鄭州市航空港區(qū)地下水脆弱性評價(jià)

匡 恒，唐 輝

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

1 問題的提出

鄭州市航空港經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)位于鄭州市中心城區(qū)東南約20 km，是我國首個(gè)航空港經(jīng)濟(jì)發(fā)展先行區(qū)，是中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心增長極。隨著港區(qū)城市化進(jìn)程的加快，地下水受到污染的風(fēng)險(xiǎn)越來越大。地下水污染防治和保護(hù)應(yīng)是城市發(fā)展中不可忽略的戰(zhàn)略任務(wù)。地下水污染是一個(gè)不可察覺的過程，多數(shù)情況具有不可逆性，這對地下水環(huán)境保護(hù)提出了考驗(yàn)。地下水脆弱性評價(jià)作為一種保護(hù)和管理地下水資源的方法，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用[1-2]。

自1968年法國人Margat首次提出“地下水脆弱性”這一概念以來，其內(nèi)涵不斷得到豐富。目前普遍公認(rèn)的是美國環(huán)保署和國際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)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”[3]。地下水脆弱性分為固有脆弱性和特殊脆弱性。固有脆弱性是指地下水對污染所表現(xiàn)的內(nèi)部固有的敏感屬性。它只考慮水文地質(zhì)條件等內(nèi)部因素，不考慮人類活動(dòng)或污染物的類型，是一個(gè)相對靜態(tài)的屬性。特殊脆弱性主要針對特定的污染物或人類活動(dòng)，是一個(gè)較為動(dòng)態(tài)的屬性[4]。

目前，國內(nèi)外關(guān)于地下水脆弱型評價(jià)的方法大約有30多種，評價(jià)模型各有其優(yōu)缺點(diǎn)。其中，由美國環(huán)境保護(hù)署提出的DRASTIC模型應(yīng)用最為廣泛，但也有其局限性，在應(yīng)用時(shí)可根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。近年來，隨著DRASTIC模型在國內(nèi)外的廣泛應(yīng)用，針對DRASTIC模型缺陷的各種改進(jìn)方法層出不窮[5]。孟憲萌等在確定因子權(quán)重時(shí)，引入信息論中的熵值理論，使得權(quán)重分配更為合理[6]。方樟等應(yīng)用模糊理論改進(jìn)了指標(biāo)權(quán)重，對松嫩平原地下水脆弱性進(jìn)行評價(jià)[7]。李梅等針對地下水脆弱性的非線性特征，對BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，取得了較好的應(yīng)用效果[8]。雷靜[9]、范弢[10]、唐輝[11]等，根據(jù)研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件和數(shù)據(jù)的可獲得性對評價(jià)指標(biāo)和評分體系做出改進(jìn)，使得評價(jià)結(jié)果更為科學(xué)合理。汪瑩[12]等選擇不透水地面和土地利用類型作為城鎮(zhèn)化因子，對水城盆地地下水固有脆弱性進(jìn)行評價(jià)，發(fā)現(xiàn)地下水脆弱性逐年降低。

本文旨在通過研究影響航空港區(qū)地下水固有脆弱性的地質(zhì)因素，基于DRASTIC模型，并對其進(jìn)行改進(jìn)，建立地下水脆弱性評價(jià)體系，進(jìn)行地下水脆弱性評價(jià)，以期為研究區(qū)地下水污染防治和地下水資源保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，服務(wù)于研究區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用。

2 研究區(qū)概況

2.1 自然地理

研究區(qū)屬暖溫帶季風(fēng)氣候，四季分明。區(qū)內(nèi)年降水分布不均勻，多集中在7 — 9月，1959 — 2018年平均降水量為633.8 mm，年最大降水量1 041.3 mm（1964年），最小降水量372.0 mm（1986年）。多年平均蒸發(fā)量為1 769.8 mm。研究區(qū)屬淮河水系，地表水主要有南水北調(diào)中線干渠、梅河、丈八溝、小清河、杜功河、馬花溝、老丈八溝等。

研究區(qū)屬山前沖洪積平原及黃河沖積平原地貌，地勢西北高，東南低。地面高程78.00 ～ 160.00 m，地面比較平坦開闊，整體微向東南傾斜，地面坡降2.5‰ ～ 10.0‰。受古地形控制，新鄭機(jī)場 — 三官廟一線為該區(qū)的地表水分水嶺，地面高程以該線為界，向南、北兩側(cè)逐漸降低，向北地面坡降1.7‰左右，向南地面坡降3.6‰左右。區(qū)內(nèi)北部表層發(fā)育有風(fēng)積沙丘，沙丘高度一般為5.00 ～ 8.00 m。受西部山丘區(qū)隆升、東部平原區(qū)緩慢下降和后期水流切割影響，地表分布有起伏不大的崗地和洼地，崗?fù)菹嚅g分布。崗壟長短、寬窄不一，多呈近南北向的長條形展布。該地貌單元地表巖性多由晚更新統(tǒng)沖洪積粉土組成。

2.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)主要含水層為松散巖類孔隙含水層，按埋藏條件、成因類型、水力性質(zhì)又可細(xì)分為淺層潛水 — 微承壓含水層（淺層含水層）、中深層承壓含水層（中深層含水層）。淺層含水層主要包括第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)砂層，底板埋深為20.00 ～ 55.00 m，巖性以細(xì)砂、中細(xì)砂、中粗砂、粉細(xì)砂為主，厚度一般為5.00 ～ 20.00 m，富水性為中等 — 弱；中深層含水層主要為新近系砂層上新統(tǒng)和中新統(tǒng)砂層，含水層頂板埋深一般70.00 ～ 90.00 m，由西向東漸深，底板埋深為650.00 ～ 800.00 m，巖性為中砂、細(xì)砂、粗砂為主，一般有10 ～ 20層砂層，單層厚度5.00 ～ 20.00 m，總厚度110.00 ～ 240.00 m，富水性以中等富水和弱富水為主，局部為富水區(qū)。

3 影響因素分析

傳統(tǒng)的DRASTIC模型中包括地下水埋深、含水層凈補(bǔ)給量、含水層介質(zhì)類型、土壤介質(zhì)類型、地形坡度、滲流區(qū)介質(zhì)類型、含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)共7個(gè)指標(biāo)。

地下水固有脆弱性主要受到地形、土壤、包氣帶、含水層等多因素的綜合影響，反映的是污染物從含水層上部特定位置到達(dá)含水層的可能性。包氣帶的滲透性也起到至關(guān)重要的作用，而DRASTIC模型中只考慮了滲流區(qū)介質(zhì)類型，因此把滲流區(qū)水力傳導(dǎo)系數(shù)也納入評價(jià)指標(biāo)體系中。含水層凈補(bǔ)給量與研究區(qū)的降水量和降水入滲補(bǔ)給系數(shù)有關(guān)，但研究區(qū)面積小，降水量無明顯變化，而降水入滲系數(shù)又由土壤介質(zhì)和地形坡度等因素決定，因此本次評價(jià)中不考慮含水層凈補(bǔ)給量。

地下水位埋深越深，污染物到達(dá)含水層的時(shí)間越長，其與周圍物質(zhì)接觸發(fā)生各種反應(yīng)的時(shí)間就越長，污染物衰減及被氧化的概率就越大，從而地下水脆弱性越低[13]。含水層介質(zhì)控制污染物滲流的途徑、長度、時(shí)間，其顆粒越大、孔隙越多、滲透性越好，污染物被稀釋、衰減的概率就越低，地下水脆弱性就越高；土壤介質(zhì)影響地面水滲入地下的量，同時(shí)也影響污染物垂直進(jìn)入包氣帶的能力；地形坡度有助于控制污染物是產(chǎn)生地表徑流還是滲入地下，地形坡度越大，地表徑流大，入滲小，地下水受污染的可能性也??；滲流區(qū)介質(zhì)顆粒越粗，入滲系數(shù)越大，地下水補(bǔ)給量越多，從而可能帶入地下水的污染物越多，地下水脆弱性越高；含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)控制著地下水的流速，同時(shí)也控制著污染物離開污染源場地的速度。

根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件及數(shù)據(jù)的可獲取性，將傳統(tǒng)的DRASTIC模型中的7個(gè)評價(jià)指標(biāo)改進(jìn)為地下水位埋深D、含水層介質(zhì)類型A、土壤介質(zhì)類型S、地形坡度T、滲流區(qū)介質(zhì)類型I、滲流區(qū)水力傳導(dǎo)系數(shù)C、含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)C。

4 評價(jià)方法

參照DRASTIC模型，根據(jù)航空港區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，對DRASTIC模型的評價(jià)指標(biāo)類型、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行了改進(jìn)。

4.1 評價(jià)模型

采用定性半定量的評價(jià)模型 — 綜合指數(shù)法對地下水脆弱性進(jìn)行評價(jià)計(jì)算。

各評價(jià)單元脆弱性值的計(jì)算公式為：

式中：V為脆弱性值；Wi為評價(jià)因子的權(quán)重；vi為各單元單因子值。

4.2 評價(jià)指標(biāo)分級(jí)

DRASTIC模型的評級(jí)指標(biāo)考慮了多種不同地質(zhì)環(huán)境條件下的影響因素，應(yīng)用范圍廣，如基巖山區(qū)、濱海地區(qū)、平原區(qū)等均可應(yīng)用。但實(shí)際評價(jià)中，由于數(shù)據(jù)的可獲取性以及不同地區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件的差異，評價(jià)指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)均需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行改進(jìn)。由于研究區(qū)位于黃河沖積平原，地表沉積了巨厚的第四系松散沉積物，巖性差異小，地形較為平坦，且評價(jià)指標(biāo)已經(jīng)改進(jìn)，若應(yīng)用DRASTIC模型中的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，則難以適用于研究區(qū)。因此，對分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)作出適當(dāng)調(diào)整。地下水脆弱性評價(jià)指標(biāo)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 地下水脆弱性評價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

4.3 權(quán)重確定

由于評價(jià)指標(biāo)已與DRASTIC模型有差異，因此原模型中的權(quán)重已不適用于改進(jìn)模型。應(yīng)用層次分析法確定各個(gè)評價(jià)因子的權(quán)重，計(jì)算步驟如下：①由12位水工環(huán)境地質(zhì)等專家，將評價(jià)因子兩兩進(jìn)行比較，建立因子間相對重要性的7階判斷矩陣R；②計(jì)算判斷矩陣的特征值及特征向量，進(jìn)行層次單排序，求出各個(gè)參數(shù)的權(quán)重（見表1）；③進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，求得矩陣最大特征根λmax= 3.053 6，一致性比例CI= 0.051 6，判斷矩陣R具有滿意的一致性。各評價(jià)指標(biāo)權(quán)重見表1。

5 評價(jià)過程與結(jié)果

基于MapGIS平臺(tái)，將各評價(jià)指標(biāo)分區(qū)圖賦值后進(jìn)行疊加分析，生成評價(jià)單元圖，共劃分776個(gè)評價(jià)單元。應(yīng)用上述脆弱性評價(jià)模型對每個(gè)評價(jià)單元進(jìn)行評價(jià)，得到每個(gè)評價(jià)單元的地下水脆弱性值。根據(jù)評價(jià)結(jié)果，進(jìn)行脆弱性等級(jí)的劃分，具體見表2。按照脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，生成地下水脆弱性評價(jià)分區(qū)圖（見圖1）。

由評價(jià)結(jié)果可知，地下水脆弱性高區(qū)主要分布于蒲北孫村以北，零散分布于三官廟鄉(xiāng)附近。該區(qū)域大部分區(qū)域地形坡度小于5%，地表巖性以粉砂、細(xì)砂為主，地下水位埋深小于10.00 m，滲流區(qū)滲透性強(qiáng)，滲流區(qū)巖性以粉、細(xì)砂為主，含水層滲透性中或強(qiáng)，含水層巖性以粉砂、細(xì)砂為主。

地下水脆弱性較高區(qū)廣泛分布于研究區(qū)。該區(qū)域少部分區(qū)域地形坡度大于5%，地表巖性以粉土、粉砂為主，地下水位埋深5.00 ～ 15.00 m，滲流區(qū)介質(zhì)類型以粉土、粉砂、細(xì)砂為主，含水層滲透性主要為中等。

地下水脆弱性中區(qū)主要分布于張莊鎮(zhèn) — 龍王鄉(xiāng)以西、龍王鄉(xiāng) — 馮堂鄉(xiāng)以南。該區(qū)域大部分區(qū)域地形坡度大于5%，地表巖性以粉土、粉砂為主，地下水位埋深大部分區(qū)域大于10.00 m，滲流區(qū)滲透性弱到強(qiáng)均有分布，滲流區(qū)介質(zhì)類型以粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂為主，含水層滲透性弱。

地下水脆弱性低區(qū)主要分布于機(jī)場南部、馮堂鄉(xiāng)、八千鄉(xiāng)附近，面積較小。該區(qū)域大部分地形坡度大于5%，地表巖性以粉土為主，地下水位埋深10.00 ～ 20.00 m，滲流區(qū)介質(zhì)類型以粉質(zhì)黏土、粉土為主，滲流區(qū)滲透性較差，含水層滲透性以弱為主，含水層巖性以粉砂為主。

表2 地下水脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)表

圖1 研究區(qū)地下水脆弱性分區(qū)圖

6 結(jié) 語

本研究參照DRASTIC模型，根據(jù)航空港區(qū)地質(zhì)環(huán)境條件，對DRASTIC模型的評價(jià)指標(biāo)、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)以及指標(biāo)權(quán)重等進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建適用于航空港區(qū)的地下水脆弱性評價(jià)模型，并基于MapGIS對研究區(qū)進(jìn)行評價(jià)，得到地下水脆弱性評價(jià)分區(qū)圖。評價(jià)結(jié)果表明，航空港區(qū)蒲北孫村以北及三官廟鄉(xiāng)附近為地下水脆弱性高區(qū)，地下水較高、中等脆弱區(qū)廣泛分布，地下水脆弱性低區(qū)面積較小。評價(jià)結(jié)果可為鄭州市航空港區(qū)地下水資源的管理和保護(hù)提供依據(jù)。目前，航空港區(qū)還未大規(guī)模開發(fā)，建議加強(qiáng)對高脆弱區(qū)地下水污染的防范措施。