戴元毅

福建省地質工程研究院

引言

地下水污染問題是社會公眾最為關心的問題之一。目前國內外常用的地下水易污性評價方法中DRASTIC指標法應用最廣，也是2008年中國地質調查局編寫的《地下水污染調查評價規(guī)范》（編號DD2008-01）推薦使用的地下水易污性評價方法。但在地下水易污性研究中，DRASTIC屬于經(jīng)驗性方法，評價方法為線性，并且人為確定各項指標的權重，具有較強的主觀性。對于水系統(tǒng)這樣一個非常復雜的巨系統(tǒng)，地下水易污性評價具有明顯的隨機性和模糊性，因此，綜合運用模糊分析理論和層次分析法(AHP)是地下水環(huán)境易污性評價的一個重要手段。本文采用AHP-DRASTIC方法確定易污性指標權重，擬建立一種較為完善合理的地下水易污性評價方法，并將其應用到上杭紫金山銅濕法廠區(qū)的地下水易污性評價中，通過與傳統(tǒng)DRASTIC方法的計算結果相比較，分析AHP-DRASTIC方法的合理可靠性。

1 DRASTIC方法及其局限性

1.1 DRASTIC方法

DRASTIC方法是將每一項指標劃分為不同的級別，對同一級別內的指標給以相同的賦值，以此來反映指標對地下水易污性影響的差異。該方法在龐大的地下水易污性評價指標體系中選取7個主要要素作為評價指標，它們是：含水層埋深(D)、含水層凈補給量(R)、含水層介質類型(A)、土壤介質類型(S)、地形坡度(T)、滲流區(qū)介質類型(I)、含水層水力傳導系數(shù)(C)，其中，D、R、T和C屬數(shù)值指標，可直接定量獲得；A、S和I屬介質類型指標，不可直接定量獲得。根據(jù)對地下水污染可能影響的大小，每個指標賦予一個權重因子，見表1上述各分項指標進行賦值（表1）。

權重賦值分為正常和農(nóng)田噴灑農(nóng)藥兩種情況，權重值越大被認為其對地下水易污性影響越大。另外，每個指標又被細分為不同的數(shù)值范圍(對于數(shù)值指標D、R、T和C)及介質類型(對于類型指標A、S和I)，并用指標值來量化這些數(shù)值范圍和介質類型對地下水污染程度的可能影響，各指標的分級范圍和賦值見表2和表3。

表1

表2 數(shù)值指標的分級與賦值

表3 介質類型指標的分級與賦值

表4 評價結論與級別的對應關系

1.2 DRASTIC方法的局限性

DRASTIC方法屬于經(jīng)驗性方法，且其評價方法是線性的，而地下水系統(tǒng)研究充滿不確定性和模糊性，因此，對于復雜的地下水易污性評價而言，該方法僅僅是一種評估方法，缺乏理論上的嚴謹性。在實際應用中存在的不足主要表現(xiàn)在：①各指標的賦值為離散值，同一級別內不同屬性值被賦予相同的賦值，因而忽略了指標本身連續(xù)變化這一客觀事實，從而使得評價結果的客觀性受到影響；②各項指標權重被視為定值，不隨研究區(qū)實際水文地質條件的不同而改變，影響了評價結果的客觀性。針對上述問題，本文將模糊分析評價理論和層次分析法（AHP）與DRASTIC方法相結合，使得地下水易污性評價更加科學合理化。

2 AHP-DRASTIC方法

2.1 易污性級別的確定

1）劃分評價級別：在Lobo-FerreiraJP等人在葡萄牙、大連、廣州的地下水易污性評價中，將評價結果劃分為8級，考慮到DRASTIC法中指標賦值分為10級（表2、表3），為與此相對應，現(xiàn)將地下水易污性評價結果劃分為I～X級，共10個級別（表4）。

2）構建指標評價標準特征值.根據(jù)目前國內外對DRASTIC法中數(shù)值指標和類型指標的分級及賦值標準（表1、2），可將地下水易污性評價的樣本集依據(jù)7個指標按10個級別的指標標準特征值進行識別，則有7×10階評價標準特征值矩陣（公式1）。

式中，yih為級別h、指標i的標準特征值：i=1,2,…,7；h=1,2,…,10。從中可看出指標又分為兩種不同類型：①正向指標，指標標準特征值yih隨級別h的增大而增大；②負向指標，指標標準特征值yih隨級別h的增大而減小。

2.2 權重系數(shù)的確定

在傳統(tǒng)的DRASTIC方法中，各指標的權重均為定值，不隨研究區(qū)域地下水環(huán)境具體情況的變化而發(fā)生改變，這就使得評價結果的客觀性受到影響。層次分析法（AHP）確定權重的特點是即考慮評價者的主觀判斷，又將評價對象的各種復雜因素用遞階層次結構表達出來，逐層進行評價分析。

根據(jù)本區(qū)地下水系統(tǒng)實際情況，AHPDRASTlC方法的權重計算具體步驟是按各指標重要程度，采用“0、1、2”構建矩陣再判斷，參考表1中權重值，在農(nóng)藥區(qū)和正常區(qū)分別利用AHP-DRASTIC法計算評價指標的權系數(shù)，見表5。

表5

2.3 地下水易污性評價

在傳統(tǒng)的D R A S T I C方法中，DRASTIC權重的賦值分為正常和農(nóng)田噴灑農(nóng)藥兩種情況。對于正常情況:DRASTIC地下水易污性指標由下式確定：

DRASTIC=5*D+4*R+3*A+2*S+T+5*I+3*C=5×7+4×9+3×6+2×9+10+5×10+3×2=174

農(nóng)藥情況：D R A S T I C地下水易污性指標由下式確定：

D R A S T I C=5*D+4*R+3*A+5*S+3*T+4*I+2*C=5×7+4×9+3×6+5×9+3×9+4×10+2×10=221

按DRASTIC方法分值易污性評價標準，本區(qū)屬于易污性較強區(qū)域。因此，應做好防止地表污染水入滲污染地下水的措施。

3 應用實例

本文以上杭紫金山銅濕法廠區(qū)為研究區(qū)，利用上述AHP-DRASTIC方法進行地下水易污性評價。上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地處福建省上杭縣城關的北側，屬中低山構造侵蝕中低山地貌類型，最大標高570.0m，最低190.0m，中部為銅礦濕法廠堆礦場，南、北部高，中部低的特點，地形坡度南北面陡峻，西面緩。因堆場、溶液池、生活區(qū)等的建設改造，原始地形地貌發(fā)生較大變化，原有的地表溪流因人為改造，形成埋于人工填土（石）之下的古河道。原同康溝流域經(jīng)人為改造，地形地貌、地質環(huán)境產(chǎn)生較大的變化。

Ⅰ區(qū)與Ⅱ區(qū)為表層素填土，其屬于土壤介質，為松散狀，最大干密度14.0 KN/m3～14.3KN/m3，最優(yōu)含水量25.5%～26.5%，滲透系數(shù)K值為2.65×10-2cm/s～7.05×10-4cm/s，屬強—中等透水性；Ⅲ區(qū)表層為碎石（基巖為震旦系的千枚狀粉砂巖、變質細砂巖），也屬于強透水、強滲流介質；素填土下直接為砂層、卵石等第四系含水層，屬強滲流介質；地下水埋深介于4.5m～9.0m，局部9.0m～15.0m；區(qū)域年平均降雨量為1676.6mm，凈補給量大于400mm；人為改造后地形坡度平緩，一般小于5°；含水層為砂層、卵石等，滲透系數(shù)范圍為7.67×10-3cm/s～7.38×10-4cm/s，巖土層滲透性較好。

圖1 上杭紫金山銅濕法廠區(qū)水文分區(qū)圖

圖2 由改進AHP-DRASTIC方法得到易污性分區(qū)圖

圖3 由DRASTIC方法得到易污性分區(qū)圖

本區(qū)內地下水污染途徑為徑流滲透型，基于影響本區(qū)地下水污染的各種影響因素，采用含水層埋深（D）、含水層的凈補給量（R）、含水層的巖性（A）、土壤介質類別（S）、地形坡度（T）、滲流區(qū)介質（I）、地下水的傳導系數(shù)（滲透系數(shù)）（C）等7項水文地質參數(shù)指標，應用DRASTIC指標體系評價方法，對區(qū)內的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ分區(qū)地下水進行易污性評價。

在圖1中I區(qū)表示古河道上堆礦場、溶液池淺層富水性區(qū)；II區(qū)表示一級階地地下水的強、中等富水性亞區(qū)；Ⅲ1、Ⅲ2區(qū)分別表示山前斜坡區(qū)地下水的一般富水性亞區(qū)。

應用地理信息軟件分別利用前述DRASTIC方法和AHP-DRASTIC方法進行地下水易污性等級評價，分別得到上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地下水易污性評價分區(qū)圖2和圖3。

圖2所示為AHP-DRASTIC方法的計算結果，看出上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地下水易污性級別大致分布在Ⅶ～X級之間，地下水系統(tǒng)整體狀況不容樂觀。易污性級別為Ⅱ、Ⅲ級的地區(qū)占23.1%，上覆土層顆粒小，地下水埋深深，屬于難以污染的低易污性地帶。評價級別為Ⅳ、Ⅴ級的地區(qū)占32.3%，該地區(qū)上覆土層顆粒比較小，包氣帶自凈能力較強，屬于不太容易受污染的地下水易污性略低地帶。評價級別為Ⅵ級的略高易污性地區(qū)占評價區(qū)域的11.81%，表明研究區(qū)內有相當一部分地區(qū)地下水容易受到污染，這些區(qū)域土層顆粒比較大，地下水埋深比較淺，雖有一定的抗污能力，但仍屬于易受污染的高易污性地帶。評價級別為Ⅶ、Ⅷ級的易污性較高區(qū)域占24.86%，該地區(qū)上覆土層多為顆粒比較大的砂或砂質亞黏土，透水性較強，且地下水位埋深較淺，抗污能力較弱。評價級別為Ⅸ、Ⅹ級的易污性很高或極高區(qū)域占19.58%，分布于中部堆礦場、溶液池，可視為農(nóng)藥區(qū)。屬于極易受污染、易污性極強區(qū)域，該區(qū)域地下水埋深淺，上覆土層一般為回填土，透水性強，有利于地表污染物的滲透和遷移，包氣帶的自凈能力比較弱，地下水補給強度大。同時，這一帶又是人類活動最為強烈的地區(qū)，堆礦、溶液池等污染現(xiàn)象很嚴重，是地下水重點保護區(qū)?？傮w上，本區(qū)地下水易污性大致呈正態(tài)分布，其中，Ⅱ～V級的不易污染、偏低易污性地區(qū)占43.73%，Ⅵ～Ⅹ級的易受污染、高易污性地區(qū)占56.27%。因此，本區(qū)地下水系統(tǒng)，整體上易受污染、易污性極高，這與實際情況基本吻合。

圖3所示為傳統(tǒng)DRASTIC方法的計算結果，含水層易污性評價值在174～211之間，主要集中在180～200范圍內。易污性級別為Ⅱ、Ⅲ級的低易污性地區(qū)占評價區(qū)域13.21%，易污性級別為Ⅳ、Ⅴ級的不太容易受污染的地下水易污性略低地區(qū)占15.36%，易污性級別為Ⅵ級的略高易污性地區(qū)占17.46%，易污性級別為Ⅶ、Ⅷ級的地區(qū)占44.03%，評價級別為Ⅸ、Ⅹ級的易污性很高或極高區(qū)域占9.91%。

以上兩種方法得到的含水層易污性等級分布范圍和變化走勢大致相似，僅在較小范圍內出現(xiàn)一定的差異，前者得到的不同地段含水層易污性等級的變化較后者更靈敏，分布范圍及變化情況更精確，與當?shù)氐叵滤h(huán)境實際情況更吻合；而后者評價結果相對較粗略，易污性等級變化缺乏連續(xù)性。因為DRASTIC方法各評價指標的權重為定值(表1)，沒有考慮到研究區(qū)的具體情況，也使得評價結果受到影響，而改進的AHPDRASTIC方法確定權系數(shù)，具有較強的數(shù)學性，并考慮了實測資料所反映的數(shù)據(jù)本身對評價結果的影響。

4 結語

地下水易污性評價參數(shù)的選取及方法的構建，應根據(jù)研究區(qū)的自然地理狀況、地質、水文地質條件、有關數(shù)據(jù)的數(shù)量與質量以及研究目的來確定，傳統(tǒng)的DRASTIC方法具有很大的局限性，而AHP-DRASTIC方法是直接定量獲得的評價指標用模糊理論的概念進行賦值，還考慮了評價指標在數(shù)量上和空間上的連續(xù)變化；并在確定指標權重時使得權重的確定具有一定的理論依據(jù)。將其應用于上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地下水易污性評價的實例研究中，計算結果表明：總體上本區(qū)地下水易污性大致呈正態(tài)分布，其中，Ⅱ～V級的不易污染、低易污性地區(qū)占43.73%，VI-X級的易受污染、偏高易污性區(qū)占56.27%，上杭紫金山銅濕法廠區(qū)地下水系統(tǒng)，整體上易受污染、易污性高，在考慮建設項目時，應盡量避免興建污染性強的項目，或者采取治理措施遏制污染的發(fā)生。這與當?shù)貙嶋H情況吻合較好，表明該方法在我國具有較好的應用效果。通過與傳統(tǒng)DRASTIC方法的計算結果相比較，可以看出：AHP-DRASTIC方法得到的地下水易污性等級變化較后者更靈敏，分布范圍及變化情況更精確，更能真實反映地下水易污性在空間上的連續(xù)變化性，從而評價結果更符合實際情況。同時該方法在權重確定時引入了層次分析法（AHP），使得權重的確定有了一定的理論依據(jù)，豐富和改進了地下水易污性評價方法，整個評價結果更合理。

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