基于改进DRASTIC模型的高氟地区地下水脆弱性评价

雷 敏，姜纪沂，孙 磊，龚建师，王赫生，周锴锷

(1. 防灾科技学院，北京 101601；2.辽宁省矿产勘察院有限责任公司，辽宁 沈阳 100030；3.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏 南京 210016)

氟以微量成分存在于生物体内，是维持骨骼正常发育的重要成分。饮用水中氟含量过低(小于0.5mg/L)或者过高(大于1.0mg/L)都会对身体健康造成影响，长期饮用此类水，会导致骨、齿病变，表现为“氟骨病”、“氟斑牙”等病症[1]。我国高氟浅层地下水主要分布在华北、西北、东北和黄淮海平原地区，包含了山东、河北、河南、天津、内蒙古等12个省份[2]。地下水是水资源十分重要的组成部分，占全国总资源量的1/3，全国657个城市，超过400个城市将地下水作为非常重要的饮用水水源，且地下水也广泛的用于工业和农业灌溉用水[3-6]。地下水污染具有一定的隐蔽性和难以逆转性。因此，地下水脆弱性评价是地下水污染防治工作的基础和关键，通过了解地下水系统本身的自然属性和人类活动特点对地下水质量之间的相互关系，从而预测地下水发生污染的潜在可能性以及污染的严重程度。

目前，国内外对地下水脆弱性评价方法应用最为广泛的是1987年Aller等提出的DRASTIC评价方法[7]，该方法的优点在于计算模型简单易懂，能够定量的分析影响污染物质运移的主要水文地质参数，但其评价因子的评分值和各因子的权重值均为专家赋值，具有局限性。国内外学者针对这一局限性从不同的角度探讨改进了DRASTIC方法，主要是依据评价区不同的水文地质条件和人类活动特征对评价方法进行相应的调整[8]。如付素蓉、王焰新等结合我国城市的实际情况，基于改进DRASTIC(DRAMIC)模型，对城市地下水污染敏感性进行评价分析[9]；Denny运用改进的DRASTIC模型(DRASTIC-Fm)对加拿大不列颠哥伦比亚省的海湾地区进行了浅层地下水的脆弱性评价[10]。

浅层地下水作为研究区重要的供水水源，居民大多使用潜水泵直接抽取浅层地下水做为生活饮用水和农业灌溉用水。一旦地下水遭受污染，将严重威胁到居民的健康和生活。笔者根据研究区的实际情况，对传统的DRASTIC模型进行改进，并基于层次分析法获取评价因子的权重，对研究区浅层地下水脆弱性展开评价。

1 评价区水文地质条件

研究区位于河南省鹿邑县辖区内，豫皖两省交界附近，总面积约400km2。该区属黄淮平原，淮河第二大支流涡河中游，地势西北略高，东南偏低，地形总体平坦开阔，但由于古河道交相沉积，黄河多次泛滥淤积，局部形成槽状和碟状洼地[11]。区内海拔37～46m，坡比为1/4500～1/6000。评价区属大陆性半湿润季风型气候，春秋干旱，夏热雨暴，多年平均降雨量为749.4mm，降雨年际间分配不均，7—9月降水集中，降水量占全年的63.3%～65.8%。评价区土地利用类型主要为农业用地，多分布为耕地。

该地区浅层地下水赋存于第四系冲积、冲湖积等松散沉积物孔隙中，在剖面上呈串珠式的透镜体分布，在平面上呈似脉叶状沉积构造特征。含水层岩性为褐黄色、青灰色的粘质砂土、粉细砂和细砂，局部含中砂。含水层顶板埋深5～15m，底板埋深38～50m，一般具有上细下粗的“二元结构”或者粗细相间的“多元结构”。 地下水具有无压-半承压性质。该层位地下水直接接受大气降水和地表水的入渗补给，消耗于蒸发、开采和向河流的排泄。浅层含水层地下水流向自西北向东南，水力坡度为0.012%～0.15%，地下水径流缓慢。通过野外水样采集以及室内实验分析可知，研究区浅层地下水氟含量大于1.0mg/L的水样数占采集总水样数的54%，氟含量最高值达2.24mg/L。

2 评价方法

2.1 评价因子体系

根据研究区的自然地理、水文地质条件以及人类活动特点等实际情况，对传统的DRASTIC模型进行了改进：增加了土地利用类型(L)、氟含量(F)两项评价因子，对于传统模型中的土壤介质(S)和地形坡度(T)两项评价因子，参考2012年河南省土壤资源数据集和1∶5万鹿邑县幅地形图已知研究区范围内土壤类型均为潮土且地形坡度取值均小于2%，两项评价因子的空间差异性小，因此本次脆弱性评价不考虑土壤介质和地形坡度。最终建立了基于地下水位埋深(D)、含水层的净补给量(R)、含水层的富水性(A)、包气带介质类型(I)、含水层累积厚度(C)、土地利用类型(L)、氟含量(F)为评价因子的DRAICLF模型。

(1)地下水位埋深(D)：地下水位埋深决定了污染物质进入含水层之前与包气带介质发生物理化学反应的时间。地下水位埋深值越大，污染物在包气带滞留的时间越长，发生衰减的可能性越大，地下水脆弱性越低[12]。

(2)含水层的净补给量(R)：通常情况下，补给量越大，其携带进入含水层的污染物质越多，地下水脆弱性越高。本文研究区浅层地下水净补给量主要为大气降水。

(3)含水层的富水性(A)：含水层的富水性能反映地下水对污染物质的稀释能力，当等量的污染物质进入含水层中，富水性强的区域，稀释能力强，污染物质浓度相对较低，地下水脆弱性低。

(4)包气带介质类型(I)：包气带是污染物质进入含水层的必经之路。其分选性越好、颗粒越细、粘粒含量越高，渗透性越差，吸附净化的能力越强，地下水脆弱性越低。本文采用加权平均法来计算包气带介质类型评分值：

(1)

式中，IR—包气带岩性加权平均评分值；Ii—包气带各岩层岩性的评分值；hi—各岩层的厚度。

(5)含水层累积厚度(C)：含水层的累计厚度表征了含水层的储水空间的大小，厚度越大，储水空间越大，地下水对污染物质的稀释能力越高，地下水脆弱性越低。

(6)土地利用类型(L)：土地利用类型可以反映人类活动对地下水质量的影响，研究区内土地利用类型主要为耕地、绿地和城乡居住地。耕地为研究区主要的土地利用类型，氮肥的使用量较大，对地下水造成污染的可能性越大，地下水脆弱性越高，绿地是人类活动较少的区域，地下水不易受到人为的污染，其地下水脆弱性较低。

(7)氟含量(F)：评价区存在高氟原生劣质高氟地下水，氟化物的含量越高，地下水的原生水质越差，对污染物质的接纳能力越小，地下水脆弱性越高。

各评价指标的评分标准见表1，评分图如图1所示。

2.2 指标权重

指标权重表征各指标之间的相对重要性，同一个指标在不用的区域对地下水脆弱性的影响不同。本文采用层次分析法确定指标权重，权重越大，对地下水脆弱性的影响越大，其计算步骤如下：

(1)对各指标两两之间进行比较判断，建立各指标间相对重要的7阶判断矩阵R。

(2)计算判断矩阵的特征值和特征向量，求出各指标的权重，见表2。

表1 DRAICLF模型评价因子评分标准

图1 DRAICLF模型各评价因子评分图

(3)进行一致性检验，CR=0，判断矩阵具有较好的一致性，故所得权重数分配合理[13-15]。

(2)

表2 层次分析法计算各因子权重

3 评价结果及讨论

本文应用ARCGIS10.2软件的地理分析功能将各个指标的评分矢量图进行图层叠加，得到各单元的地下水脆弱性评价指数。利用ArcGIS10.2的数据分类功能，选用自然间断点分级法将评价区按照地下水脆弱性评价指数划分为地下水脆弱性低、较低、中等、高、较高5个评价等级，得到研究区浅层地下水脆弱性分区图，如图2所示。

根据图2可知，研究区地下水脆弱性等级主要为中等，占总面积的35.6%；其次是地下水脆弱性等级较低和较高，两类分布的面积分别约占总面积的22.7%和27.6%；地下水脆弱性等级高的区域占总面积的8.8%；地下水脆弱性等级低的区域占总面积的5.3%。

评价区地下水脆弱性高的区域主要分布在邱集乡和玄武镇附近；地下水脆弱性较高的区域分布在研究区西部，鹿邑县城南部和贾滩镇北部；地下水脆弱性中等的区域主要分布在穆店乡、鸣鹿办事处以及贾滩镇附近；地下水脆弱性较低的区域主要分布在杨湖口镇和鸣鹿办事处附近，贾滩镇、穆店乡以及赵村乡周围零星分布；地下水脆弱性低的区域最小，多分布在杨湖口镇周围。

图2 研究区地下水脆弱性等级分区图

4 结语

(1)本文通过分析影响高氟地区浅层地下水质量的因素，在传统DRASTIC评价体系中增加了氟含量和土地利用类型两项评价因子，建立了符合高氟地区实际情况的地下水环境脆弱性评价模型(DRAICLF模型)，基于层次分析法确定各评价因子的权重，参考以往经验值结合区域实际条件，重新制定了评价因子评分标准。为高氟地区地下水环境脆弱性评价提供了新思路。

(2)利用ARCGIS软件绘制出研究区浅层地下水环境脆弱性评价分区图，结果表明：地下水脆弱性高的区域，其主要原因是土壤介质颗粒较粗，包气带综合岩性为细砂和粉土，渗透系数相对较大，有利于污染物质向下迁移，加上浅层地下水中的氟含量已经超标，使得地下水对污染物质的容纳能力减小，地下水环境更容易被污染。