大凌河地下水脆弱性评价

徐 桐

(辽宁省锦州水文局，辽宁 锦州 121000)

0 引 言

大凌河流域经济发达且径流区人口比较稠密，商业贸易往来频繁正处于经济快速发展期，水资源问题在不同生活方式与多重发展模式下日趋突出[1]。随着城镇规模的不断扩大、人口数量的增多和经济的发展，大凌河水资源紧缺问题日趋突出，尤其是近年来降水量的减少和各行业用水量的急剧增大，在水资源供给系统中地下水资源的重要性地位日渐显现。然而，流域水资源的过度开发利用致使地下水位持续下降，尤其是地下水开采量大、集中供水的阜新市地区，经过长期的发展逐渐形成了埋深为12m、面积约为480.56km2的地下水漏斗。另外，地下水受农业施肥、生活污水、工业废水等因素影响，水环境质量和承载力水平逐年下降。从不同比例尺的角度许多学者开展了水文地质相关研究，如1∶2.5万、1∶10万、1∶20万的水文地质勘察等，为解决当地水资源供给紧张、地下水质量恶化防治和区域水量评价等提供了决策依据[2-7]。因此，通过评价区域地下水脆弱性识别高风险易污染区，对于地下水的科学管理、水环境保护及水资源合理开发利用，促进经济社会与水资源的协调可持续等具有重要的现实意义。

1 地下水脆弱性影响因素

1.1 流域概况

大凌河位于辽宁省西部，流域内经济增长速度较快且景观变化剧烈，属于辽宁省经济发展和农业生产的重要区域。河流全长398km，占地面积2.38万km2，河床平均比降0.25%，含沙量57kg/m3，流域内主干支流纵横交错，主要有瓦子峪河、老虎山河、牤牛河、清河、细河、大定河、凉水河等支流，主脉贯穿辽西、东南汇入渤海[8]。

该流域属于温带季风气候，四季分明，冬冷夏热，日照充足，年均气温8.0℃-12.6℃，年降水量在450-600mm之间，受夏季风影响年内降水量极不均衡，其中60%以上降水集中在6-9月。沿河98%为低山丘陵区，极少数部分属于平原区，在不同生活方式和多重经济发展模式下河流污染问题更加突出。调查显示，流域内65%的区域为极度或严重缺水状态且已经具有较高的地下水开采利用率，为满足区域发展和各行业用水需要，流域水资源被过渡开发利用致使地下水位持续下降。虽然大凌河水浑浊，总体水质较好，但近年来朝阳河段、喀左值凌源河段的水质污染情况严重，挥发酚、BOD5和COD等污染物均大于三级标准，对流域内的生态平衡和水环境产生极为不利的影响[9]。

流域内天然补给量以大气降水入渗为主，其次为地表水补给，大凌河地下水侧向径流集中补给主要位于西北、西部边缘的河谷入口处；而侧向径流集中排泄段以南部、东部的边缘河谷出口为主[10]。

1.2 影响因素

地下水脆弱性反映了水系统的自我防护能力，它是指由于人类活动破坏和自然条件变化引起的地下水环境变化的敏感性。一般地，地下水的易污染性和水环境脆弱性等效，又可进一步分为特殊和固有脆弱性两类，其中特殊脆弱性与各种污染物受地下水环境、水动力条件、含水层结构、地下水形成、埋藏条件等因素的自我防护能力相关，而固有脆弱性主要与下伏含水层、地表水、地形、土壤截止、补给量、饱和带和包气带等因素相关[11-12]。

2 评价方法与指标体系

2.1 评价方法

目前，模糊数学法、统计分析法、过程数学模拟法和迭置指数法等为地下水脆弱性评价的常用方法。其中，统计分析法和过程数学模拟法一般适用于地下水特殊脆弱性评价，而固有脆弱性评价常用模糊数学法，在特殊和固有脆弱性评价中迭置指数法均比较适用。

根据不同的水文地质条件又将迭置指数法分为参数系统法和背景参数法，其中参数系统法是由美国环境保护局提出的一种应用最为广泛的地下水脆弱性评价方法，而作为一种标准化的DRASTEC方法在参数系统法中的推广和应用最为普遍，并在脆弱性评价中取得了较好的成效。DRASTIC法是一种采用简单易行的加权评分法，在浅层大面积地下水脆弱性评价中具有较强的适用性。

虽然流域覆盖范围较大，但流域地下水含水层渗透系数、包气带介质、地面坡度、土壤介质、含气层介质、净补给和地下水埋深等均易于确定。因此，本文考虑选用GIS数据预处理平台和DRASTIC方法，系统科学的评价大凌河地下水固有脆弱性。

2.2 指标体系

1)确定评价因子。根据当地水文地质条件和水资源评价相关资料，系统分析水环境各因子之间的相互作用、特征及成因，最终确定7个脆弱性评价指标，即含水层渗透系数C、包气带介质I、地面坡度T、土壤介质S、含水层介质A、净补给R、地下水埋深D。

2)评价模型的建立。根据大凌河流域地下水埋深相对较浅的实际情况，评价体系中的包气带岩性指标与土壤类型指标的内涵存在一定的重复部分，而流域内地形结构与土地利用布局随之发生较为显著的改变，地下水的脆弱性也会随下垫面的改变而发生变化。因此，本文综合考虑各影响因子建立评价模型，其表达式如下：

(1)

式中：DRASTIC为地下水脆弱性评价指标值；Ti、wi分别为评价因子i的取值及其权重，基于DRASTIC提供的C、I、T、S、A、R、D各因子的权重值wi依次为0.12、0.22、0.05、0.09、0.12、0.18、0.22。

2.3 评价流程

采用GIS数据预处理平台和DRASTIC方法，系统科学的评价大凌河地下水固有脆弱性的主要流程为：①结合流域内水文、气象、地质、地貌、地形等数据资料建立评价体系；②数据预处理，构建评价模型；③通过分析评价结果，为水环境保护和地下水合理开采利用提供指导，详细的评价步骤见图1。

图1 评价流程

1) 根据流域内水文地质条件和水资源开发利用现状，确定评价目标为流域下垫面含水层，研究区面积为2.38×104km2。

2) 各单项指标图的编制运用GIS系统实现，然后结合重要性程度赋予相应的属性值，将研究区按2km×2km等间距划分为5952个基本单元。对各指标系的相应图件和网格剖分图利用GIS平台的空间分析功能进行叠加，通过转换计算确定输入文件。

根据如下方法获取各指标至：①根据枯水年2016年地下水系统监测相关资料提取含水层埋深D，单位为m。②大气降水入渗为补给流域下垫面地下水的来源，其中80%以上的补给量来源于大气降水，为便于计算以大气降水入渗量的近似值作为净补给量R，单位为mm。③地形坡度值T的计算要先利用1∶25万的地形图，确定某一范围内的坡度，通过内插外延法编制研究区整个范围内的地形坡度图。④含水层渗透系数C的赋值直接由渗透系数分布图确定，单位为m/d。⑤按照表1中的特征值及其级别确定土壤介质S、渗流区介质I和含水层介质A。

表1 评价因子特征值与分级标准

3) 脆弱性指数DRASTIC是一个相对的概念，一般条件下其取值区间为0-10，流域地下水脆弱性与指数值呈正相关性，即脆弱性程度随指数值的增大而增高，相对而言地下水环境遭受污染的可能性就越大。根据基于DRASTIC的模型评价模型平台和以上行程的输入文件，计算确定脆弱性评价值，然后依据评价结果等级划分标准，绘制脆弱性综合图并进行综合评价，地下水脆弱性分级标准和评语，见表2。

表2 地下水脆弱性分级标准和评语

3 结果分析

将流域内地下水脆弱性按照评价结果分为3个级别，即评价结果为6-7级的脆弱性略高区、评价结果为5-6级的脆弱性稍高区和评价结果为3-4级的脆弱性稍低区，所对应的受污染程度分别为略易污染、稍易污染和稍难污染。

3.1 脆弱性稍低区

大凌河南部的黄土分布区为地下水脆弱性稍低区(Ⅰ区)，覆盖面积约0.26×104km，包气带岩性和地表岩性均为黄土状粉土、黄土状粉质黏土，透水系数在3m/s以内，水位埋深超过5m，地下水补给强度相对较弱，净补给通常在25mm以下。该区域的地下水透水性弱、包气带厚度大，对于地表污染物的迁移与渗透产生不利影响，含水层导水性能较差而自净化能力少强，地下水自我防护能力和抗污染能力较强。

3.2 脆弱性稍高区

地下水脆弱性稍高区(Ⅱ区)占地面积1.81×104km，涉及朝阳县、老虎山河支流、北票市、义县、锦县等地，大凌河大部分地区均属于该等级，其地表岩性以粉土、粉质黏土和砂为主，包气带以细粉砂、泥质中细砂、细砂等为主，透水系数在3-12m/s区间，水位埋深一般处于3-5m之间，地下水补给相对较强，净补给一般超过30mm。包气带较强的透水性有助于污染物的迁移和渗透，地下水系统因具有一定的自净能力而存在较好的防护功能。

在商业往来频繁且人类活动比较剧烈的阜新市地区，水资源供给矛盾和局部地下水过度开采问题突出、工农业相对发达用水量较大，这不仅加快了地下水的更替速度和地下水位的下降速度，而且加快了污染物的迁移和渗透作用。为防止污水灌溉、农田施肥、城镇工业和生活污水的影响，应加强对该地区的水资源保护。

3.3 脆弱性略高区

大凌河上游及其支流为脆弱性略高区(Ⅲ区)，如牤牛河、凉水河、老虎山河等支流，涉及面积约0.31×104km。包气带和地表岩性分别为含泥细砂、细砂、中砂和粉质黏土、细砂，水位埋深一般在3m以下，地下水补给相对较强，净补给在30-105mm之间，地下水受地表水的影响出现强烈的交替，较好的透水性有利于污染物的迁移与渗透，地下水相对略易污染其自我防护能力差。这些地区以农业灌溉为主且人口较为密集，为保护区域内地下水免受污染应加强对污水灌溉、农田施肥和生活排污的控制。

4 结 论

1) 根据模糊综合法和DRASTIC方法评价结果，大凌河流域地下水脆弱性以略易污染区和稍易污染区为主，由此表明大范围的地下水污染的可能性较低，为防止地下水污染和保护地水资源，必须科学合理的限制地下水开采量。

2) 工农业生产活动较强且人口相对密集区的地下水脆弱性稍高，因此在农业施肥、生活污水和工业废水排放方面，应结合脆弱性分析结果合理布局土地利用、科学规划城市建设，通过采取有效的预防措施避免该区域的地下水受到污染。