基于迭置指數(shù)法的簡易垃圾填埋場地下水污染風(fēng)險研究

程思茜，廖 鐳，張 涵

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2.中建三局工程設(shè)計有限公司，湖北 武漢 430064)

地下水污染風(fēng)險是指地下水受到污染的概率，其概念包含地下水固有脆弱性、地下水污染負(fù)荷危害性和地下水價值功能三方面[1-3]。地下水污染風(fēng)險評價的目的是確定地下水污染風(fēng)險大小，目前地下水污染風(fēng)險評價主要是基于地下水脆弱性評價，評價方法有迭置指數(shù)法、過程數(shù)學(xué)模擬法、統(tǒng)計方法和模糊數(shù)學(xué)法等[4-5]。其中，基于迭置指數(shù)法構(gòu)建的DRASTIC模型由于其操作簡單、指標(biāo)易獲取等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用[6-7]。傳統(tǒng)的DRASTIC模型包含了地下水固有脆弱性參數(shù)7項(xiàng)，可利用專家打分法確定各項(xiàng)參數(shù)分級評分標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重，以一定方式迭加計算綜合指數(shù)，用以評價地下水的脆弱性。但由于該模型忽略了單個指標(biāo)的負(fù)效應(yīng)，且專家打分法具有較大的主觀性[8]，加之該模型僅考慮了地下水固有脆弱性，而忽略了地下水污染負(fù)荷及其功能價值對地下水污染風(fēng)險的影響，因此使地下水固有脆弱性較高而無潛在污染源地區(qū)的評價結(jié)果準(zhǔn)確性受到限制。為了使DRASTIC模型能夠更好地反映地下水污染風(fēng)險，對該模型進(jìn)行改進(jìn)以獲得更客觀的地下水污染風(fēng)險評價結(jié)果顯得尤為重要[9-12]。

本文基于迭置指數(shù)法，綜合考慮地下水固有脆弱性7項(xiàng)評價指標(biāo)和污染負(fù)荷危害性5項(xiàng)評價指標(biāo)，量化評估地下水被污染后對環(huán)境造成的危害程度，通過對傳統(tǒng)DRASTIC模型進(jìn)行改進(jìn)，優(yōu)化地下水污染風(fēng)險評價模型，并以我國西南某簡易垃圾場為實(shí)例，計算研究區(qū)地下水污染綜合風(fēng)險指數(shù)并分級，同時利用ArcGIS揭示研究區(qū)地下水污染風(fēng)險的空間分布規(guī)律，探討地下水污染風(fēng)險分布特征，為研究區(qū)地下水污染防治和保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究方法

本次研究方法為：首先選取評價指標(biāo)，通過對各評價指標(biāo)進(jìn)行分級與評分，建立地下水污染風(fēng)險評價模型；然后根據(jù)模型各評價指標(biāo)評分值與其對應(yīng)權(quán)重迭置的結(jié)果，形成一個可量化地下水污染風(fēng)險程度的綜合指數(shù)；最后結(jié)合ArcGIS技術(shù)對地下水污染風(fēng)險綜合指數(shù)空間分布特征進(jìn)行研究。

1. 1 評價指標(biāo)的選取

地下水污染風(fēng)險是地下水脆弱性與人類活動造成污染荷載之間相互作用的結(jié)果[13]，本文在選擇地下水污染風(fēng)險評價指標(biāo)時綜合考慮了地下水固有脆弱性和地下水污染負(fù)荷危害性兩類影響因素。地下水固有脆弱性評價指標(biāo)選取DRASTIC模型中7項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)，即地下水埋深、地下水凈補(bǔ)給量、含水層巖性、土壤介質(zhì)類型、地形坡度、包氣帶巖性、含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)。地下水污染負(fù)荷危害性即為地下水特殊脆弱性，反映人類活動造成的污染負(fù)荷，與污染物數(shù)量、污染物種類、研究區(qū)內(nèi)水系發(fā)達(dá)程度以及地下水用途重要性等眾多因素相關(guān)，如在地下水與地表水交換頻繁或者地下水被作為居民生活用水和農(nóng)業(yè)灌溉用水的地區(qū)，則地下水特殊脆弱性相應(yīng)較大；除此之外，污染物下滲形成污染羽的過程還受到地下水流向和流速、污染物在含水介質(zhì)中吸附轉(zhuǎn)化等的影響，這些因素均未在固有脆弱性評價指標(biāo)中體現(xiàn)。因此，本文在傳統(tǒng)DRASTIC模型的水文地質(zhì)參數(shù)評價指標(biāo)基礎(chǔ)之上，增加了污染物種類、污染物數(shù)量、地下水流向與污染源位置關(guān)系、污染源周邊水系發(fā)達(dá)程度、區(qū)域地下水用途5項(xiàng)地下水污染負(fù)荷危害性評價指標(biāo)。

1. 2 評價指標(biāo)分級與評分

地下水固有脆弱性7項(xiàng)評價指標(biāo)分級與評分值參考傳統(tǒng)的DRASTIC模型的分級與評分方法。地下水污染負(fù)荷危害性5項(xiàng)評價指標(biāo)分級與評分值參考相關(guān)文獻(xiàn)[14-18]，各評價指標(biāo)評分范圍為1～10，其中污染物數(shù)量以污染物下滲量來衡量，其具體分級與評分值詳見表1。

1. 3 評價指標(biāo)權(quán)重的確定

確定評價指標(biāo)權(quán)重的方法有專家打分法、層次分析法、主成分分析法和熵權(quán)法等[19-21]。本文采用層次分析法建立地下水污染評價指標(biāo)體系[22]，將相關(guān)評價指標(biāo)按支配關(guān)系分成若干層次，對同一層次各評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較， 以獲得各評價指標(biāo)間的相對重要性，并通過矩陣運(yùn)算確定各評價指標(biāo)權(quán)重及其總排序[23]。

表1 地下水污染負(fù)荷危害性評價指標(biāo)分級與評分值[14-18]

1.3.1 遞階層次結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)以上選取的地下水污染風(fēng)險評價12項(xiàng)指標(biāo)，建立地下水污染風(fēng)險評價指標(biāo)遞階層次結(jié)構(gòu)模型，并對層次結(jié)構(gòu)模型中涉及的因素進(jìn)行分類，見圖1。該模型包含目標(biāo)層A、系統(tǒng)層B和指標(biāo)層C三個層次，分別表示模型需要解決的問題、模型解決問題需要涉及的方面以及模型解決問題所選取的評價指標(biāo)或措施[24]。

圖1 地下水污染風(fēng)險評價指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchical structure model of groundwater pollution risk assessment indexes

根據(jù)上述遞階層次結(jié)構(gòu)模型，將系統(tǒng)層B和指標(biāo)層C同一層次上任意兩因素進(jìn)行比較并構(gòu)建判斷矩陣，判斷矩陣元素的相對重要性標(biāo)度，見表2。

1.3.2 單層次權(quán)重的計算及一致性檢驗(yàn)

根據(jù)構(gòu)造的判斷矩陣，計算對于上一層某因子而言該層次與之有聯(lián)系的所有因素的權(quán)重。求解判斷矩陣的最大特征值λmax，并通過層次單排序一致性檢驗(yàn)權(quán)重值是否合理。用CI表示一致性指標(biāo)，其計算公式為

(1)

式中，n為矩陣維度。

(2)

隨機(jī)一致性比率CR定義為

(3)

當(dāng)CR<0.1時，判斷矩陣的一致性較好，計算誤差在允許范圍內(nèi)；當(dāng)CR>0.1時，則需重新進(jìn)行指標(biāo)間的兩兩比較以獲取新的判斷矩陣。根據(jù)上述步驟完成判斷矩陣的構(gòu)建后，求解判斷矩陣最大特征值及其相應(yīng)的特征向量，特征向量即為指標(biāo)權(quán)重。

1.3.3 總層次權(quán)重的計算及一致性檢驗(yàn)

層次總排序是利用同一層次中所有層次單排序結(jié)果以及上一層次所有元素的權(quán)重，計算針對模型總目標(biāo)而言該層次所有因素權(quán)重值的過程。層次總排序的計算過程由最高層開始逐層向最低層進(jìn)行。當(dāng)上一層次A和下一層次B中的因素互不相關(guān)時，層次B中第i個元素在層次總排序中的權(quán)重為

(4)

式中：a為上一層次A中層次總排序權(quán)值；b為下一層次B中層次總排序權(quán)值。

由高層次向低層次檢驗(yàn)層次總排序結(jié)果的一致性，層次B的總排序隨機(jī)一致性比率CR為

(5)

式中：CI為下一層次B中某些因素對上一層次A中某個元素的一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。

當(dāng)CR<0.1，認(rèn)為層次總排序結(jié)果具有一致性，總排序結(jié)果滿意。

1. 4 計算地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)

基于迭置指數(shù)法的基本原理，通過加權(quán)求和按下式計算研究區(qū)地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)：

(6)

式中：m為評價指標(biāo)個數(shù)；xi為評價指標(biāo)i的評分值;wi為評價指標(biāo)i的權(quán)重；I為地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)，取值范圍為1～12。

將地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)等間距分為3個等級：I值為1～4屬低風(fēng)險等級；I值為4～8屬中風(fēng)險等級；I值為8～12屬高風(fēng)險等級。

2 實(shí)例應(yīng)用與分析

2. 1 研究區(qū)概況

研究區(qū)內(nèi)有一建于1999年的簡易垃圾填埋場，如圖2所示?，F(xiàn)垃圾場已服務(wù)近18 a，垃圾量近7.72萬m3， 垃圾消納量約為12 t/d， 填埋區(qū)面積約為10 000 m2。垃圾填埋場地上部地層主要由雜填土、粉質(zhì)黏土、砂、礫石等組成，局部為卵石；底部下伏基巖為板巖，灰白色，強(qiáng)風(fēng)化易破碎。該場地地下水就近補(bǔ)給、就近排泄，主要由大氣降雨和地表徑流補(bǔ)給，通過大氣蒸發(fā)、溝谷滲流以及向其下游金陽河排泄。

圖2 研究區(qū)概況圖Fig.2 Overview diagram of the study area

2. 2 計算與分析

2.2.1 判斷矩陣的構(gòu)建

根據(jù)建立的層次結(jié)構(gòu)模型，采用1～9標(biāo)度法對評價指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較獲得判斷矩陣，詳見表3至表5。

表3 目標(biāo)層A各影響因素的判斷矩陣

表4 地下水固有脆弱性B1各評價指標(biāo)的判斷矩陣

表5 地下水污染負(fù)荷危害性B2各評價指標(biāo)的判斷矩陣

2.2.2 單層次權(quán)重的計算及一致性檢驗(yàn)

利用C#語言計算判斷矩陣A、B1、B2的最大特征值λmax和特征向量，特征向量內(nèi)各值即為各評價指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)公式(1)、(2)和(3)分別計算一致性指標(biāo)CI、隨機(jī)一致性指標(biāo)RI和隨機(jī)一致性比率CR，其計算結(jié)果詳見表6。

表6 層次單排序檢驗(yàn)結(jié)果

由表6可知，CRA、CRB1、CRB2均小于0.1，說明層次單排序一致性可接受。

判斷矩陣A、B1、B2的最大特征向量為

WA=(0.5,0.5)T

WB1=(0.246 3,0.169 5,0.119 8,0.079 2,0.042 2,0.211 3,0.131 7)T

WB2=(0.185 3,0.117 8,0.382 4,0.068 5,0.246 0)T

2.2.3 總層次權(quán)重的計算及一致性檢驗(yàn)

根據(jù)公式(4)計算指標(biāo)層各評價指標(biāo)總層次權(quán)重，其結(jié)果見表7。

表7 研究區(qū)地下水污染風(fēng)險評價指標(biāo)權(quán)重表

總排序隨機(jī)一致性比率CR=0.014 4<0.1，說明層次總排序一致性在允許誤差范圍內(nèi)。

2. 3 地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)的計算

根據(jù)公式(6)，計算研究區(qū)地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)。結(jié)果表明:研究區(qū)I值的范圍為1.7～5.1，區(qū)內(nèi)山區(qū)I值基本小于4，河流附近及山谷平原地區(qū)I值增加，簡易垃圾填埋場周邊I值增至5.1。

2. 4 地下水污染風(fēng)險空間分布

本文利用ArcGIS空間分析與數(shù)據(jù)管理功能繪制研究區(qū)地下水污染風(fēng)險評價12項(xiàng)參數(shù)評分值空間分布圖，迭置揭示了研究區(qū)內(nèi)地下水污染風(fēng)險的空間分布特征。研究區(qū)地面高程數(shù)據(jù)來自空間地理云數(shù)據(jù)庫，分辨率為30 m×30 m，見圖3(a)。在ArcMap 10.5中，通過加載數(shù)字高程圖得到研究區(qū)地面坡度信息。通過研究區(qū)水文地質(zhì)資料和地下水水位監(jiān)測資料獲取含水層深度、地下水流向與污染源位置關(guān)系、研究區(qū)水系分布；通過研究區(qū)年平均降雨量和降雨入滲系數(shù)等資料估算地下水凈補(bǔ)給量；通過實(shí)地調(diào)研收集整理研究區(qū)污染物種類；研究區(qū)含水層巖性和包氣帶巖性來源于區(qū)域地質(zhì)報告和中國地質(zhì)調(diào)查局官方網(wǎng)站；研究區(qū)土壤介質(zhì)類型來源于區(qū)域土壤侵蝕圖；研究區(qū)含水層水力傳導(dǎo)系數(shù)為根據(jù)含水層類型估計的經(jīng)驗(yàn)值；研究區(qū)滲濾液下滲量來源于相關(guān)文獻(xiàn)[17,25]；研究區(qū)農(nóng)業(yè)化肥和化糞池糞液下滲量、區(qū)域地下水用途等來源于對研究區(qū)土地利用圖[圖(3b)]和相關(guān)房建部門獲取的資料的分析。

研究區(qū)數(shù)字高程圖為2 189×2 082組成的矩陣數(shù)組，為提高賦值效率，本文在評價區(qū)上劃分為多個評價參數(shù)亞區(qū)，再對各亞區(qū)添加參數(shù)屬性字段并賦值，在存在主要污染源的位置(如垃圾填埋場附近)加密插值點(diǎn)。模型中參數(shù)評分插值點(diǎn)空間分布見圖3(c)，共計476個插值點(diǎn)。通過對評價亞區(qū)上各點(diǎn)進(jìn)行插值分析，獲取地下水污染風(fēng)險各評價指標(biāo)分值和綜合指數(shù)I值的空間分布圖，詳見圖4和圖5。

由圖5可見，簡易垃圾填埋場周圍地下水污染風(fēng)險評價指數(shù)最高達(dá)到5.1，明顯比周邊區(qū)域增加1～2，屬中風(fēng)險等級；研究區(qū)內(nèi)山區(qū)地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)基本小于4，說明地下水受到污染的概率較?。谎芯繀^(qū)河流附近、山谷和平原地區(qū)地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)增大，這是由于該區(qū)域存在大面積耕地和生產(chǎn)生活區(qū)，受到農(nóng)業(yè)化肥、畜禽養(yǎng)殖糞便和化糞池糞液下滲等人為因素的影響?？梢?，簡易垃圾填埋場周圍相對于研究區(qū)其他區(qū)域的地下水污染風(fēng)險更大，表明垃圾填埋場的滲濾液作為一種污染負(fù)荷增加了該地區(qū)地下水污染的風(fēng)險。

圖3 研究區(qū)數(shù)字高程圖(a)、土地利用圖(b)和評分 插值點(diǎn)位圖(c)Fig.3 Digital elevation map (a),land-use map (b) and score interpolation points (c) of the study area

圖4 研究區(qū)地下水污染風(fēng)險評價12項(xiàng)指標(biāo)分值的空間分布圖Fig.4 Distribution of 12 indexes scores of groundwater pollution risk assessment of the study area

圖5 研究區(qū)地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)及其 分級空間分布圖Fig.5 Distribution of the comprehensive indexes and the classification of groundwater pollution risk assessment of the study area

3 結(jié)論與建議

本文結(jié)合地下水固有脆弱性7項(xiàng)評價指標(biāo)和地下水污染負(fù)荷危害性5項(xiàng)評價指標(biāo)，對傳統(tǒng)DRASTIC模型進(jìn)行了改進(jìn)，運(yùn)用迭置指數(shù)法與ArcGIS空間分析技術(shù)考察研究區(qū)地下水污染風(fēng)險評價12項(xiàng)評價指標(biāo)和地下水污染風(fēng)險評價綜合指數(shù)的空間分布情況，全面、直觀地展現(xiàn)和評價了研究區(qū)地下水污染風(fēng)險，有利于分級管理與資源合理安排。通過實(shí)例應(yīng)用結(jié)果表明：簡易垃圾填埋場周圍地下水污染風(fēng)險明顯高于其他區(qū)域，作為一種進(jìn)入地下水的污染負(fù)荷，滲濾液會增加該地區(qū)地下水污染風(fēng)險，應(yīng)引起充分重視。此外，在傳統(tǒng)DRASTIC模型優(yōu)化方面，今后還需進(jìn)一步優(yōu)化評價指標(biāo)，并涵蓋污染物在包氣帶和含水層中的衰減等問題，增加地下水功能價值評價指標(biāo)，以為地下水污染風(fēng)險提供更加客觀、準(zhǔn)確、全面的評價方案。