基于層次分析法的DRASTIC在焦作黃河階地防污性能判別中的應(yīng)用

付俊旺，鄺智慧

（1.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000；2.河南地礦職業(yè)學(xué)院，鄭州 450000）

地下水的污染已經(jīng)成為社會(huì)密切關(guān)注的問題，地下補(bǔ)給水的污染可能直接導(dǎo)致黃河水的污染，所以在黃河沿岸開展地下水污染問題的研究尤為重要[1]。傳統(tǒng)的DRASTIC評(píng)價(jià)模型中個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為定值，不能客觀地反映各指標(biāo)對污染物阻滯能力的大小[2-4]。本次應(yīng)用基于層次分析法的DRASTIC指標(biāo)評(píng)價(jià)體系對黃河階地地下水進(jìn)行易污性的評(píng)價(jià)，使評(píng)價(jià)結(jié)論更細(xì)化，更接近實(shí)際情況，評(píng)價(jià)方法值得推廣[5]。

1 焦作孟州市黃河北岸階地水文地質(zhì)條件

1.1 一級(jí)階地

一級(jí)階地含水層頂板為4～8 m厚的全新統(tǒng)(Q4al)沖洪積粉細(xì)砂或粉土層，土的密實(shí)度為疏松，利于地表水和大氣降水的入滲，降水入滲系數(shù)為0.25；以下含水層主要為中更新統(tǒng)（Q2al+pl）卵石層和上更新統(tǒng)（Q3al+pl）卵石層、漂石層，單層厚度一般8～20 m，總厚度在15～40 m，局部夾有細(xì)砂或中砂透鏡體。含水層組底板埋深20～50 m。含水層滲透系數(shù)一般在15～20 m/d，單位涌水量為200～1 000 m3（/d·m），地下水穩(wěn)埋深為5～9 m。地下水類型為潛水。

1.2 二級(jí)階地

二級(jí)階地包氣帶為20～30 m厚的上更新統(tǒng)（Q3al+pl）黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土層，土的密實(shí)度為稍密—中密，不太利于地表水和大氣降水的入滲，降水入滲系數(shù)為0.10；含水層組巖性主要為中更新統(tǒng)（Q2al+pl）砂層和卵礫石層；含水層組底板埋深40～60 m，水位埋深西部大于覆蓋層厚度，東部局部水力學(xué)性質(zhì)具有微承壓性質(zhì)，整體地下水類型可視為潛水。含水層厚度由分析區(qū)西部的20 m左右向東逐漸增大到50 m左右，含水層的滲透系數(shù)由西向東逐漸由大變小，富水性也由強(qiáng)變?nèi)?，孟州市西虢?zhèn)井孔的單位涌水量小于1 200 m3/（d·m），地下水位埋深20～30 m。滲透系數(shù)為8～12 m/d。

2 層次分析法的DRASTIC評(píng)價(jià)體系

2.1 DRASTIC各指標(biāo)評(píng)分的確定

常規(guī)DRASTIC評(píng)價(jià)體系假設(shè)條件為：污染物由地表隨水的垂向滲透進(jìn)入地下，經(jīng)包氣帶的淋慮、吸附、交換及降解后進(jìn)入地下水，后隨地下水徑流而遷移[6]。該評(píng)價(jià)體系由七個(gè)與地下水防污性能有關(guān)的指標(biāo)組成，分別為地下水埋藏深度（D）、含水層凈補(bǔ)給流量（R）、含水層介質(zhì)類型（A）、土壤類別（S）、地形坡度大?。═）、包氣帶巖土體性質(zhì)（I）、含水層滲透系數(shù)（C）[7]。應(yīng)用DRASTIC評(píng)價(jià)體系時(shí)，首先對每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)按照其對應(yīng)的數(shù)值范圍或類型進(jìn)行打分。根據(jù)焦作孟州市黃河北岸的地貌及水文地質(zhì)條件，按照一級(jí)階地和二級(jí)階地分為兩個(gè)單元來進(jìn)行DRASTIC評(píng)分，結(jié)果如下：

一級(jí)階地的地下水埋深5.0～9.0 m，評(píng)分DR為7；含水層凈補(bǔ)給量110.0（降水入滲系數(shù)為0.25，有效降水量為550 mm），評(píng)分RR為6；含水層介質(zhì)為砂卵礫石，評(píng)分AR為8；土壤類型砂質(zhì)粉土，評(píng)分SR為6；地形坡度1%，評(píng)分TR為10；包氣帶砂質(zhì)粉土為主，評(píng)分IR為4；含水層滲透系數(shù)15 m/d，評(píng)分CR為4。二級(jí)階地的地下水埋深20～30 m，評(píng)分DR為2；含水層凈補(bǔ)給量66.0（降水入滲系數(shù)為0.10，有效降水量為550 mm），評(píng)分RR為3；含水層介質(zhì)為砂卵礫石，評(píng)分AR為8；土壤類型粉土，評(píng)分SR為3；地形坡度1%，評(píng)分TR為10；包氣帶粉質(zhì)黏土為主，評(píng)分IR為3；含水層滲透系數(shù)8～10 m/d，評(píng)分CR為 2。

2.2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定

一般傳統(tǒng)的DRASTIC評(píng)價(jià)模型中，各評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值均為給定的固定值[8]。本次評(píng)價(jià)基于層次分析法，建立了以DRASTIC指標(biāo)的權(quán)重為總目標(biāo)層，把七個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)按該項(xiàng)指標(biāo)參與阻滯污染物能力的高低程度或影響污染物運(yùn)移能力的高低分類，作為決策的準(zhǔn)則層，以評(píng)價(jià)指標(biāo)分值為影響因素層的三級(jí)遞進(jìn)性層次結(jié)構(gòu)[9]。分層次進(jìn)行分析，進(jìn)而得到影響地下水防污性能的七個(gè)衡量指標(biāo)的新的權(quán)重值。

按九標(biāo)度層次分析法的步驟，分別針對準(zhǔn)則層的影響因素，將影響因素層的各個(gè)因素每兩個(gè)相互比較，得到直接判斷矩陣和間接判斷矩陣，計(jì)算得到每個(gè)判斷矩陣的最大特征值（λmax）和與之對應(yīng)的特征向量值。對數(shù)值做一致性檢驗(yàn)分析，如一致性檢驗(yàn)結(jié)果可以接受，再進(jìn)行下一個(gè)層次的排序，計(jì)算得到的最大特征值對應(yīng)的特征向量可作為權(quán)重，用Matlab軟件計(jì)算每個(gè)判斷矩陣的特征值和對應(yīng)的特征向量[10]。

隨機(jī)一致性指標(biāo)計(jì)算方法（CI）如式（1）所示，使用的隨機(jī)一致性指標(biāo)值（RI），如表1所示。計(jì)算一致性比例的方法（CR）如式（2）所示。當(dāng)CR＜0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性可以接受，否則對判斷矩陣做調(diào)整。此次分析過程中，得到的一致性比例CR=0.029。認(rèn)為一致性可以接受，得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，如表2所示。

式中，n為判斷矩陣的階數(shù)。

表1 隨機(jī)一致性指標(biāo)

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

2.3 DRASTIC指數(shù)確定

確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)分值和權(quán)重值后，通過公式計(jì)算DRASTIC指數(shù)將7個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)綜合起來[11-12]。DRASTIC指數(shù)的計(jì)算公式為：

經(jīng)代入各評(píng)分值和指標(biāo)權(quán)重計(jì)算后，二級(jí)階地的DRASTIC指數(shù)為3.86，一級(jí)階地的DRASTIC指數(shù)為6.04。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)分析區(qū)的地貌及水文地質(zhì)條件可知，一級(jí)階地的平均海拔高度要比二級(jí)階級(jí)低15 m左右，地下水埋藏深度由一級(jí)階地向二級(jí)階地由淺變深，地下潛水的總徑流方向基本垂直階地分界線由二級(jí)階地流向一級(jí)階地，最后補(bǔ)給進(jìn)入黃河。包氣帶巖土體性質(zhì)由二級(jí)階地的黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土到一級(jí)階地的粉土、粉細(xì)砂，巖土體顆粒大小由二級(jí)階地向一級(jí)階地逐漸變粗，降水入滲系數(shù)也逐漸增大；含水層的顆粒大小由二級(jí)階地向一級(jí)階地逐漸變粗，含水層的滲透系數(shù)增大，富水性也逐漸增強(qiáng)，表明階地地貌是分析區(qū)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件的主控因素，故按一、二級(jí)階地作為地下水系統(tǒng)防污性能評(píng)價(jià)單元是適宜的。

計(jì)算得到的DRASTIC指數(shù)越大，包氣帶對污染物的阻滯能力相應(yīng)越低，地下水的防污性能也越差，越容易受到污染。經(jīng)計(jì)算得到的一級(jí)階地的DRASTIC指數(shù)為6.04，認(rèn)為包氣帶阻滯污染物能力相應(yīng)較低，地下水防污性能相對稍差，地下水稍易受到污染。經(jīng)計(jì)算得到的二級(jí)階地的DRASTIC指數(shù)為3.86，包氣帶阻滯污染物能力相對較高，地下水系統(tǒng)防污性能較好，地下水較難受到污染。另外，DRASTIC指數(shù)評(píng)價(jià)體系評(píng)價(jià)的只是相對防污能力，沒有針對某種污染因子，如有特定的污染因子，還需要采用其他試驗(yàn)方法和模型來判定地下水的防污能力。