王萬(wàn)金,陳登齊

(貴州地質(zhì)工程勘察院,貴州貴陽(yáng) 550008)

地下水脆弱性是指由于自然條件變化或人類活動(dòng)影響,地下水遭受破壞的趨向和可能性[1-4]。對(duì)地下水環(huán)境的脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià),可以幫助制定地下水管理戰(zhàn)略和方針,以最大限度地保護(hù)地下水資源。

筆者選取西南巖溶區(qū)典型的地下河流域——貴州省安龍縣四方洞地下河流域進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

四方洞地下河位于貴州省黔西南州安龍縣境內(nèi),是一個(gè)巖溶地下水系統(tǒng)[5],流域面積1 290 km2,而碳酸鹽巖出露面積占整個(gè)流域面積的80.13%。巖溶地下水系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)特的水循環(huán)系統(tǒng), 具有循環(huán)系統(tǒng)變異敏感度高、抗干擾能力弱、穩(wěn)定性差等一系列脆弱性特征[1,6-7]。造成地下水境脆弱的原因很多, 為了能夠?qū)Φ叵滤嗳跣赃M(jìn)行客觀的評(píng)價(jià),必須建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系, 并對(duì)不同脆弱區(qū)的脆弱程度進(jìn)行量化。對(duì)流域內(nèi)地下水環(huán)境現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查分析,并綜合了相關(guān)專家及相關(guān)專業(yè)人員的意見,得出在影響巖溶石山地區(qū)地下水脆弱性的諸多因素中,出露地層、地下水埋深、石漠化程度、植被覆蓋率、土層厚度、巖層產(chǎn)狀是其中主要的影響因素,將這6 項(xiàng)主要影響因素作為地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo), 構(gòu)建地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

a.出露地層。出露地層通常也是該區(qū)地下水的主要含水層,作為地下水資源的載體,它本身具有的特性,如巖溶化程度、孔隙度、滲透率、導(dǎo)水率或有效滲透系數(shù)等,很大程度上決定了其抵抗水污染的能力。評(píng)價(jià)區(qū)的出露地層由老至新分別為：二疊系茅口組(P2m)、龍?zhí)督M(P3l)、長(zhǎng)興組(P3c),三疊系夜郎組(T1y)、永寧鎮(zhèn)組(T1yn)、羅樓組(T2l)、關(guān)嶺組(T2g)、楊柳井組(T2y)、壟頭組(T2l)、竹竿坡組(T3z)、賴石科組(T3ls)、把南組(T3b)、火把沖組(T3h)、二橋組(T3e)。

b.地下水埋深。地下水埋深決定了污染物到達(dá)含水層之前傳輸媒介材料的深度,以及污染物與周圍介質(zhì)接觸的時(shí)間。通常,地下水埋深越大,污染物到達(dá)含水層所需的時(shí)間越長(zhǎng),則污染物稀釋的機(jī)會(huì)就越多。

c.石漠化程度。石漠化導(dǎo)致了土地涵養(yǎng)水源的能力下降,人畜飲水困難,可利用耕地面積減少,土壤肥力下降,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力低下,并加快了地下水系統(tǒng)的循環(huán)速度。石漠化嚴(yán)重的地區(qū)地下水系統(tǒng)脆弱性較高。

d.植被覆蓋率。植被覆蓋程度對(duì)地下水資源的影響主要體現(xiàn)在大氣降水及地表水的下滲速度、地下水匯流速度、含水層保水效率等[8]。植物還具有一定的污水凈化功能,因此植被覆蓋率高的地區(qū)含水層的脆弱性等級(jí)低。

e.土層厚度。土壤類型和土層厚度不同,其自然降解污染物組分及污染物入滲的能力也不同,土層越厚,持水量越大,雨后滯蓄在土層及裂隙中的水以蒸發(fā)形式返回大氣,因此土層越厚,含水層的脆弱性就越低。

f.巖層產(chǎn)狀。巖層產(chǎn)狀為含水層固有特性,對(duì)大氣降水及地表水的下滲速度、地下水的匯流速度、含水層的保水效率都有較大影響。巖層傾角平緩的地區(qū)含水層的脆弱性等級(jí)相對(duì)較高。

2 評(píng)價(jià)因子實(shí)際值的量化

目前尚無(wú)統(tǒng)一的地下水脆弱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),沒(méi)有普遍認(rèn)可的地下水脆弱性評(píng)價(jià)依據(jù)。為達(dá)到定量評(píng)價(jià)地下水脆弱性的目的,就需對(duì)地下河系統(tǒng)各項(xiàng)地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行量化。根據(jù)調(diào)查人員在野外的調(diào)查情況,綜合相關(guān)專家及技術(shù)人員的意見,分別對(duì)各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。為計(jì)算方便,評(píng)價(jià)因子的分值取[1,5]之間的整數(shù)。對(duì)四方洞地下河系統(tǒng)地下水脆弱性各評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦值見表1。

3 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的賦值

由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)體系因子在指標(biāo)體系中的作用不同,對(duì)地下水脆弱性的影響程度也不相同,為了區(qū)分它們對(duì)評(píng)價(jià)系統(tǒng)影響的差異[9-10],需要確定各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重。研究采用層次分析法(簡(jiǎn)稱AHP)[11]來(lái)確定四方洞地下河系統(tǒng)地下水脆弱評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。

a.建立判斷矩陣。根據(jù)層次分析法的比例標(biāo)度及含義,綜合相關(guān)專家及專業(yè)技術(shù)人員意見,對(duì)單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分,建立判斷矩陣A。

b.計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)因子的權(quán)重(利用求和法)。將判斷矩陣A 按列求和,并作歸一化處理,求得矩陣B：

將矩陣 B 按行求和得矩陣 V, V =[2.84 0.91 0.78 0.54 0.52 0.41]T,再將矩陣V進(jìn)行 歸 一 化 處 理 得 矩 陣 W, W =[0.47 0.15 0.13 0.10 0.09 0.07]T。矩陣W 即為各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重：出露地層為0.47,地下水埋深為0.15,石漠化程度為0.13,植被覆蓋率為0.10,土層厚度為0.09,巖層產(chǎn)狀為0.07。

表1 對(duì)四方洞地下河系統(tǒng)地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)的賦值

c.進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

矩陣A×W=[2.89 0.93 0.80 0.55 0.53 0.41]T

計(jì)算判斷矩陣最大特征根值λmax：

計(jì)算一致性指標(biāo)CI ：

查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI, 可查表得出n =6 時(shí),RI =1.24。

計(jì)算一致性比例CR ：

CR ＜0.1,故判斷矩陣A 一致性好,得出的各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重值是較為合理的,可以運(yùn)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

4 地下水脆弱度計(jì)算公式

對(duì)四方洞地下河系統(tǒng)進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià),可視為利用數(shù)學(xué)模型對(duì)一個(gè)面域做某項(xiàng)評(píng)價(jià)。要解決面域的評(píng)價(jià)問(wèn)題,可先把面域分解為無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn),再對(duì)這無(wú)數(shù)個(gè)點(diǎn)按一定的標(biāo)準(zhǔn)作出相應(yīng)的評(píng)價(jià),最后整合各個(gè)點(diǎn)的評(píng)價(jià)結(jié)果,得出整個(gè)面域的評(píng)價(jià)結(jié)果。

針對(duì)具體的一個(gè)點(diǎn)(小區(qū)域),上述6 項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)在實(shí)際中均有相應(yīng)的值與之對(duì)應(yīng)。根據(jù)表1 查出其單項(xiàng)指標(biāo)對(duì)應(yīng)分值,將其與各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重值相乘,再相加,得出一個(gè)點(diǎn)(小區(qū)域)脆弱性總分值[12]。其數(shù)學(xué)計(jì)算公式為

式中：F 為一個(gè)點(diǎn)(小區(qū)域)脆弱性評(píng)價(jià)總分值;fi為單個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分值;ki為對(duì)應(yīng)fi的權(quán)重值。

得出單個(gè)點(diǎn)(小區(qū)域)的總分值后,結(jié)合各評(píng)價(jià)指標(biāo)因子權(quán)重值,對(duì)F 值采用加權(quán)平均法,將評(píng)價(jià)區(qū)地下水劃分為低脆弱、較低脆弱、中等脆弱、較高脆弱、高脆弱5 個(gè)等級(jí)。脆弱性評(píng)價(jià)總分值F 與脆弱等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系是：低脆弱, F ＜1.5;較低脆弱,1.5 ＜F ＜2.5;中等脆弱,2.5 ＜F ＜3.5;較高脆弱,3.5 ＜F ＜4.5;高脆弱,F ＞4.5。

5 地下水脆弱度評(píng)價(jià)過(guò)程

目前地理信息系統(tǒng)(GIS)已具有了空間疊加分析的能力。本次評(píng)價(jià)采用簡(jiǎn)單易操作的Arcview3.2軟件,對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行空間疊加分析,以圖示的方法得出最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

具體過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

a.用Arcview3.2 分別制作同比例尺的各評(píng)價(jià)指標(biāo)實(shí)際值分布圖(圖1)。

b.在Arcview3.2 中輸入分析函數(shù)(公式1)進(jìn)行各指標(biāo)的疊加分析,得出四方洞流域地下水脆弱性評(píng)價(jià)圖(圖2)。

經(jīng)分析,四方洞地下河系統(tǒng)地下水高脆弱區(qū)面積約100.85km2,占流域面積的7.8%,主要分布于興仁縣、李關(guān)、屯腳、普坪一帶,該區(qū)出露地層主要為三疊系中統(tǒng)楊柳井組(T2y)、三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g),石漠化嚴(yán)重,植被覆蓋率低;地下水較高脆弱區(qū)面積約587.3 km2,占流域面積的45.5%,主要分布于安龍縣、錢相、篤山及交樂(lè)、海子一帶,該區(qū)出露地層主要為三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組(T1yn)、三疊系中統(tǒng)關(guān)嶺組(T2g),主要為中度石漠化分布區(qū),植被覆蓋率較低;脆弱性較低及低的區(qū)域主要為植被覆蓋較好、土層厚度大的灑雨地區(qū)及碎屑巖分布區(qū)域。

6 污染現(xiàn)狀與脆弱性分區(qū)對(duì)比分析

2011 年1 月,在四方洞地下河流域內(nèi)取地表水樣6 組、地下水樣12 組,并整合當(dāng)?shù)厮h(huán)境監(jiān)測(cè)部門資料,綜合分析四方洞流域地表水和地下水的水質(zhì)現(xiàn)狀,再結(jié)合上述地下水脆弱性分區(qū),四方洞流域地下水、地表水污染現(xiàn)狀與地下水脆弱性分區(qū)對(duì)照?qǐng)D作出(圖3)。

由圖3 可以看出,四方洞地下河流域內(nèi)主要污染源(煤礦、金礦)多分布于地下水脆弱性較低或低的區(qū)域,這些區(qū)域的地下水未受明顯污染,但地表水體污染嚴(yán)重。受污染的地表水流經(jīng)地下水脆弱度等級(jí)較高的中下游地區(qū),通過(guò)裂隙、落水洞、地下河入口等進(jìn)入高脆弱區(qū)的地下水系統(tǒng)[13-14], 對(duì)流域北部、中部地區(qū)的地下水造成嚴(yán)重的污染。經(jīng)水質(zhì)化驗(yàn)表明,興仁縣至李關(guān)鄉(xiāng)一帶3 個(gè)水文鉆孔的水質(zhì)為Ⅲ類水質(zhì),2 個(gè)巖溶泉的水質(zhì)為Ⅳ類水;四方洞出口的水質(zhì)為Ⅳ類水;四方洞地下河北邊支管道的水已受污染。相反,在沒(méi)有礦山開采活動(dòng)的流域南面,雖然地下水脆弱性較高,但該區(qū)域內(nèi)的地下水及地表水并未受明顯污染。由此可以看出地下水脆弱性反映了自然界和人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響程度。

圖1 各脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)量化值分布

圖2 四方洞流域地下水脆弱性分區(qū)

圖3 四方洞流域地下水、地表水污染現(xiàn)狀與地下水脆弱性分區(qū)對(duì)比

在西南巖溶石山地區(qū),有很多地下河流域在水文地質(zhì)條件、礦產(chǎn)資源分布及城鎮(zhèn)布局方面與四方洞地下河類似。建議在類似地下河流域內(nèi)進(jìn)行礦產(chǎn)資源開發(fā)及城鎮(zhèn)建設(shè)的同時(shí),應(yīng)加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)、生活污廢水排放的控制和處理,盡可能保護(hù)地表水環(huán)境,從而降低地下水環(huán)境被污染的程度。

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