112.

[11] 李琦.陕北风沙滩地区地下水脆弱性评价及“三氮”对地下水污染的数值模拟[D].西安：长安大学,2009.

[12] 马金珠,高前兆.干旱区地下水脆弱性特征及评价方法探讨[J].干旱区地理,2003,26(1):45-49.

Establishment of Groundwater Vulnerability Index System

ZHAN Jiang,Qu Ji-hong

(North China University of Water Resources and `Electric Power, Zhengzhou,Henan 450000)

Based on the former research results, especially summary in recent years the domestic scholars proposed or improved model,four basic principles for establishing the index system were put forward, namely, the importance, independence, difference and maneuverability. And an example was given to illustrate its application, which proves that the principle is helpful to evaluate the vulnerability of groundwater in the area.

Groundwater vulnerability; Influencing factors; Index system

水利部公益性行业科研专项(201501008)。

湛江(1992- )，男，河南义马人，硕士研究生，研究方向：地下水利用及环境水文地质。

2016-08-17

S 181

A

0517-6611(2016)28-0059-03