基于DRASTIC方法的青島市嶗山區(qū)地下水脆弱性評價

剛什婷 賈濤 鄧英爾 邢立亭 彭同強 呂明薈 王逢爽

關(guān)鍵詞：地下水脆弱性；脆弱性分布；ＤＲＡＳＴＩＣ方法；青島嶗山區(qū)

海岸帶既是我國社會經(jīng)濟發(fā)展的主要區(qū)域，也是人類活動最活躍、最頻繁的地帶［１］。青島地處山東半島東南部，是區(qū)域性國際航運中心、東部沿海重要的創(chuàng)新中心、沿海重要中心城市。青島市人均水資源占有量為３４２ｍ３，僅達到全國平均值的１３％［２］，隨著經(jīng)濟快速發(fā)展，人口逐年增長，水資源短缺已成為制約青島市經(jīng)濟社會發(fā)展的短板［３］。受自然條件不斷變化和人類活動影響，其地下水被污染的可能性增大。在充分了解青島市嶗山區(qū)地下水水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，依托青島市嶗山區(qū)海水入侵調(diào)查項目，研究采用ＧＩＳ技術(shù)與地下水脆弱性評價模型，評價了青島市嶗山區(qū)淺層地下水脆弱性，并進行了地下水脆弱性分區(qū)，以期為青島市嶗山區(qū)地下水資源管理與規(guī)劃提供依據(jù)。

１研究區(qū)概況

為便于研究，研究區(qū)北起土寨河北岸，與即墨市海岸接壤；南至麥島，與青島市市南區(qū)海岸相接；東至海岸線；向西自海岸線向內(nèi)陸延伸３～５ｋｍ。研究區(qū)主要為沿海河流（土寨河、王哥莊河、曉望河、涼水河及南九水河等）的中下游沖積平原地區(qū)及山前沖洪積平原地區(qū)，還包括濱海部分養(yǎng)殖灘涂地帶，面積約２４５ｋｍ２。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風氣候區(qū)，四季分明、雨量較為豐富，多年平均降水量８２８．３ｍｍ，多年平均蒸發(fā)能力１４６１．１ｍｍ。境內(nèi)河流水系主要為沿海近緣水系，共有２３條大小河流，呈放射狀展布。河流特點是河長短、流速快、多直流入海，屬于季節(jié)性河流，地表徑流主要來源為大氣降水。研究區(qū)出露的地層較簡單，從老至新依次為元古界地層、中生界白堊系地層和新生界第四系地層。研究區(qū)位于即墨—牟平斷裂帶南段東側(cè)，隸屬于華夏系第二隆起帶構(gòu)造體系。對該地區(qū)影響最大的構(gòu)造運動為中生代燕山期地殼構(gòu)造運動，伴隨著燕山期中期相繼噴發(fā)的熔巖和廣泛侵入的花崗巖，喜馬拉雅運動再次抬升了嶗山區(qū)基底，從而加速了該地區(qū)的剝蝕沉積和地殼構(gòu)造運動。以北東東向韌性剪切帶和北西向脆性斷裂構(gòu)造為主，基巖以侵入式花崗巖為主，間有變質(zhì)巖，山間河谷盆地發(fā)育有第四系沉積物。

按照含水介質(zhì)和埋藏條件，地下水類型分為松散巖類孔隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和基巖裂隙水三大類。第四系孔隙含水巖組是研究區(qū)最重要的含水層，主要分布在研究區(qū)大小河流中下游河谷平原，該含水巖組巖性主要由不同粒徑的砂及砂礫石組成，滲水性強，含水量隨含水層厚度增大而增加，單井出水量為１００～５００ｍ３／ｄ，水位埋深多在２～４ｍ，除局部地段如河谷平原的砂及砂礫石之上覆蓋低滲透性的黏土或亞黏土在高水位時具有弱承壓性外，其他基本屬于孔隙潛水。研究區(qū)東南黃山—青山村一帶發(fā)育有碎屑巖類孔隙裂隙水，含水層巖性主要為下白堊統(tǒng)萊陽群的長石砂巖，因裂隙發(fā)育具有各向異性，故含水層的透水性、富水性均很弱，在巖性接觸帶或構(gòu)造發(fā)育的低洼處形成小型富水地段，單井出水量為５０～１００ｍ３／ｄ，適于分散式農(nóng)村用水。基巖裂隙水分為塊狀巖類裂隙水、層狀巖類裂隙水、噴出巖類孔洞裂隙水，一般富水性較弱，但在斷裂、巖脈旁側(cè)或褶曲軸部的巖石裂隙發(fā)育部位形成小型富水地段。

２評價方法

目前，國內(nèi)外地下水脆弱性評價方法主要有疊置指數(shù)法［４－６］、過程數(shù)學模擬法［７－９］、統(tǒng)計法［１０］和模糊數(shù)學法［１１］。在應用上，這些方法因其評價內(nèi)容、指標和側(cè)重點不同而適用于不同水文地質(zhì)條件的研究區(qū)域。過程數(shù)學模擬法是在水分和污染物運移過程分析和模型模擬基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建數(shù)學公式，利用模型得出地下水脆弱性綜合指數(shù)，該方法需要的參數(shù)較多，需要足夠的地質(zhì)數(shù)據(jù)和長系列的污染物遷移數(shù)據(jù)來支撐，適用范圍??；統(tǒng)計法是基于大量數(shù)據(jù)資料進行統(tǒng)計分析，對數(shù)據(jù)需求量較大；模糊數(shù)學法常用來評價地下水固有脆弱性，可在小比例尺下定量評價大范圍區(qū)域地下水脆弱性，缺點是隸屬函數(shù)為人為構(gòu)造，缺乏客觀性，且計算煩瑣；疊置指數(shù)法通過評價指標分值的疊加形成綜合指標來反映研究區(qū)地下水脆弱程度，數(shù)據(jù)獲取容易，方法容易掌握。目前，在國內(nèi)外廣泛使用的疊置指數(shù)法經(jīng)驗模型為美國環(huán)保署（ＥＰＡ）提出的ＤＲＡＳＴＩＣ模型。青島市嶗山區(qū)相對較大，地形較為復雜，加之存在海水入侵地段，因此采用應用比較廣泛的疊置指數(shù)法中的ＤＲＡＳＴＩＣ模型作為地下水脆弱性評價模型，并結(jié)合ＡｒｃＧＩＳ軟件形成各單要素評分圖，利用Ｃａｌｃｕｌａｔｅ功能，疊加計算各要素圖層，進而得到研究區(qū)地下水脆弱性分區(qū)圖。

地下水ＤＲＡＳＴＩＣ模型評價指標有地下水埋深Ｄ、地下水凈補給量Ｒ、含水層介質(zhì)類型Ａ、土壤介質(zhì)類型Ｓ、地形坡度Ｔ、包氣帶介質(zhì)類型Ｉ、含水層富水性Ｃ。將各個評價指標分成幾個區(qū)段（對于連續(xù)變量）或幾種主要介質(zhì)類型（對于文字描述性指標），并根據(jù)各個指標的相對重要性進行賦分，評分范圍為１～１０，對地下水脆弱性影響越大評分越高，各指標評分賦值標準見表１。同時，根據(jù)各個指標對地下水脆弱性的影響程度，對每個指標賦予相對權(quán)重值，相對權(quán)重值范圍為１～５，數(shù)值越大，表明該指標對地下水脆弱性的影響越大，見表２。脆弱性評價得分ＤＩ為７個指標的加權(quán)和。ＤＲＡＳＴＩＣ模型脆弱性綜合評價分兩種情況：一種是自然條件下地下水脆弱性評價，另外一種是農(nóng)業(yè)活動強烈區(qū)農(nóng)田噴灑農(nóng)藥情況下地下水脆弱性評價。研究區(qū)農(nóng)業(yè)活動較弱，因此只考慮自然條件下地下水脆弱性評價，具體計算公式：

３地下水脆弱性評價

１）地下水埋深。嶗山區(qū)西部中低山丘陵地帶，由于包氣帶厚度較大，地表污染物滲入含水層所需時間較長，污染物與氧氣接觸發(fā)生氧化反應的可能性較大，因此污染物被稀釋降解的可能性較大，地下水被污染的可能性較小。嶗山區(qū)東北部為海積平原，地下水埋深較淺，包氣帶厚度小，一旦地表有污染物存在，污染物就很容易穿透包氣帶進入地下水，因此地下水被污染的可能性較大。根據(jù)青島市嶗山區(qū)海水入侵地質(zhì)災害調(diào)查項目２０１７年７６個統(tǒng)測點的水位數(shù)據(jù)，繪制青島市嶗山區(qū)地下水埋深評分圖，見圖１?？梢钥闯?，地下水埋深的變化趨勢與地形、沉積物厚度基本一致，從西部嶗山山脈到海岸，地下水埋深不斷變淺。

２）地下水凈補給量。嶗山區(qū)位于暖溫帶大陸性季風氣候區(qū)，受雨季暖濕氣流影響較大，大氣降水補給為主要補給方式，因此凈補給量可以用各區(qū)域的降水入滲補給系數(shù)乘以多年平均降水量代替。根據(jù)研究區(qū)１９６０—２０１６年降水量數(shù)據(jù)，計算得出嶗山區(qū)年均降水量為８２８．３ｍｍ。對降水入滲系數(shù)有影響的因素主要圖１ 青島市嶗山區(qū)地下水埋深評分有平均降水量、降水強度、地形坡度、包氣帶巖性、地下水位埋深和地表植被等。本文降水入滲系數(shù)依據(jù)徐軍祥等［１２］和凌伯繼等［１３］的研究結(jié)果，綜合考慮地下水埋深及包氣帶巖性，參考林國慶等［１４］對該區(qū)域的研究，結(jié)合研究區(qū)地下水動態(tài)資料，確定黏土、砂質(zhì)黏土、黏質(zhì)砂土、粉細砂與中細砂的降雨入滲系數(shù)分別為０．１０～０．１５、０．１５～０．２０、０．２０～０．２５、０．２５～０．３０。利用ＡｒｃＧＩＳ繪制的青島市嶗山區(qū)地下水凈補給量評分見圖２。

土寨河、王哥莊河、涼水河、南九水河等河流河床為沖積砂礫層，以河流沖積砂礫石為主，降水入滲系數(shù)為０．４５，地下水凈補給量為３７２ｍｍ，評分為９分；中下游區(qū)域地表主要由粉質(zhì)黏土及中、細砂組成，形成沿河流的農(nóng)耕區(qū)，降水入滲系數(shù)為０．２０，地下水凈補給量為１６５．６ｍｍ，評分為６分；河漫灘地帶含水層巖性具有二元結(jié)構(gòu)，上覆黏土，降水入滲系數(shù)較?。缓７e平原地區(qū)地形相對平坦，微傾向海，地表巖性主要為粉質(zhì)黏土，降水入滲系數(shù)為０．１５，凈補給量為１２４．２ｍ，評分為６分；基巖裂隙含水巖組花崗巖、玄武巖、安山巖及凝灰?guī)r組成裂隙含水層，以構(gòu)造裂隙、風化裂隙為主，一般裂隙細小且發(fā)育淺，連通性差，加上坡度較大，降水流失較快，地下水凈補給量小于５０ｍｍ，評分為１分。

３）含水層介質(zhì)類型。根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)場調(diào)查，以及收集的各種鉆探資料和研究報告，基于ＧＩＳ繪制了青島市嶗山區(qū)含水層介質(zhì)類型評分圖，見圖３。青島市嶗山區(qū)含水層巖性主要為第四系松散巖類，主要分布在河流地帶，沿河流自上而下巖類粒度成分由粗變細，河道橫向上的變化規(guī)律：位于主河道及其兩側(cè)較近的地帶巖類粒度較粗、往兩側(cè)逐漸變細，大致呈對稱分布；碎屑巖類是次要的含水巖組，主要分布在中低山丘陵地帶；在嶗山中低、高山地帶主要分布基巖裂隙水，裸露的基巖裂隙發(fā)育不一，連通性很差。第四系松散含水巖組含水層巖性主要為黏土質(zhì)砂、細砂、中粗砂、砂礫石。土寨河、王哥莊河、曉望河、南九水河、張村河等河流上游山區(qū)溝口處，巖性以礫石、漂石為主，中間充填有黏土及砂土，評分為８分。全新世海相沉積區(qū)位于王哥莊、仰口灣、沙子口等沿海一帶，主要含水層巖性以細砂、中細砂、礫石為主，局部含淤泥質(zhì)土，評分為８分。河流河谷由全新世河流相沖積而成，主要由漂石、礫石、中粗砂組成，評分為８分。河流兩岸階地及其沖洪積平原由全新世河漫灘相沖洪積而成，具雙層結(jié)構(gòu)，上部以黏性土為主，下部以砂礫石為主，評分為６分。中晚更新世殘坡積區(qū)位于嶗山山脈東側(cè)（青山—仰口）山前地區(qū)，含水層巖性以暗紅色混砂粉質(zhì)黏土、漂石夾砂土為主，評分為５分。黃山、青山、下清宮一帶白堊紀萊陽群為山麓沖洪積相及河流相碎屑沉積組合，評分為４分。研究區(qū)基巖主要為花崗巖、片麻巖、玄武巖、安山巖、凝灰?guī)r等，該巖組地下水在地下滲流途徑較長，評分為４分。

４）土壤介質(zhì)類型。土壤介質(zhì)類型根據(jù)代表性鉆孔資料、第四系巖類分布情況、地貌圖以及土壤普查資料得到，基于ＧＩＳ繪制土壤介質(zhì)類型評分圖，見圖４。從圖４可以看出，大部分地區(qū)土壤介質(zhì)評分為３～６分。土壤主要為棕壤土，在河谷地帶為砂質(zhì)土壤。研究區(qū)濱海地帶分布著大面積的濱海鹽土、潮灘鹽土，鹽土的存在間接反映了海水入侵的可能性，對地下水脆弱性影響較大。

５）地形坡度。青島市嶗山區(qū)地處中低山丘陵地帶，地形在整個研究區(qū)范圍內(nèi)起伏變化比較大，根據(jù)地形坡度對地下水污染的影響大小，地形坡度評分見圖５。坡度大于１８°的區(qū)域主要為嶗山山脈一帶；北部秦家土寨、王哥莊、江家土寨以及南部沙子口一帶地形相對平緩，坡度為２°～６°。研究區(qū)地下水水質(zhì)最容易被破壞的是平原區(qū)和河谷地帶，其次為中低山丘陵區(qū)。

６）包氣帶介質(zhì)類型。嶗山區(qū)包氣帶介質(zhì)類型分區(qū)情況見圖６。土寨河、王哥莊河、曉望河、南九水河、張村河等河流堆積扇前緣地帶出露地層為第四系旭口組，含有黏土物質(zhì)的礫石層夾砂層是包氣帶的主要介質(zhì)類型，評分為５分。主河道包氣帶巖性主要為卵礫石，但根據(jù)調(diào)查，其內(nèi)部存在局部天窗，評分為１０分；河流及支流兩側(cè)上覆坡洪積物、沖積物，包氣帶巖性主要為砂礫石、中砂等，評分為６分；厚度較大的砂礫石層是河谷沖積層含水巖組包氣帶的主要介質(zhì)類型，評分為８分。研究區(qū)基巖出露區(qū)主要為凝灰?guī)r、花崗巖等，考慮裂隙發(fā)育程度評分分別為４分、２分。

７）含水層富水性。含水層富水性表征含水層出水能力，一般以規(guī)定某一口徑井孔的最大涌水量表示，它是衡量地下水開采時含水層出水量的標志，同時含水層出水能力影響著污染物隨水流的運移。單井涌水量越大，其污染危害越大，地下水脆弱性越高；單井涌水量越小，地下水脆弱性越低。較水力傳導系數(shù)來說，單井涌水量更易于獲取，研究區(qū)富水程度評分見圖７。

４評價結(jié)果分析

根據(jù)確定的地下水脆弱性評價指標體系、權(quán)重和計算公式，對青島市嶗山區(qū)地下水脆弱性進行計算。經(jīng)計算，ＤＲＡＳＴＩＣ值介于３９和２５５之間，分值越大，脆弱性越高，地下水環(huán)境越容易受到污染；分值越小，脆弱性越低，地下水環(huán)境越難受到污染。將地下水脆弱性按照高低劃分為５個等級，見表３。將ＤＲＡＳＴＩＣ的７個指標加權(quán)后疊加，得到青島市嶗山區(qū)地下水脆弱性分區(qū)，即難污染區(qū)、較難污染區(qū)、較易污染區(qū)、易污染區(qū)和極易污染區(qū)，見圖８。

１）難污染區(qū)。難污染區(qū)主要分布在研究區(qū)西部嶗山山脈一帶侵入巖、變質(zhì)巖分布區(qū)，地下水位埋深一般大于５ｍ，部分地區(qū)大于２０ｍ。含水介質(zhì)以基巖裂隙和巖體風化層為主，地下水富水性差，土壤介質(zhì)以黏性土為主，地形坡度大，包氣帶介質(zhì)以粉質(zhì)黏土為主，滲透系數(shù)較小，ＤＲＡＳＴＩＣ值為［３９，９２］，地下水脆弱性低，地下水難被污染。

２）較難污染區(qū)。較難污染區(qū)主要分布在碎屑巖和噴出巖區(qū)，地下水埋深大于１５ｍ，地下水可采量小，含水層以碎屑巖、噴出巖為主，地下水補給量小，土壤介質(zhì)薄，地形坡度大，包氣帶介質(zhì)以黏性土為主，風化為黏土狀，滲透系數(shù)小，ＤＲＡＳＴＩＣ值為（９２，１３９］，地下水脆弱性較低，地下水較難被污染。

３）較易污染區(qū)。較易污染區(qū)主要分布在王哥莊、東南部沙子口一帶，主要為第四系分布區(qū)，地下水埋深較淺，一般為１．８～６．１ｍ，含水介質(zhì)以中砂為主，土壤介質(zhì)以砂質(zhì)土為主，多見含粉質(zhì)黏土砂和粉砂，地形坡度中等。ＤＲＡＳＴＩＣ值為（１３９，１６６］，地下水較易被污染。

４）易污染區(qū)。易污染區(qū)主要分布在土寨河、王哥莊河、曉望河、南九水河、張村河等河流中下游河谷平原，地勢較低。地下水位埋深一般為２～５ｍ，含水介質(zhì)以松散巖類為主，土壤介質(zhì)較薄，地形坡度較小，包氣帶介質(zhì)以砂質(zhì)土為主，滲透系數(shù)較大，ＤＲＡＳＴＩＣ值為（１６６，１８９］，地下水脆弱性較高，地下水易被污染。

５）極易污染區(qū)。極易污染區(qū)主要分布在土寨河、王哥莊河、曉望河、南九水河、張村河等河流下游入海地段，地勢較低，且靠近海岸線。地下水埋深一般為１～２ｍ，含水介質(zhì)以松散巖類為主，土壤介質(zhì)較薄，地形坡度較小，ＤＲＡＳＴＩＣ值為（１８９，２５５］，地下水脆弱性高，地下水極易被污染。

５結(jié)論

在分析青島市嶗山區(qū)地質(zhì)條件及地下水賦存條件的基礎(chǔ)上，采用ＤＲＡＳＴＩＣ模型，對青島市嶗山區(qū)地下水脆弱性進行了評價，同時采用ＡｒｃＧＩＳ軟件，將各評價因子分區(qū)圖疊加并整合，形成青島市嶗山區(qū)地下水脆弱性評價分區(qū)圖。青島市嶗山區(qū)地下水脆弱性總體水平較低。嶗山區(qū)地下水脆弱性從嶗山西南向東北方向呈現(xiàn)逐漸增高趨勢。嶗山強切割低山地區(qū)，地下水脆弱性較低，地下水埋深較大，坡度大，且人口密度小，地下水不易受外界污染物污染；土寨河、王哥莊河、曉望河、南九水河、張村河等河流中下游地區(qū)，地勢較低，且靠近海岸線，加之受海水入侵影響較大，地下水脆弱性較高，外界污染物極易污染該區(qū)域地下水，因此開展地下水監(jiān)測與保護工作刻不容緩。