(1.河北省秦皇島水文水資源勘測(cè)局，河北 秦皇島 066000；2.北京艾力泰爾信息技術(shù)股份有限公司，北京 100038)

水是人類社會(huì)賴以生存和發(fā)展的不可替代的重要資源，是經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必要條件之一。近年來，對(duì)水資源尤其是地下水資源的過度開發(fā)，已造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，如：地下水超采、海水入侵等，直接威脅到人民群眾飲用水安全。隨著秦皇島經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，水資源供需矛盾日益凸顯，水資源短缺已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的瓶頸?！肚鼗蕧u市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，2020年要建成構(gòu)建“一路雙線、東西互濟(jì)、三庫聯(lián)調(diào)、四區(qū)雙水”的供水基本框架，構(gòu)建多水源互補(bǔ)、豐枯調(diào)劑的供水安全網(wǎng)絡(luò)。

地下水脆弱性是指由于自然條件變化和人類活動(dòng)影響，地下水遭受破壞的趨向和可能性，它反映了地下水對(duì)自然和人類活動(dòng)影響的抵御能力[2]。地下水脆弱性分析是合理開發(fā)利用和保護(hù)地下水環(huán)境的基礎(chǔ)，近幾年,我國(guó)學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了大量的研究工作，2012年唐立強(qiáng)等[3]對(duì)DRASTIC模型的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法的局限性和缺陷進(jìn)行了探討；2013年王維琦等[4]運(yùn)用DRASTIC模型對(duì)延吉市河谷地區(qū)地下水脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)；2015年王建紅等[5]運(yùn)用Mapgis的DRASTIC模型對(duì)黃山市中心城區(qū)地下水防污性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。本文運(yùn)用GIS技術(shù)的空間分析及制圖功能，與DRASTIC相結(jié)合，統(tǒng)籌考慮地下水埋深、凈補(bǔ)給量、含水層介質(zhì)、土壤介質(zhì)、地形坡度、包氣帶影響、水力傳導(dǎo)系數(shù)等指標(biāo)綜合對(duì)地下水防污性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得到秦皇島平原區(qū)地下水脆弱性分區(qū)成果圖，為當(dāng)?shù)氐叵滤侠黹_發(fā)利用、水資源保護(hù)、配置提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

秦皇島市位于河北省東北部，東北接遼寧省綏中縣，西北臨河北省承德市，西靠唐山市的灤縣、遷安市，南臨渤海，面積7802km2，其中山區(qū)面積5648km2，平原面積2154km2。海岸線東起山海關(guān)金絲河口，西止昌黎縣灤河口，總長(zhǎng)162.70km，所轄海區(qū)20m等深線以內(nèi)總面積2114km2。

1.2 氣象水文與水資源

秦皇島市的氣候類型屬于暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候。因受海洋影響較大，氣候比較溫和，春季少雨干燥，夏季溫?zé)釤o酷暑，秋季涼爽多晴天，冬季漫長(zhǎng)無嚴(yán)寒。轄區(qū)內(nèi)地勢(shì)多變，但氣候影響不大。多年(1956—2015年)平均氣溫10.10℃，多年平均降水量661.70mm，多年平均陸面蒸發(fā)量537mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1110mm。蒸發(fā)最強(qiáng)的季節(jié)為春、秋季，3—5月蒸發(fā)量約占年總量的32%。多年平均水資源量為16.80億m3，其中地表水水資源量為13.09億m3，地下水水資源量為7.45億m3，重復(fù)計(jì)算量為3.74億m3。

1.3 社會(huì)經(jīng)濟(jì)

據(jù)《秦皇島市國(guó)民經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)年鑒》(2015年)統(tǒng)計(jì)，2015年末全市常住人口307.32萬人，其中農(nóng)業(yè)人口163.15萬人，占總?cè)丝诘?5.3%，非農(nóng)業(yè)人口132.49萬人，人口密度394人/km2。全年共接待國(guó)內(nèi)外游客3372.4萬人次。全市國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值1250.44億元，其中第一產(chǎn)業(yè)177.63億元，第二產(chǎn)業(yè)445.09億元，第三產(chǎn)業(yè)627.72億元。人均國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值達(dá)到40746元。全市總耕地面積19.55萬hm2，其中水澆地面積10.55萬hm2。

2 地下水脆弱性指標(biāo)體系構(gòu)建

地下水脆弱性的評(píng)價(jià)一般是選取疊置指數(shù)法，其機(jī)理是將所選取的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的得分進(jìn)行疊加，得到一個(gè)表達(dá)脆弱性嚴(yán)重與否的綜合指數(shù)。目前，最受國(guó)內(nèi)外學(xué)者追捧的是DRASTIC模型，也是當(dāng)下使用最為廣泛的地下水脆弱性評(píng)價(jià)方法之一。它選取了地下水埋深(D)、凈補(bǔ)給量(R)、含水層介質(zhì)(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)、滲透系數(shù)(K)、水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)7個(gè)因子，進(jìn)行地下水脆弱性評(píng)價(jià)[1-5]。該模型將每個(gè)指標(biāo)因子都分成不同的區(qū)段，每個(gè)區(qū)段根據(jù)自己在模型中所占的相對(duì)重要性即權(quán)重賦予評(píng)分，DRASTIC數(shù)值指標(biāo)的分級(jí)范圍見表1。

每個(gè)指標(biāo)都會(huì)對(duì)地下水脆弱性有不同程度的貢獻(xiàn)度，即相應(yīng)的權(quán)重。根據(jù)以往研究成果，地下水位埋深、凈補(bǔ)給量、含水層介質(zhì)、土壤介質(zhì)、地形坡度、水力傳導(dǎo)系數(shù)和滲透系數(shù)相對(duì)于地下水脆弱性的權(quán)重分別為5、4、3、2、1、5、3。將各個(gè)指標(biāo)最終得分加權(quán)就得到地下水脆弱性評(píng)價(jià)指數(shù)，可通過式(1)來實(shí)現(xiàn)。

地下水脆弱性評(píng)價(jià)綜合指標(biāo)數(shù)DI的表達(dá)式為

DI=DwDR+RwRR+AwAR+SwSR+TwTR

+IwIR+CwCR

(1)

式中 下標(biāo)R——各影響指標(biāo)的值；

下標(biāo)w——各影響指標(biāo)的權(quán)重。

表1 DRASTIC數(shù)值指標(biāo)的分級(jí)范圍

3 評(píng)價(jià)因子的分析

3.1 土壤介質(zhì)S

秦皇島市平原區(qū)土壤種類繁多，共有褐土、棕壤土、粗骨粒、潮土、濱海土、新積土、石質(zhì)土、風(fēng)沙土、水稻土、沼澤土10種類型。褐土：分布最廣，從海拔20m至山前平原之間均有分布，為主要的土壤類型，約占平原區(qū)土地總面積的54.30%，主要種植糧食作物。棕壤土：主要分布于山海關(guān)、北戴河等濱海地帶，土壤母質(zhì)多為酸性巖、硅質(zhì)巖。潮土：主要分布在京山鐵路以南到濱海平原海拔1.50～2.50m范圍及秦皇島市區(qū)范圍內(nèi)，發(fā)育在沖積母質(zhì)上。風(fēng)沙土和水稻土：主要分布在京山鐵路以南的海岸線上以及灤河沿岸，呈帶狀分布。其他土壤類型分布面積較小。研究區(qū)土壤分布情況見圖1。

圖1 土壤類型分區(qū)

3.2 地下水水位埋深D

受地下水貯藏條件、自然條件和人類活動(dòng)的影響，研究區(qū)地下水位整體上由西北向東南呈現(xiàn)出加深的趨勢(shì)，由西北向東南流動(dòng)，但由于昌黎縣、撫寧區(qū)地下水大幅度的開采，地下水水位降落漏斗的形成，在撫寧留守營(yíng)和昌黎縣城范圍內(nèi)產(chǎn)生了地下水水位降落漏斗，地下水水位埋深在20m左右。地下水位埋深變化分區(qū)圖見圖2。

圖2 地下水埋深分區(qū)

3.3 含水層介質(zhì)A

研究區(qū)受新生代以來強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造控制，承接了完整的第四系松散底層，堆積厚度大約在50～400m，受沖洪積地形的影響，含水層厚度由山前平原向沿海逐漸變薄，以昌黎華夏斷裂為分界線，平均厚度在40m左右。含水層厚度變化情況見圖3。

圖3 含水層厚分區(qū)度

3.4 地形坡度T

受中朝準(zhǔn)地Ⅰ級(jí)內(nèi)的Ⅱ級(jí)構(gòu)造單元燕山褶皺與華北坳陷額控制，經(jīng)歷了長(zhǎng)期的多次構(gòu)造演變，秦皇島平原區(qū)地勢(shì)形態(tài)特征是連片，少有起伏，北高南低稍有傾斜，基本廣闊平坦，海拔0～20m，面積1410.2km2，占全市總面積的18.05%。以昌黎—撫寧—秦皇島市區(qū)一線以南地形坡度較小，小于3°，其余位置均大于3°。地形坡度分區(qū)見圖4。

圖4 坡度類型分區(qū)

3.5 滲透系數(shù)K

該區(qū)的滲透系數(shù)主要受地形地貌的影響，在平原區(qū)中部滲透系數(shù)為80～100m/d，南部?jī)蓚?cè)以津秦鐵路和大夫莊—昌黎縣城一線為分界線，滲透系數(shù)為30～50m/d，最北部地區(qū)為50～80m/d，中部?jī)梢硪话阈∮?0m/d。研究區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)情況見圖5。

圖5 滲透系數(shù)分區(qū)

3.6 凈補(bǔ)給量R

研究區(qū)位于燕山東麓，屬于華北平原的一部分，地下水的補(bǔ)給來源較多，包括大氣降水入滲、山區(qū)側(cè)向補(bǔ)給、河渠滲漏和灌溉水回歸補(bǔ)給，垂向的排泄以潛水蒸發(fā)和人工開采為主。通過對(duì)研究區(qū)各補(bǔ)給項(xiàng)、各排泄項(xiàng)的分析，將各補(bǔ)給量進(jìn)行疊加分析，得到地下水的凈補(bǔ)給量的分級(jí)情況，在側(cè)向徑流補(bǔ)給、渠系滲漏補(bǔ)給和田間灌溉回歸的作用下，地下水的補(bǔ)給由西北向東南總體上呈現(xiàn)出逐漸變?nèi)醯膽B(tài)勢(shì)。凈補(bǔ)給量變化情況見圖6。

圖6 凈補(bǔ)給量分區(qū)

3.7 水力傳導(dǎo)系數(shù)C

研究區(qū)水力傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)地下水防污性能的影響主要表現(xiàn)在其顆粒的粗細(xì)，本次用該區(qū)的水文地質(zhì)情況來體現(xiàn)。水文地質(zhì)情況見圖7。

圖7 水力傳導(dǎo)系數(shù)分區(qū)

4 GIS與DRASTIC模型的結(jié)合與應(yīng)用

首先，在充分分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合收集資料，將DRASTIC模型的7項(xiàng)因子按照相應(yīng)的區(qū)間值或類型特征在同一幅數(shù)字化的地圖上進(jìn)行分區(qū)，形成各單項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的分區(qū)圖，并對(duì)每幅圖的各分區(qū)進(jìn)行屬性編輯，按照表1相應(yīng)的屬性區(qū)間值給出評(píng)分。其次，通過ArcGIS的Raster Calculater功能，對(duì)任意的單個(gè)因子和防污指數(shù)分布柵格圖進(jìn)行疊加分析，可以得到任意區(qū)域、任意點(diǎn)的計(jì)算值。本次研究以10m×10m為一個(gè)單元格，提取每個(gè)單元格對(duì)應(yīng)的單因子和防污指數(shù)，將7個(gè)單項(xiàng)因子指標(biāo)的柵格文件按照各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算得出各分區(qū)單元地下水防污性能指數(shù)。最后，根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法與各指標(biāo)分析結(jié)果，結(jié)合DRASTIC 脆弱性劃分原則，初步將脆弱性分為5級(jí):Ⅰ級(jí)，DI≤70，防污性能很好；Ⅱ級(jí)，70160，防污性能很差。地下水防污性能指數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 地下水防污性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

本次秦皇島市平原地區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)DRASTIC模型的評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇，主要參照了研究區(qū)的以往工作資料以及《秦皇島市水文手冊(cè)》相關(guān)成果和《秦皇島市地質(zhì)環(huán)境圖集》，各指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1。平原區(qū)地區(qū)孔隙潛水的脆弱性評(píng)價(jià)結(jié)果將研究區(qū)地下水脆弱性依次分為脆弱性強(qiáng)區(qū)、脆弱性較強(qiáng)區(qū)、脆弱性中等區(qū)、脆弱性較弱區(qū)和脆弱性區(qū)。按照脆弱性評(píng)價(jià)值由高到低，利用顏色的深淺表示脆弱性的強(qiáng)弱，最終得到地下水脆弱性分區(qū)圖(見圖8)。

圖8 平原地區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)分區(qū)

研究表明，昌黎縣不易污染區(qū)主要分布在北部山丘區(qū)，廣大平原區(qū)為較易污染或極易污染區(qū)，為第四系松散巖類孔隙。撫寧區(qū)極易污染區(qū)主要分布在南部平原區(qū)及洋戴河兩側(cè)，為第四系松散巖類孔隙水。防污性較低區(qū)主要位于南部平原區(qū)，其中極易污染區(qū)主要位于青龍河兩側(cè)和青龍鎮(zhèn)，為第四系松散巖類孔隙水，包氣帶巖性主要為粉細(xì)砂、亞砂土，含水層巖性以卵礫石、粗砂為主，滲透系數(shù)多大于100m/d，水位埋深較淺，為2～6m，地下水凈補(bǔ)給強(qiáng)度100～200mm，補(bǔ)給強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)。受地表水的影響，地下水交替較強(qiáng)烈，包氣帶透水性較強(qiáng)，有利于地表污染物的滲透和遷移，地下水環(huán)境自我防護(hù)能力較差，地下水較易污染。

如圖8所示，地下水固有防污性能指數(shù)(DI)變化范圍在88～167之間。

5 結(jié) 語

本文選取DRASTIC方法，通過ArcGIS數(shù)據(jù)處理平臺(tái)，結(jié)合研究區(qū)的地形、土壤、水文地質(zhì)條件等因素，采用層次分析法對(duì)各指標(biāo)賦權(quán)，建立DRASTIC地下水模型，對(duì)秦皇島平原區(qū)地下水脆弱性進(jìn)行分析。研究表明：昌黎縣不易污染區(qū)主要分布在北部山丘區(qū)，廣大平原區(qū)為較易污染或極易污染區(qū)。撫寧區(qū)極易污染區(qū)主要分布在南部平原區(qū)及洋戴河兩側(cè)。防污性較低區(qū)主要位于南部平原區(qū)，其中極易污染區(qū)主要位于青龍河兩側(cè)和青龍鎮(zhèn)。該成果與實(shí)際情況基本一致，可靠性較高。

評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)于制定研究區(qū)地下水資源保護(hù)規(guī)劃、地下水污染防治規(guī)劃，合理開發(fā)利用地下水資源、土地資源具有一定的指導(dǎo)意義，根據(jù)不同的地下水脆弱性分區(qū)，制定和采取有針對(duì)性的保護(hù)措施，制定科學(xué)的地下水資源開發(fā)利用方案，設(shè)置地下水資源保護(hù)區(qū)，從保護(hù)地下水資源角度進(jìn)行國(guó)土資源規(guī)劃，對(duì)于緩解研究區(qū)地下水資源緊缺、地下水位持續(xù)下降，保持地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義。