基于GIS與DRASTIC模型的白銀市白銀區(qū)地下水脆弱性評價

張 偉，趙 旭，吳耀坤

(1.甘肅省地下水工程及地?zé)豳Y源重點實驗室，甘肅 蘭州 730050；2.甘肅省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，甘肅 蘭州 730050)

1 研究區(qū)概況

白銀市位于甘肅省中部，被譽為中國的“銅城”，是甘肅省重要的有色金屬和能源化工基地，是甘肅省“蘭白都市經(jīng)濟圈”經(jīng)濟發(fā)展重要城市。白銀區(qū)為白銀市政府所在地，東鄰靖遠(yuǎn)縣，西連皋蘭縣，南與榆中縣隔黃河相望，北靠景泰縣。全區(qū)東西長47 km，南北寬60 km，總面積1 372 km2。其地理坐標(biāo)為：東經(jīng)103°54′24″～104°24′55″，北緯36°14′38″～36°47′29″。

研究區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，據(jù)白銀氣象站觀測資料，研究區(qū)多年平均氣溫為7.9℃，最冷月1月平均氣溫-7.8℃，最熱月7月平均氣溫21.3℃，極端最低氣溫-26.08℃，極端最高氣溫37.3℃。多年平均降水量204.3 mm，其中7-9月降水量占全年降水量的66.1%，且多以集中的大雨及暴雨形式出現(xiàn)。多年平均蒸發(fā)量1 997.1 mm，是降水量的9.8倍。

研究區(qū)屬黃河流域上游的黃河干流水系。區(qū)內(nèi)主要溝谷有西大溝、東大溝等，均屬黃河一級支流，自西北向東南直接注入黃河。西大溝發(fā)源于境內(nèi)西北部的青石峴、頭道溝一帶，主溝總長70 km，非洪水期流量0.2 m3/s，洪水期流量0.9 m3/s。東大溝發(fā)源于境內(nèi)北部的宋梁南麓的左家溝、大井子溝一帶，主溝總長38 km，在白銀城區(qū)以下非洪水期流量0.3 m3/s，洪水期流量流量0.7 m3/s。

2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

根據(jù)地下水賦存條件和含水巖組性質(zhì)，研究區(qū)地下水類型可劃分為基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水三類。

2.1 基巖裂隙水

分布與研究區(qū)西部的基巖山區(qū)，分布不均、埋藏淺。含水介質(zhì)為變質(zhì)砂巖和綠泥片巖，構(gòu)造裂隙發(fā)育填充程度較低。地下水接受大氣降水補給，沿基巖的網(wǎng)狀裂隙通道運動，最終以泉或以潛流的形式向地勢低洼處排泄。含水層厚度30～80 m，富水性差，一般0.01～0.03 L/s。

2.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

分布于黃河高階地一帶。地下水儲存于白堊系、新近系紅色砂巖、砂礫巖地層中，包括層間孔隙裂隙潛水和承壓水。補給源為大氣降水、地表水和松散巖類孔隙水，以泉和地下徑流的形式向外階地前緣排泄。其中，層間孔隙裂隙潛水水量較小，一般0.01～0.03 L/s；承壓水頂板埋深30～100 m，單井涌水量130.5～187.7。

2.3 松散巖類孔隙水

分布于較大的河、溝谷地。地下水主要接受農(nóng)田灌溉水、大氣降水和溝谷潛水等補給，從上游向下游徑流，以泉水地形式在階地前緣排泄。含水層厚度3.7～6.3 m，地下水水位埋深垂直河谷由淺漸深。其中Ⅰ級階地水位埋深1～2.8 m，Ⅱ級階地水位埋深3.2～32 m。富水性中等，單井涌水量500～1 000 m3/d。水化學(xué)類型以SO4-Ca·Mg型為主，溶解性總固體小于1 g/L。

3 地下水脆弱性評價方法

地下水脆弱性評價主要采用迭置指數(shù)法[1]，基本原理為通過對選取的評價參數(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)，包括指標(biāo)、權(quán)重、值域和分級。國外地下水脆弱性的研究開展較早[2-3]，DRASTIC模型在地下水脆弱性評價中應(yīng)用最為廣泛，由美國環(huán)保署于1987年提出[4-5]，后在美國、加拿大、南非及歐共體廣泛應(yīng)用在地下水脆弱性研究中。

根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)條件，地下水脆弱性評價采用DRASTIC模型，評價模型由地下水位埋深(D)、垂向凈補給量(R)、含水層厚度(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)、包氣帶介質(zhì)類型(I)和含水層滲透系數(shù)(C)等7個水文地質(zhì)參數(shù)組成[6-12]。模型中每個指標(biāo)都分成幾個區(qū)段，每個區(qū)段賦予評分。然后根據(jù)每個指標(biāo)對脆弱性影響大小計算相應(yīng)權(quán)重，最后通過加權(quán)求和，得到地下水脆弱性指數(shù)(DI)。

DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TWTR+IWIR+CWCR

式中：DI為地下水脆弱性指數(shù)；DW、DR分別為地下水位埋深權(quán)重、地下水位埋深評分；RW、RR分別為垂向凈補給量權(quán)重、垂向凈補給量評分；AW、AR分別為含水層厚度權(quán)重、含水層厚度評分；SW、SR分別為土壤介質(zhì)權(quán)重、土壤介質(zhì)評分；TW、TR分別分別為地形坡度權(quán)重、地形坡度評分；IW、IR分別為包氣帶介質(zhì)類型權(quán)重、包氣帶介質(zhì)類型評分；CW、CR分別為含水層滲透系數(shù)權(quán)重、含水層滲透系數(shù)評分。

地下水脆弱性評估指標(biāo)的數(shù)據(jù)來源、說明及推薦權(quán)重見表1，指標(biāo)等級劃分和賦值見表2。

表1 DRASTIC模型各指標(biāo)說明和權(quán)重推薦值

表2 地下水脆弱性評估指標(biāo)等級劃分和賦值

地下水脆弱性綜合指數(shù)取值范圍為23～230，綜合指數(shù)值與脆弱性評價結(jié)果級別的對應(yīng)關(guān)系見表3，綜合指數(shù)值越高，地下水脆弱性越高，反之脆弱性越低。

表3 地下水脆弱性評價結(jié)果等級劃分推薦值

各參數(shù)的分級分析在GIS平臺上進(jìn)行，根據(jù)收集到的不同的數(shù)據(jù)參數(shù)，在ArcGIS中生成可用于分析的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行分類分析[13-15]。最后，按照地下水脆弱性分級標(biāo)準(zhǔn)(表3)，繪制出研究區(qū)地下水脆弱性評價分級結(jié)果。

4 地下水脆弱性評價

4.1 地下水位埋深(D)

研究區(qū)潛水水位埋深呈現(xiàn)由北至南逐漸變淺的變化規(guī)律。北部地區(qū)水位埋深大于30 m，東北側(cè)溝谷地帶埋深較淺，水位埋深大致2～4 m。西南側(cè)基巖山區(qū)，水位埋深大于30 m，向東南側(cè)水位埋深逐漸變淺，至河谷地區(qū)水位埋深僅1 m左右(圖1)。

4.2 垂向凈補給量(R)

研究區(qū)地下水垂向補給來源主要為大氣降水，故近似采用降水入滲補給量代替垂向凈補給量。研究區(qū)年均降水量自東南向西北逐漸減小，東南部降水量可達(dá)250 mm，西北部降水量約190 mm，全區(qū)內(nèi)多年平均降水量204.3 mm。根據(jù)全區(qū)降水量分布DEM數(shù)據(jù)，乘以相應(yīng)的入滲系數(shù)，利用ArcGIS作圖，得到垂向凈補給量評分圖(圖2)。

圖1 研究區(qū)地下水水位埋深分級圖 圖2 研究區(qū)垂向凈補給量分級圖

4.3 含水層厚度(A)

研究區(qū)地下水類型主要為第四系松散巖類孔隙潛水，在黃河沿岸有少部分地區(qū)的含水層厚度為10～15 m，其余的地區(qū)含水層厚度均小于10 m。研究區(qū)含水層厚度評分見圖3。

圖3 研究區(qū)含水層介質(zhì)分級圖 圖4 研究區(qū)土壤介質(zhì)分級圖

4.4 土壤介質(zhì)(S)

研究區(qū)黃河沿岸及其較大支溝谷地為全更新統(tǒng)的沖洪積物，向北沿溝谷地帶巖石粒度逐漸變細(xì)，這一部分地區(qū)土壤介質(zhì)以礫石、中砂、粗砂為主。北部的基巖山區(qū)地區(qū)其主要巖性為白堊系和三疊系的泥巖、砂巖。西部和北部主要為上更新統(tǒng)黃土，土壤介質(zhì)為粉質(zhì)壤土。北部還有部分以奧陶系基性、中基性花崗巖為基巖的地區(qū)、以及部分新近系砂巖、砂礫巖地區(qū)(圖4)。

4.5 地形坡度(T)

研究區(qū)大體呈四面環(huán)山，中部城區(qū)平緩的盆地地形?？偟貏菸鞅备?、東南低，西北邊界最高點武川鄉(xiāng)境內(nèi)的青峴標(biāo)桿山海拔2 273 m；東南部最低點四龍鎮(zhèn)境內(nèi)的黃河河心灘地海拔1 420 m，最大相對高差853 m(圖5)。

圖5 研究區(qū)地形坡度分級圖 圖6 研究區(qū)包氣帶介質(zhì)分級圖

4.6 包氣帶介質(zhì)類型(I)

研究區(qū)包氣帶介質(zhì)為粉細(xì)砂、礫石、中砂、卵礫石。其中，南部黃河沿岸主要為卵礫石，黃河一級支溝溝底包氣帶介質(zhì)主要為粗砂、粉細(xì)砂。北部較小溝谷內(nèi)包氣帶介質(zhì)為中細(xì)砂、砂礫石(圖6)。

4.7 含水層滲透系數(shù)(C)

研究區(qū)滲透系數(shù)隨著水位埋深的變淺而減小。黃河河谷地帶及其較大的支溝地帶滲透系數(shù)最大，滲透系數(shù)可達(dá)35～40 m/d，其余地區(qū)的滲透系數(shù)普遍較小，都小于5 m/d(圖7)。

圖7 研究區(qū)含水層滲透系數(shù)評分圖

5 脆弱性評價結(jié)果

經(jīng)過ArcGIS疊加分析，研究區(qū)地下水脆弱性綜合指數(shù)分布范圍在72～172之間，對評價結(jié)果按照分級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級(圖8)

圖8 研究區(qū)地下水脆弱性分級圖

較低脆弱區(qū)主要分布在北部吳家窯、西部白楊樹溝、西南部宋家灣一帶，面積為516.5 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的38.76%。中等脆弱區(qū)主要分布年家莊一帶溝谷兩側(cè)地區(qū)，面積為278.5 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的20.91%。較高脆弱區(qū)主要分布在南部甘沙河、窯溝、瓜地溝兩側(cè)的基巖山區(qū)一帶，面積為393.2 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的29.50%。高脆弱區(qū)主要分布在南部的黃河沿岸一帶，及其較大的支溝西大溝和東大溝溝谷地帶，面積最小，為144.3 km2，占調(diào)查區(qū)總面積的10.83%。

6 結(jié)語

在系統(tǒng)分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，并在研究區(qū)地下水資源評價的基礎(chǔ)上，建立了DRASTIC地下水脆弱性評價模型，利用GIS技術(shù)繪制了各項指標(biāo)分級圖，在此基礎(chǔ)上通過疊加分析得到評價結(jié)果，并進(jìn)行了分級分區(qū)。評價結(jié)果表明，研究區(qū)地下水脆弱性總體較低，吳家窯、白楊樹溝、宋家灣一帶地下水脆弱性較低，占研究區(qū)總面積的38.8%；年家莊一帶溝谷兩側(cè)及南部甘沙河、窯溝、瓜地溝兩側(cè)的基巖山區(qū)地下水脆弱性中等，占研究區(qū)總面積的50.4%；黃河沿岸及其較大的支溝地帶脆弱性較高,占研究區(qū)總面積的10.8%。

研究區(qū)地下水脆弱性總體較低或中等，防污性能好。為地下水環(huán)境調(diào)查、保護(hù)規(guī)劃、污染防治提供了依據(jù)，合理開發(fā)利用地下水資源、土地資源、廢棄物填埋場的選址等工作具有一定的指導(dǎo)意義。根據(jù)地下水脆弱性評價結(jié)果，建議在人類活動和工業(yè)生產(chǎn)集中的地區(qū)，防治工業(yè)“三廢”和有機污染[16]，加強黃河干流及其主要支流地下水環(huán)境監(jiān)測與評價。