地下水脆弱性評價指標(biāo)體系的建立

湛 江，屈吉鴻

(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450000)

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地下水脆弱性評價指標(biāo)體系的建立

湛 江，屈吉鴻

(華北水利水電大學(xué)，河南鄭州 450000)

綜合前人的研究成果，特別是總結(jié)近年來國內(nèi)外學(xué)者提出或改進(jìn)的模型，提出4項建立指標(biāo)體系的基本原則，即重要性、獨立性、差異性和可操作性。并舉例說明其應(yīng)用，證明該原則有助于評價區(qū)域內(nèi)地下水脆弱性。

地下水脆弱性;影響因素;指標(biāo)體系

自1968年Margat提出“地下水脆弱性(Groundwater vulnerability)”的概念以來，經(jīng)過國內(nèi)外專家學(xué)者幾十年的不斷研究，地下水脆弱性的內(nèi)涵不斷延伸，地下水脆弱性的評價方法不斷豐富。地下水脆弱性的影響因素很多，如包氣帶、含水層，還有人類活動因素。地下水脆弱性的評價方法主要包括迭置指數(shù)法、過程模擬法、數(shù)理統(tǒng)計法和模糊綜合法，其中迭置指數(shù)法應(yīng)用最廣泛。在實際研究中，由于資料匱乏，各因素之間存在相互作用等問題，要建立一個全面、客觀且有效的評價指標(biāo)體系是一項艱巨的工作，也是地下水脆弱性評價工作的關(guān)鍵。目前學(xué)術(shù)界缺乏一套規(guī)范的地下水脆弱性評價準(zhǔn)則。筆者總結(jié)近年來國內(nèi)外學(xué)者提出或改進(jìn)的模型，建立了地下水脆弱性評價指標(biāo)體系。

1 地下水脆弱性的概念和發(fā)展

地下水脆弱性指地下水被污染的可能性。由于影響因素的復(fù)雜性和研究水平的局限性,各國的水文地質(zhì)學(xué)家從不同角度根據(jù)各國的實際情況,對地下水脆弱性概念進(jìn)行了不同的釋義。比較公認(rèn)的是美國環(huán)保署(EPA)和國際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會的定義:“地下水脆弱性是地下水系統(tǒng)對人類和(或)自然的敏感性”[1]。地下水脆弱性分為本質(zhì)脆弱性和特殊脆弱性，前者主要考慮自然因素，后者主要考慮人為因素。地下水脆弱性主要考量自然環(huán)境因素(各類水文地質(zhì)條件)對地下水的影響。隨著研究的深入，學(xué)者將人類活動因素考慮進(jìn)來，一方面，由于人類活動影響了地下水系統(tǒng)，另一方面，由于自然因素的不可抗力，單純評價自然因素的影響對于地下水保護(hù)無意義。因此，近10多年來，地下水脆弱性的評價傾向于綜合評價。

2 地下水脆弱性評價方法

目前，地下水脆弱性評價方法主要有迭置指數(shù)法、過程模擬法、數(shù)理統(tǒng)計法和模糊綜合評價法4種。其中迭置指數(shù)法是應(yīng)用最廣泛、最易被人們接受的一種方法。迭置指數(shù)法是指對選取的評價參數(shù)的分指數(shù)進(jìn)行迭加形成一個反映脆弱程度的綜合指數(shù)，再由綜合指數(shù)進(jìn)行評價。過程模擬法是指在地下水和污染物運移模型的基礎(chǔ)上，建立一個脆弱性評價數(shù)學(xué)公式，將評價因子定量化后，得到區(qū)域脆弱性綜合指數(shù)。數(shù)理統(tǒng)計法是指在分析處理各類水化學(xué)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，運用數(shù)理統(tǒng)計進(jìn)行數(shù)值模擬或建立模型的評價方法。模糊綜合評價法是指以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，應(yīng)用模糊關(guān)系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化進(jìn)行綜合評價，解決多指標(biāo)綜合問題。除過程模擬法外，其他3種方法都需要建立一個指標(biāo)體系來評價地下水脆弱性。

圖1 地下水本質(zhì)脆弱性評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of intrinsic groundwater vulnerability

圖2 地下水特殊脆弱性評價指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system of forced groundwater vulnerability

3 地下水脆弱性評價指標(biāo)體系和模型

3.1 地下水脆弱性評價指標(biāo)體系 地下水脆弱性評價指標(biāo)體系即評價地下水脆弱性的各種影響因素，如自然因素中的地形、氣候、包氣帶和含水層等，人為因素中的地下水開采、土地利用和污染負(fù)荷。地下水本質(zhì)脆弱性和特殊脆弱性評價指標(biāo)體系見圖1和2。

3.2 地下水脆弱性評價模型 迭置指數(shù)法分為水文地質(zhì)背景參數(shù)法(HCS)和參數(shù)系統(tǒng)法。前者通過一個與研究區(qū)有類似條件的已知脆弱性標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)比較確定研究區(qū)的脆弱性，且多為定性或半定量化評價。參數(shù)系統(tǒng)法分為矩陣系統(tǒng)(Matrix Systems，MS)、標(biāo)定系統(tǒng)(Rating Systems-RS)、計點系統(tǒng)模型(Point Count System Models,PCSM)3種。MS方法是以定性方式對研究區(qū)各單元的脆弱性進(jìn)行評價,后2種方法則是以定量(數(shù)值化)方式進(jìn)行評價。二者區(qū)別在于綜合指數(shù)的計算方法不同。RS方法的綜合指數(shù)是由各參數(shù)的評分值直接相加而成,而PCSM法的綜合指數(shù)值則是各參數(shù)評分值和各自賦權(quán)的乘積迭加得到,又稱權(quán)重-評分法。RS方法中常見的評價模型有GOD、AVI和ISIS，PCSM方法中常見的評價模型有DRASTIC、SINTACS、SEPPAGE、EPIK等[2]。早期研究主要側(cè)重于本質(zhì)脆弱性[3]。1987年美國環(huán)保署(EPA)[4]提出DRASTIC評價方法，并將其應(yīng)用于美國、加拿大以及歐共體成員國等，幾十年來取得顯著成效。

DRASTIC模型選取7個因子進(jìn)行評價，即地下水位埋深(Depth of water-table)、凈補給量(Net recharge)、含水層介質(zhì)(Aquifer media)、土壤介質(zhì)(Soil media)、地形坡度(Topography)、包氣帶影響(Impact of the vadose)、水力傳導(dǎo)系數(shù)(Hydraulic conductivity of the aquifer)。

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

(1)

式中，I為綜合指數(shù)，r為因子評分，w為因子權(quán)重。

隨著研究的發(fā)展，國內(nèi)外又不斷發(fā)展了其他模型，比較有代表性的有GOD和EPK等。部分本質(zhì)脆弱性評價模型見表1[5]。

表1 部分本質(zhì)脆弱性評價模型

我國地下水脆弱性研究起步較晚，但發(fā)展很快，特別是在迭置指數(shù)法的基礎(chǔ)上，學(xué)者們總結(jié)了DRASTIC的優(yōu)缺點，對該模型不斷改進(jìn)，多數(shù)加入了特殊脆弱性因素。雷靜[7]提出了ODCTRE模型，劉仁濤[8]提出了DRASCLP模型(表2)。

4 指標(biāo)體系的建立原則與方法

4.1 指標(biāo)體系的建立原則

4.1.1 重要性。重要性是指在選擇影響因素(評價指標(biāo))時，應(yīng)首先選擇對地下水脆弱性影響較重要、選擇較為普遍的指標(biāo)。如在本質(zhì)脆弱性中，土壤、包氣帶、含水層和氣候(補給)因素對地下水影響最為直接，尤為重要，因此幾乎所有的指標(biāo)體系都包含土壤介質(zhì)(S)、地下水位埋深(D)、凈補給量(R)等指標(biāo)。另外，重要性還有一層含義，即在評價特殊區(qū)域地下水脆弱性時，應(yīng)著重選取代表地區(qū)特點的影響因素。如在評價巖溶地區(qū)的地下水脆弱性時，應(yīng)選擇巖溶發(fā)育程度(E)作為一項指標(biāo)；在評價線狀污染帶地下水脆弱性時，應(yīng)重點考慮將河流補給作為一項影響因素；在評價干旱地區(qū)地下水脆弱性時，由于降雨量稀少，故將影響地表徑流的因素作為地下水的主要脅迫因子[12]。

表2 國內(nèi)部分地下水脆弱性評價模型

4.1.2 獨立性。獨立性是指影響因子之間的關(guān)聯(lián)程度，在選擇評價指標(biāo)時，應(yīng)盡量選擇關(guān)聯(lián)程度低的指標(biāo)。很多指標(biāo)之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜,且存在協(xié)同和拮抗等作用。如含水層的水動力傳導(dǎo)系數(shù)與含水層巖性密切有關(guān)[3]，而滲透系數(shù)(降水和污染物的入滲能力)和凈補給(富水性)之間存在拮抗作用，污染物進(jìn)入含水層又會被稀釋。為保證指標(biāo)體系中各評價指標(biāo)的相對獨立性,可對評價指標(biāo)體系進(jìn)行相關(guān)性分析[8]。

4.1.3 差異性。差異性是指在評價某個指標(biāo)的作用時，要考慮選取評價區(qū)域內(nèi)不同地區(qū)具有差異性的指標(biāo)。目前國際和國內(nèi)尚無統(tǒng)一的地下水脆弱性評價規(guī)范，地下水脆弱性是一個相對的概念。因此，若某指標(biāo)在評價區(qū)域內(nèi)不具有差異性，地下水脆弱性無任何意義。如在評價平原區(qū)地下水脆弱性時，通常會舍棄地形坡度(地形因素)這一指標(biāo)，因為平原區(qū)內(nèi)地勢平坦，起伏很小，基本不具有差異性，可以忽略。需要注意的是，盡管有些因子不具有差異性或差異性很小，但這些因子很重要，不能舍棄。如在某巖溶地區(qū)，雖然可能會出現(xiàn)巖溶發(fā)育程度較為均勻的情況，但作為重要因子，不能忽略其影響。

4.1.4 可操作性。 可操作性是指在實際操作中由于缺少資料或?qū)嶋H指標(biāo)難以獲得，需要使用一些指標(biāo)代替數(shù)據(jù)進(jìn)行評價。如使用土壤有機質(zhì)含量來表征土壤對地下水脆弱性的影響。在考量含水層因素時，由于很多地區(qū)含水層的導(dǎo)水系數(shù)難以獲得，在一些情況下可以使用單井涌水量來代替。同時，該原則也是選擇特殊脆弱性指標(biāo)的指導(dǎo)思想。如在評價大區(qū)域地下水脆弱性時，使用人口密度來代替地下水使用率。由于河流側(cè)向補給量數(shù)據(jù)難以獲得，可以考慮將沿河岸的垂直距離作為衡量線狀污染帶地下水的重要因素。

4.2 指標(biāo)體系的建立方法 指標(biāo)體系的建立方法應(yīng)遵循先“海選指標(biāo)”再“甄別指標(biāo)”再“補充指標(biāo)”的思想，結(jié)合4條基本原則，具體問題具體分析，建立一套較為完善的地下水脆弱性評價指標(biāo)體系(圖3)。

圖3 地下水脆弱性評價指標(biāo)體系建立途徑Fig.3 The roadmap of index system

5 結(jié)論與展望

選擇影響因素、建立指標(biāo)體系是評價地下水脆弱性的第一步，關(guān)系到評價成功與否。然而要建立一個包含所有指標(biāo)的龐大體系是不可能和不現(xiàn)實的。該研究提供的4條基本原則有助于建立全面且客觀的指標(biāo)體系，但在應(yīng)用時要具體問題具體分析。一方面，由于我國國土面積巨大，自然和人為因素復(fù)雜多樣，評價區(qū)域內(nèi)地下水脆弱性較困難。另一方面，地下水脆弱性缺乏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，研究者的主觀性太強。希望研究者們可以制訂一套規(guī)范化的地下水脆弱性評價準(zhǔn)則。

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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

水利部公益性行業(yè)科研專項(201501008)。

湛江(1992- )，男，河南義馬人，碩士研究生，研究方向：地下水利用及環(huán)境水文地質(zhì)。

2016-08-17

S 181

A

0517-6611(2016)28-0059-03