地下水脆弱性研究進(jìn)展及前景展望

張松濤

（山西省水資源管理中心，山西 太原 030001）

地下水作為水資源的重要組成部分、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)資源，在促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、保障城鄉(xiāng)居民生活、維持生態(tài)平衡等方面發(fā)揮了重要作用。地下水作為山西省國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要供水水源，2009年供水量為32.95億m3，比地表水供水量多9.62億m3，占水資源總供水量的58.56%，充分顯示全省地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，加強(qiáng)地下水資源保護(hù)，控制地下水超采，保證水資源可持續(xù)開發(fā)利用已成為全省經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。地下水脆弱性研究作為合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水的基礎(chǔ)，近年來已成為地下水研究的熱點(diǎn)問題。通過對地下水的脆弱性評價，可給出不同區(qū)域地下水的脆弱程度，能有效指導(dǎo)地下水資源的開發(fā)利用與保護(hù)，實(shí)現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)利用。

1 地下水脆弱性的概念及評價方法

1.1 基本概念

1968年法國學(xué)者M(jìn)argat首次提出“地下水脆弱性（groundwater vulnerability）”這一術(shù)語。此后，許多學(xué)者和相關(guān)研究部門從不同的角度給出了定義，其中得到大家認(rèn)可的是1993年美國國家研究委員會給出的地下水脆弱性定義，即脆弱性是指污染物由地表到達(dá)地下水系統(tǒng)某一特定位置的趨向和可能性，并以地下水資源是否受到人類活動的影響，分為地下水的固有脆弱性和地下水的特殊脆弱性[1]。國內(nèi)關(guān)于地下水脆弱性的研究開始于20世紀(jì) 90年代中期，因而這一術(shù)語在國內(nèi)出現(xiàn)得較晚。目前在定義上還沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，除“地下水脆弱性”外，常見的叫法有“地下水的易污染性”、“污染潛力”、“防污性能”等。

1.2 評價方法

目前，地下水脆弱性評價的方法[2]主要有迭置指數(shù)法、過程數(shù)學(xué)模擬法、統(tǒng)計(jì)法和模糊數(shù)學(xué)法等，其中迭置指數(shù)法在國內(nèi)外地下水脆弱性評價中應(yīng)用較多。

迭置指數(shù)法是將各評價參數(shù)的分指數(shù)進(jìn)行迭加形成一個反映脆弱性程度的綜合指數(shù)來進(jìn)行評價的方法。該法適合于較大范圍的地下水固有脆弱性和特殊脆弱性評價，其精度和可靠性取決于數(shù)據(jù)資料的占有率和專家判斷的準(zhǔn)確性。迭置指數(shù)法通常又分為水文地質(zhì)背景參數(shù)法和參數(shù)系統(tǒng)法。該評價方法中使用較廣的模型為DRASTIC模型，被中國地質(zhì)調(diào)查局列入《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評價規(guī)范》，作為地下水脆弱性評價的推薦方法。

過程數(shù)學(xué)模擬法是在水分和污染物運(yùn)移模型的基礎(chǔ)上，使用物理和化學(xué)的模型模擬污染物遷移過程，并將各評價因子定量化后帶入模型求解，得到地下水脆弱性評價的綜合指數(shù)。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可以描述影響地下水脆弱性的物理、化學(xué)過程，并可估算污染物的時空分布。統(tǒng)計(jì)法是通過對已有地下水污染信息和資料的統(tǒng)計(jì)分析，確定評價因子，建立評價方程，評價地下水的脆弱性；模糊數(shù)學(xué)法是在確定評價因子、因子的分級標(biāo)準(zhǔn)和因子權(quán)重的基礎(chǔ)上，利用單因子模糊評判和模糊綜合評判來評價地下水的脆弱性。

2 國內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 國外研究進(jìn)展

由于DRASTIC模型具有簡單易行、結(jié)果明了、易于掌握等優(yōu)點(diǎn)，使得該模型在地下水脆弱性評價中得到廣泛應(yīng)用。目前，國外研究的重點(diǎn)是將DRASTIC模型結(jié)合統(tǒng)計(jì)模型、隨機(jī)模型、模糊數(shù)學(xué)等方法并基于GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)進(jìn)行地下水脆弱性評價。近十年來有代表性的研究有TODDG.FRITCH[3]（2000）等用GRASS4.1地理信息系統(tǒng)結(jié)合改進(jìn)的DRASTIC模型對美國德克薩斯州中部帕拉克含水層進(jìn)行地下水脆弱性評價；Rupert等[4]（2001）利用硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮的觀測資料應(yīng)用統(tǒng)計(jì)法對DRASTIC模型的評價結(jié)果進(jìn)行了修正；R.A.N.Al-Adamat[5]（2003）利用基于GIS耦合遙感技術(shù)的DRASTIC模型對約旦艾茲賴格盆地玄武巖含水層進(jìn)行脆弱性評價；Babiker IS[6]（2005）等利用GIS結(jié)合DRASTIC評價模型對日本的Kakamigahara高地進(jìn)行地下水脆弱性評價；Soper和Rodney Craig[7]（2006）利用基于GIS的DRASTIC模型的農(nóng)藥評價指標(biāo)對美國密蘇里州進(jìn)行地下水脆弱性評價；V.Uddameri和 V.Honnungar[8](2007)使用 DRASTIC模型結(jié)合GIS，并利用粗糙集理論得出美國德克薩斯南部沿海地帶的18個縣的地下水脆弱性評價結(jié)論；M.Chitsazan和Y.Akhtari[9]（2008）利用基于GIS的DRASTIC評價模型對伊朗東北部Kherran平原進(jìn)行地下水脆弱性評價。

2.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

國內(nèi)最早關(guān)于地下水脆弱性的報道是1990年《水文地質(zhì)工程地質(zhì)》雜志刊登的介紹國外科技信息的編譯文章《法國的地下水易污染性編圖》。國內(nèi)相關(guān)的研究有：楊慶等[10]（1999）將DRASTIC模型應(yīng)用于大連市地下水脆弱性評價；付素蓉等[11]（2000）對DRASTIC模型進(jìn)行了改進(jìn)，構(gòu)成新的指標(biāo)體系評價了城市地下水脆弱性；馬金珠等[12]（2003）在塔里木盆地南緣干旱地區(qū)，建立了IRRUDQELTS地下水脆弱性評價模型進(jìn)行干旱區(qū)脆弱性評價。近年來，隨著GIS技術(shù)和各種數(shù)學(xué)方法的廣泛應(yīng)用，以及地下水脆弱性評價方法之間的有機(jī)結(jié)合，將地下水脆弱性評價推上一個新臺階，這方面的研究主要有：賀新春等[13]（2005）將模糊數(shù)學(xué)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論應(yīng)用于地下水脆弱性評價之中，建立了基于層次分析法（AHP）的模糊綜合評判模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；卞建民等[14]（2008）基于MapGIS平臺，建立了潛水MEQU-DRASTIC和承壓水DAADCQ模型，并利用模糊綜合分析方法對模型的權(quán)重進(jìn)行分析，得到吉林省通榆縣的地下水脆弱性結(jié)果；張保祥等[15]（2009）引進(jìn)基于熵權(quán)的模糊優(yōu)選評價方法，構(gòu)建了基于熵權(quán)與GIS耦合的DRASTIC地下水脆弱性模糊優(yōu)選模型，評價了山東半島北部黃水河流域的地下水脆弱性?？傊?，國內(nèi)地下水脆弱性研究大多局限于研究地下水的固有脆弱性，其中多為應(yīng)用DRASTIC和改進(jìn)的DRASTIC模型進(jìn)行脆弱性評價。

3 存在問題

由于地下水系統(tǒng)的復(fù)雜性和人們認(rèn)識的差異性，在地下水脆弱性研究中仍然存在問題，主要表現(xiàn)在：地下水脆弱性概念沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)；地下水脆弱性研究側(cè)重于水質(zhì)的脆弱性，而忽略了水量的脆弱性；地下水脆弱性評價涉及參數(shù)較多，評價模型過于復(fù)雜；地下水脆弱性評價缺少不同地區(qū)間的可比性等。

4 前景展望

由于地下水是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，它具有明顯的隨機(jī)性與模糊性，對于這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)采用經(jīng)典的數(shù)學(xué)方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，需要將模糊數(shù)學(xué)、灰色系統(tǒng)、層次分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、GIS技術(shù)等引入地下水脆弱性評價中，以使評價結(jié)果更加客觀、可靠。

在應(yīng)用DRASTIC模型進(jìn)行地下水脆弱性評價時，應(yīng)從水質(zhì)和水量兩方面綜合考慮，并將人類活動和污染物等特殊脆弱性因素加入脆弱性評價；同時要規(guī)范地下水脆弱性評價指標(biāo)的取值范圍，建立統(tǒng)一的地下水脆弱性評價標(biāo)準(zhǔn)，便于比較各地區(qū)地下水脆弱性的大小，為地下水保護(hù)提供有力的技術(shù)支持。另外，可將DRASTIC模型及其改進(jìn)模型內(nèi)嵌于GIS之中，建立基于GIS的地下水脆弱性評價系統(tǒng)，提高地下水脆弱性評價的時效性。

總之，隨著我國地下水環(huán)境問題的日益突出，地下水脆弱性研究將不斷拓展，這將推動我國地下水環(huán)境與生態(tài)環(huán)境的改善和保護(hù)工作，從而實(shí)現(xiàn)地下水資源開發(fā)利用的良性循環(huán)。

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