張祥武， 李巨寶， 姜紀沂， 徐亮亮， 周彤彤

(1. 防災科技學院，河北 三河 065201； 2. 河北省地震動力學重點實驗室，河北 三河 065201； 3. 中國冶金地質(zhì)總局浙江地質(zhì)勘查院，浙江 衢州 324000)

0 引言

地下水脆弱性指在自然條件變化和人類活動影響下地下水遭受污染的風險程度[1]，進行地下水脆弱性評價是為了防止地下水污染，保護地下水資源以及實現(xiàn)地下水資源的可持續(xù)開發(fā)利用[2]。地下水脆弱性定義由國外地質(zhì)學家Margat于1968年首次提出并被完善后應用于實際研究，應用成果較多； 國內(nèi)在這方面的研究始于20世紀90年代，起步較晚，但發(fā)展迅速，針對地下水脆弱性研究國內(nèi)外有多種評價方法； 目前應用最為廣泛的方法是1987年美國(環(huán)境保護署)EPA提出的DRASTIC評價指標體系法[3]。

浙江省西部衢江中下游流域位于紅色盆地金衢盆地中部，區(qū)域內(nèi)淺層地下水主要為以各種形式賦存于紅層孔隙中的紅層地下水[4]。受地理位置和氣候因素影響，區(qū)域內(nèi)年降水分配不均，河川源短流急，豐枯相差懸殊，導致飲用水較為短缺[5]。因此，紅層區(qū)地下水成為當?shù)刂饕嬘盟畞碓础＝陙黼S著區(qū)內(nèi)經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口增多，需水量急劇增加以及化工企業(yè)和居民日常生活排放污染物增多，使當?shù)丶t層區(qū)地下水環(huán)境日益惡化。本文結(jié)合紅層介質(zhì)固有特性采用基于AHP和DRASTIC模型的評價方法對衢江中下游流域紅層區(qū)地下水固有脆弱性進行評價，以期為當?shù)毓┧踩⑸鷳B(tài)文明建設提供保障，同時為當?shù)丶t層區(qū)地下水資源合理開發(fā)利用提供科學依據(jù)[6]。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地處浙江省中部和西部的結(jié)合地帶(金衢盆地中部)，東西寬約45km，南北長約21km，面積約1143km2，屬亞熱帶季風型氣候區(qū)，降雨較充沛，但實際上存在人多水少、水資源時空分配不均等問題，導致當?shù)貙嶋H飲用水較為短缺，因此區(qū)域紅層區(qū)地下水成為重要飲用水來源。

研究區(qū)地勢起伏較大，總體呈南高北矮中間低的特點。東北部以紅層低山丘陵為主，地形坡度在20°～40°，中部為金衢盆地腹部，地形相對平緩，高程一般在150m以下，南部地形起伏較大。研究區(qū)整體處于衢江河谷平原，漫灘、一級階地上，呈沖積、沖洪積平原地貌。研究區(qū)地層主要發(fā)育中生界白堊系呈上下疊置關(guān)系的衢縣組(K2q)和金華組(K2j)紅層。

研究區(qū)水文地質(zhì)條件較簡單，地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水和紅層孔隙裂隙水。其中松散巖類孔隙潛水埋藏于第四系全新統(tǒng)沖積砂、砂礫層中，沿衢江兩岸呈條帶狀分布，含水介質(zhì)上部為粉質(zhì)黏土、粉細砂，下部為圓礫層，含水層厚度約3.5～7m，水位動態(tài)變化較大，富水性中等，單井出水量100～500m3/d不等，地下水位埋深0.5～4.6m，與地表水聯(lián)系密切，主要受大氣降水、地表水補給，順地形向下游徑流，水質(zhì)一般，埋藏淺，易受污染； 紅層孔隙裂隙水主要分布于衢江兩側(cè)階地上，主要賦存在白堊系紅色沉積碎屑巖的層理、節(jié)理裂隙中，含水層巖性主要由衢縣組礫巖及砂礫巖，金華組鈣質(zhì)粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，中戴組的礫巖及砂礫巖、局部礫砂巖等紅層巖層組成，其中白堊系金華組粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖具溶蝕孔隙，裂隙較發(fā)育，富水性較好，水質(zhì)一般； 白堊系衢縣組、中戴組和侏羅系勞村組的砂礫巖、礫巖含水條件差，水量貧乏，水質(zhì)較好，這類水一般單井涌水量 10～100m3/d，地下水埋深在4.6～9m，主要受松散巖類孔隙潛水和降雨入滲補給，沿裂(溶)隙徑流，主要排泄為當?shù)卮迕窳阈情_采。

2 改進評價因子權(quán)重賦值的脆弱性評價

本文突破傳統(tǒng)的DRASTIC指標因子權(quán)重不變的局限性，采用基于AHP的DRASTIC指標體系法對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水進行脆弱性評價[7]，過程包括確定評價因子、計算評價因子權(quán)重值、構(gòu)建評分體系及脆弱性評價四部分。此次評價中結(jié)合紅層固有特性延續(xù)傳統(tǒng)的DRASTIC體系中地下水位埋深(D)、含水層凈補給量(R)、含水層巖性(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)以及包氣帶巖性(I)和水力傳導系數(shù)(C)等7個評價因子[8]，其評分值依據(jù)研究區(qū)實際情況作出相應調(diào)整，針對各個評價因子評分后繪制相應的評分分區(qū)圖。相應評價因子指標權(quán)重值采用層次分析法(AHP)來確定，地下水脆弱性指數(shù)Di的計算將延續(xù)傳統(tǒng)的評價因子評分和對應權(quán)重值相乘疊加法，見式(1)：

(1)

式中，n=7代表 7個評價指標；Wi表示各個評價因子的權(quán)重值；Ri表示每個評價指標的評分值[9]。

2.1 評價因子權(quán)重賦值改進原理

本文評價指標因子的權(quán)重值由層次分析法[10]所確定，見式(2)。其具體步驟包括：

(1)將選取的7個評價因子每兩個進行分析比較，構(gòu)建評價因子相對重要性的7階判斷矩陣Rij，Rij中各元素對應評價因子Ri相對于Rj的重要性標度。

表 1 層次分析法計算各因子權(quán)重Tab.1 The weight of each factor is calculated by analytic hierarchy process

(3)對所得結(jié)果進行一致性檢驗，算得判斷矩陣的最大特征值根λmax=7，其平均隨機一致性指標RI=0.82，一致性指標值CR=0，因此證明所構(gòu)建的判斷矩陣一致性比較好[3，11]。

(2)

2.2 評價因子評分體系

各項評價指標評分充分參考了文獻[12]中對評價因子評分的規(guī)定，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況構(gòu)建適合評價區(qū)的評分體系(表 2)，各評價因子評分圖見圖 1，分布特征如下：

表 2 DRASTIC法評價指標評分Tab.2 Scoring criteria of drastic evaluation index

(1)地下水位埋深

地下水位埋深是影響淺層地下水防污性能的一個重要指標，對污染因子進入地下水的時間長短有直接影響，通常地下水埋藏深度越淺，污染物亦越容易污染淺層地下水[13]。

研究區(qū)淺層地下水主要為第四系松散巖土類孔隙水和紅層風化孔隙裂隙水，地下水位埋深在0～9m，總體埋深較淺。其中第四系松散巖類孔隙水埋深在0～4.6m，呈西南-東北逐漸增大趨勢； 紅層風化孔隙裂隙水埋深相對較深，埋深在4.6～9m。地下水位埋深因子評分值為10、9、7。

(2)含水層凈補給量

含水層凈補給量通常包括降雨入滲補給量和灌溉入滲補給量兩部分[14]。降雨入滲對淺層地下水的防污性能的影響有雙面性，一方面降雨入滲時可以攜帶污染因子，補給量越大，對污染因子的遷移量就越多，對淺層地下水的污染影響就越大[15]； 另一方面，降雨入滲時會稀釋污染物濃度，就此而言，補給量越大，對污染因子的稀釋程度亦越大，會很大程度降低淺層地下水的污染[16]。

研究區(qū)淺層地下水埋深較淺，包氣帶巖性以砂類土、紅色粉砂巖、砂礫巖為主，易于大氣降雨入滲補給淺層地下水； 除此之外，研究區(qū)農(nóng)作物以水稻為主，故在計算凈補給量因子時需充分考慮灌溉入滲量。結(jié)合各方面因素綜合計算，研究區(qū)凈補給量在114～261mm·a-1。賦予評分值為9、8、6。

(3)含水層介質(zhì)

含水層介質(zhì)對淺層含水層的水流系統(tǒng)的影響不容忽視，通常含水層巖性的顆粒越大，即淺層含水層的滲透能力也越大，代表含水層對污染因子的稀釋能力就越小，則污染因子對淺層含水層的潛在危害就越大，即地下水脆弱性越強[17]。

研究區(qū)處于典型的紅層區(qū)，含水層巖性主要為白堊系衢縣組、金華組紫紅色粉砂巖、砂巖，對應評分概化為5、3，在靠近衢江主河道兩側(cè)區(qū)域含水層巖性為第四系沉積物卵礫石、砂礫石以及細砂，相應評分為10、8。

(4)土壤介質(zhì)

土壤介質(zhì)通常代表平均厚度距離地表小于2m的風化層，其作用是可以吸附部分隨降雨入滲的污染因子，可以凈化一部分污染物。正常情況下，土壤層的自凈能力和顆粒尺寸呈反比關(guān)系，顆粒尺寸越大，土壤層的自凈能力就越差，其脆弱性亦越強[18]。

通過對研究區(qū)的紅層土樣做粒度分析實驗，發(fā)現(xiàn)土樣平均粒度直徑為8.19mm，粉砂含量最高，平均含量約占43.98%； 其次為黏土，平均含量為42.58%； 細砂平均含量為11.96%，中砂平均含量為1.8%，粗砂平均含量最低，為0.13%，賦予其評分值為9、7、4、2。

(5)地形坡度

在一定方面地形坡度可以影響污染因子在地表滯留的時間跨度[19]。

參考DRASTIC指標體系法中關(guān)于地形坡度的劃分標準可將評價區(qū)劃分為5個級別。評價區(qū)地勢起伏較大，總體呈南高北矮中間低的特點。南北部以低山丘陵為主，地勢較低，局部區(qū)域地形坡度在20°～40°； 中部為金衢盆地腹部，地形較平緩，相對切割較淺，坡度較?。?其余部位地形坡度在2°～18°。對應評分為10、9、5、3、1。

(6)包氣帶巖性

包氣帶通常指的是地面以下潛水面以上，大氣水和地表水同地下水發(fā)生聯(lián)系和水分交換的地帶，同時也稱之為非飽和帶[20]，具有吸收水分、保持水分、傳遞水分的能力。包氣帶內(nèi)可發(fā)生的生物化學反應可以加快或減慢污染物的衰減，與土壤介質(zhì)相似，土壤顆粒越粗，孔隙越大，污染物通過的可能性就越大，相應的脆弱性就越高[21，22]。

研究區(qū)在衢江主河道兩側(cè)包氣帶巖性為第四系松散砂礫石、砂土以及紫紅色粉質(zhì)黏土，顆粒較粗，有效孔隙度較大，易于污染物下滲，對應評分為7、4、2； 其他區(qū)域包氣帶巖性為紅層風化碎屑物，為白堊系紫紅色砂巖粉砂巖，相應評分值為9。

(7)含水層水力傳導系數(shù)

含水層的水力傳輸能力通常可以由水力傳導系數(shù)來直觀表示，含水層水力傳導系數(shù)在一定意義上表示淺層地下水在一定水力梯度下的流動速率，進而又間接影響污染因子在含水層內(nèi)的遷移速度[23]。研究區(qū)受紅層含水介質(zhì)以及地形坡度影響研究區(qū)含水層水力傳導系數(shù)總體較小[24]，相應評分為4、2、1。

3 評價結(jié)果及討論

3.1 紅層區(qū)地下水脆弱性評價結(jié)果

結(jié)合各項指標因子評分和基于AHP求得的各項指標因子權(quán)重標度[25]，利用DRASTIC模型計算公式和GIS空間分析技術(shù)對區(qū)域紅層區(qū)地下水脆弱性進行計算評價，得到研究區(qū)浙江西部(金衢盆地中部)衢江中下游地區(qū)紅層區(qū)地下水脆弱性評價結(jié)果分區(qū)圖(圖 2)，結(jié)果顯示：

圖 2 評價區(qū)淺層地下水脆弱性分區(qū)圖Fig.2 Vulnerability zoning of shallow groundwater in the assessment area

(1)評價區(qū)紅層區(qū)地下水脆弱性總體呈中等-較高水平，約占區(qū)域總面積的82%。

(2)東北部塔石鎮(zhèn)、湖鎮(zhèn)以及小南海鎮(zhèn)一帶受淺層地下水埋深較深、凈補給量和滲透系數(shù)較小等水文地質(zhì)條件的影響，地下水脆弱性低，防污性能較強，地下水不易受到污染。

(3)衢縣變電所、甘里鎮(zhèn)以北、大洲鎮(zhèn)東部以及蓮花鎮(zhèn)西南側(cè)一帶地下水埋深相對較大，土壤介質(zhì)以紅層粉土和黏土為主，對污染物的遷移有一定阻礙，其淺層地下水不易受到污染，脆弱性中等。

圖 3 評價區(qū)淺層地下水污染現(xiàn)狀Fig.3 Pollution status of shallow groundwater in the evaluation area

(4)甘里鎮(zhèn)南側(cè)、高家鎮(zhèn)以及蓮花鎮(zhèn)西北側(cè)區(qū)域受地下水埋深較小、含水層介質(zhì)為第四系礫石和卵礫石等綜合影響，污染物較易遷移至含水層，地下水脆弱性較高，防污性能較差，其淺層地下水較易被污染。

(5)沿長澤街、衢州市市區(qū)以及樟潭鎮(zhèn)東北-西南方向主要分布于衢江主河道沿岸，地下水埋深淺，凈補給量大，其淺層地下水除了受降雨入滲補給外還受到河水入滲補給，含水層介質(zhì)主要為卵礫石和砂礫石，包氣帶巖性多為砂礫石，污染物容易滲入含水層，該區(qū)域內(nèi)淺層地下水防污性能較弱，脆弱性高，極易受到污染影響。

3.2 評價結(jié)果與區(qū)域地下水污染現(xiàn)狀對比

對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水60組水樣選取pH值、氟化物、耗氧量、溶解性總固體、氨氮(以N計)、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、總硬度、硫酸鹽、氯化物、鋅、鐵、錳、鈉、鋁、鋇等16項指標采用內(nèi)梅羅指數(shù)法[4]結(jié)合《地下水質(zhì)量標準》(GB/T14848-2017)對區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水質(zhì)量進行評價，發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)紅層區(qū)地下水脆弱性評價結(jié)果與地下水污染現(xiàn)狀基本符合(圖 3)，主要體現(xiàn)在如下幾點：

(1)在評價區(qū)地下水脆弱性較高-高地區(qū)地下水水質(zhì)較差，在衢州市區(qū)長澤街、樟潭鎮(zhèn)一帶大部分區(qū)域未達到國家地下水質(zhì)量標準Ⅲ類水標準，在高家鎮(zhèn)上窯村北部一帶少數(shù)村莊達到國家地下水質(zhì)量標準Ⅳ、Ⅴ類水標準； 主要受地下水埋深較淺、包氣帶巖性為紅層風化碎屑物(白堊系紫紅色砂巖粉砂巖)以及含水層巖性為砂礫石等紅層介質(zhì)影響，地下水防污性能較弱，加之區(qū)內(nèi)農(nóng)村居民環(huán)境衛(wèi)生意識淡薄，生活污水、農(nóng)田肥料等隨降雨入滲易進入淺層含水層，致使水質(zhì)變差。

(2)在評價區(qū)地下水中等及低脆弱性區(qū)域水質(zhì)檢測結(jié)果較好，均達到國家地下水質(zhì)量標準Ⅲ類水標準，主要分布于蓮花鎮(zhèn)、塔石鎮(zhèn)、小南海鎮(zhèn)以及衢州市區(qū)衢縣變電所一帶，該區(qū)域由于地處山區(qū)前緣地帶，地下水徑流交替強烈，地下水天然條件防污性能較好，受區(qū)域內(nèi)居民較少影響，淺層地下水潛在污染源不明顯，從而紅層淺層地下水水質(zhì)較好，可作為居民生活飲用水。

4 結(jié)論

本文利用AHP、DRASTIC模型結(jié)合GIS空間分析功能對衢江中下游地區(qū)紅層區(qū)地下水進行脆弱性評價，結(jié)合區(qū)域地下水污染現(xiàn)狀半定量分析了評價結(jié)果的準確性，主要結(jié)論如下：

(1)對紅色盆地金衢盆地中部衢江中下游流域紅層區(qū)地下水進行脆弱性研究，采用AHP確定評價因子的權(quán)重值結(jié)合紅層區(qū)特有的紅層特性對評價因子評分標準作出了相應調(diào)整。

(2)利用MapGis6.7軟件繪制紅層區(qū)地下水脆弱性評價分區(qū)圖，發(fā)現(xiàn)評價區(qū)紅層地下水脆弱性總體呈中等-較高水平，主要受淺層地下水埋深和紅層含水介質(zhì)影響較大，分布于地下水埋深較淺地區(qū)和包氣帶巖性為紅層風化碎屑物(白堊系紅色砂巖粉砂巖)地區(qū)，淺層地下水易遭受污染。

(3)評價區(qū)紅層地下水脆弱性評價結(jié)果與淺層地下水污染現(xiàn)狀基本相符，在評價區(qū)淺層地下水脆弱性較高-高區(qū)域，其淺層地下水普遍污染較嚴重，大部分地區(qū)未達到國家地下水質(zhì)量標準Ⅲ類水標準，在低脆弱性地區(qū)，淺層地下水質(zhì)量普遍較好，均達到國家地下水質(zhì)量Ⅲ類水標準，部分村莊可達Ⅰ、Ⅱ類水標準。