基于PLEIK模型的岩溶地下水防污性能评价——以贵阳市汪家大井泉域为例.pdf

第 卷 第 期 年 月资源环境与工程 .收稿日期:改回日期:责任编辑:于继红资助项目:湖北省自然科学基金()第一作者:于杨()男 在读硕士研究生 地质工程专业 主要研究方向为地下水污染防治 :通信作者:陈彦美()女 副教授 博士 地下水科学与工程专业 主要研究方向为地下水灾害与污染防控 :于杨肖一鑫陈彦美.基于 模型的岩溶地下水防污性能评价:以贵阳市汪家大井泉域为例.资源环境与工程():.:.():.基于 模型的岩溶地下水防污性能评价 以贵阳市汪家大井泉域为例于 杨 肖一鑫 陈彦美(.长江大学 资源与环境学院湖北 武汉 .武汉中地环科水工环科技咨询有限公司湖北 武汉)摘 要:岩溶地下水资源是中国西南地区经济发展的重要基础 对岩溶地下水进行防污性能评价是合理开发及保护当地地下水资源的有效方法 汪家大井现为贵阳市东郊水厂取水地 是区域内重要的供水水源对其进行地下水防污性能评价有助于保障居民饮用水水源安全 通过构建研究区 模型 在考虑保护性盖层()、土地利用类型()、表层岩溶带发育程度()、补给类型()及岩溶网络发育程度()个评价因子的基础上 对汪家大井泉域岩溶地下水防污性能进行定量评价 结果表明 研究区内地下水防污性能以较好和中等的区域为主 分别占总面积的 和 防污性能较差和好的区域次之 分别占总面积的 和 防污性能差的区域最少 约占总面积的 表层岩溶带、含水层岩溶网络及土地利用类型是影响该区域岩溶地下水防污性能的主要因素 其研究结果可为该地区地下水环境保护及污染防治提供一定的参考关键词:防污性能 岩溶地下水 模型 表层岩溶带中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.岩溶地下水是中国西南地区主要的供水水源为当地经济社会发展提供了经济基础和重要保障 近年来随意排放的工业“三废”以及不合理的开采导致岩溶地区地下水水质持续恶化 岩溶地下水系统结构复杂不同类型的岩溶区具有不同的水文地质特征其污染具有隐蔽性强、来源复杂、治理难度大、扩散性强等特点 一旦受到污染很难对其进行彻底地治理 因此对岩溶地下水开展防污性能评价尤为重要 地下水防污性能即地下水脆弱性指不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内部因素的脆弱性 结合地下水防污性能评价结果和区域污染源分布特征对地下水防污性能进行研究是防范化解区域地下水环境污染问题的重要方法之一 针对岩溶区地下水防污性能业界常采用、等叠置指数模型进行评价 模型是根据岩溶网络发育程度和表层岩溶带专门针对岩溶地区开发的防污性能评价方法之一该模型包括表层岩溶带发育程度()、保护性盖层()、补给类型()和岩溶网络发育程度()个评价指标 该评价方法适用于表层岩溶带发育且具有明显的地表地下双层结构的南方裸露岩溶地区 模型衍生于欧洲模式评价指标分别为径流因素()、覆盖岩层()和大气降水()该模型评价因素单一且未考虑人类活动等因素的影响比较适合表层岩溶带不发育的北方裸露岩溶地区地下水固有的防污性能评价 .采用 和 两个模型分别对约旦西北部 和 两泉集水区岩溶地下水进行评价并对比评价结果结果显示 模型评价结果精度高于 模型 邹胜章等对于覆盖型岩溶区地下水防污性能评价在、模型基础上提出了 模型认为覆盖型岩溶区大部分岩溶被松散岩土层覆盖浅层孔隙地下水与深层岩溶水具有明显的水力联系局部岩溶裸露并发育表层岩溶带具有裸露型岩溶的基本特征在选取评价指标时应充分考虑、因子的影响各评价因子权重通过“二元”比较及层次分析法等多种方法确定可以避免由于主观因素造成的指标权重分配不均等问题 近年来 模型被广泛应用于中国西南岩溶地区地下水防污性能评价 汪家大井泉域是贵州省贵阳市重要的供水水源其岩溶地下水主要接受泉域范围内东北部裸露岩溶区和半裸露岩溶区的大气降水入渗补给及部分伏流补给极易受到人类活动的污染从而威胁当地居民生活用水安全 根据前期调查泉域范围内潜在污染源主要分布在其东北及西南方向污染源类型以工业源、农业源、移动源(加油站)为主 开展岩溶地下水防污性能评价有助于适当优化调整污染源分布位置并进行岩溶地下水污染防控化解饮用水安全问题 本文采用 模型对汪家大井泉域范围内岩溶地下水防污性能进行定量评价并讨论旨在为区内地下水环境保护提供一定的依据 研究区概况.自然地理概况汪家大井泉域位于贵阳市东部永乐堡复式向斜北西翼地理坐标:北纬 东经 汪家大井上升泉现为该市东郊水厂取水地泉眼高程约 枯季最小流量为 /研究区气候类型为亚热带季风性湿润气候具有明显的高原性气候特点 区内年平均气温.多年平均降雨量和多年平均日最大降雨量分别约 .、.研究区大地构造位置处于“都匀南北向隔槽式褶皱变形区”主要发育永乐堡复式向斜整体地形起伏呈四周高、中部低的态势西部谷脚小碧龙洞堡永乐堡一带的地势相对平缓、地形坡度较小东部沟谷切割深、地形起伏大、坡度陡 根据塑造地貌的主导作用力、地层岩性、地貌形态组合特征及切割深度因素将研究区地貌类型划分为溶丘谷地、峰丛洼地、侵蚀低中山沟谷、溶蚀侵蚀沟谷 种.水文地质条件研究区发育碳酸盐岩地层夹少量的碎屑岩地层由老到新依次出露泥盆系()、石炭系()、二叠系()、三叠系()和第四系()地层 区内地下水类型可以分为碳酸盐岩类裂隙岩溶水和碎屑岩类孔隙裂隙水两类 研究区水文地质简图见图 含水层岩组划分见表 碳酸盐岩类裂隙岩溶水主要赋存于三叠系花溪组()、坡段组()、安顺组()、罗楼组()、大冶组()二叠系合山组()、茅口组()、栖霞组()石炭系黄龙组()、摆佐组()以及泥盆系高坡场组()中碎屑岩类孔隙裂隙水主要赋存于三叠系夜郎组()二叠系大隆组()、合山组第一段()、梁山组()石炭系旧司组()、祥摆组()地层中表 含水岩组划分表 系组主要岩性富水性地下水类型第四系()全新统()松散冲积物富水性一般/三叠系()二叠系()石炭系()花溪组()坡段组()安顺组()罗楼组()大冶组()夜郎组()大隆组()合山组()茅口组()栖霞组()梁山组()马平组()黄龙组()摆佐组()旧司组()祥摆组()白云岩、泥灰岩白云岩白云岩、灰岩灰岩灰岩夹少量黏土岩黏土岩、页岩夹灰岩硅质岩夹泥黏土岩、粉砂岩为黏土岩夹页岩、硅质岩等为灰岩夹黏土岩、硅质岩等灰岩灰岩砂页岩夹黏土岩灰岩、黏土岩夹砂岩灰岩夹白云岩灰岩、白云岩黏土岩砂岩、石英砂岩夹黏土岩、页岩富水性中等富水性中等强富水性中等富水性弱富水性中等富水性强富水性弱富水性中等富水性贫乏碳酸盐岩类裂隙岩溶水碎屑岩类孔隙裂隙水碳酸盐岩类裂隙岩溶水碎屑岩类孔隙裂隙水碳酸盐岩类裂隙岩溶水碎屑岩类孔隙裂隙水泥盆系()高坡场组()白云岩富水性中等强碳酸盐岩类裂隙岩溶水资源环境与工程 年 图 研究区水文地质简图(改编自参考文献)研究区位于 向永乐堡复式向斜的北西翼该向斜将含、隔水层塑造成叠盆状储水构造系统 根据含、隔水层垂向组合、地质构造分布条件、地下水排泄点分布等特征将区内地下水分为“上层”及“下层”个系统见 水文地质剖面图(图)上层地下水系统主要由花溪组、坡段组、安顺组、罗楼组、大冶组组成厚度约 主要补给源为大气降水通过落水洞和岩溶洼地处集中注入或灌入地下或在溶蚀裂隙处分散渗入地下 一部分岩溶地下水通过岩溶大泉以及下降泉等方式于向斜核部排出另一部分岩溶地下水则向深部循环补给下层地下水系统下层地下水系统主要由合山组、栖霞组茅口组组成厚度约 大部分补给源来自于研究区东部裸露岩溶区的落水洞、岩溶洼地等处接受大气降水集中注入式补给小部分接受来自上层地下水系统的越流补给 含水介质类型主要为溶洞裂隙地下水沿岩层走向、倾向和构造线方向径流穿越永乐堡向斜核部并通过汪家大井上升泉排泄于地表 模型的构建.评价因子研究区岩溶地层十分发育 大部分含水层被上覆第 期于 杨等:基于 模型的岩溶地下水防污性能评价 以贵阳市汪家大井泉域为例岩层覆盖位于永乐堡向斜南西翼高枧一带的岩溶地下水补给区则为裸露岩溶区 针对这种独特的水文地质条件本文采用 模型对研究区地下水防污性能进行评价其评价因子分别为保护性盖层()、土地利用类型()、表层岩溶带发育程度()、补给类型()及岩溶网络发育程度()保护性盖层为含水层上部所覆盖的松散土层包括第四系松散土层等上覆非岩溶地层和地下水位以上的岩溶地层两部分 地下水在岩层中滞留的时间与上覆岩层保护性盖层厚度具有密切联系当区内保护性盖层厚度较薄时污染物在下渗过程中难以被其全部截留地下水系统的防污性能较差土地利用类型可以综合反映出地区的工农业及经济综合发展情况 不同的土地利用类型产生的污染物不同因此下伏含水层的防污性能也存在明显差异西南岩溶地区土地利用类型可按照用途分为林地、果园地、耕地、草地、裸地、村镇及工矿用地 种表层岩溶带发育程度对岩溶地下水系统具有重要的调蓄功能 其发育程度受岩性、岩石结构、构造、地貌、水动力条件、土层及植被覆盖情况等因素影响表层岩溶带作为污染物从地表进入地下的主要途径之一对地下水防污性能影响巨大表层岩溶带越发育地下水抵抗外来污染物入侵的能力就越差 在实际工作中表层岩溶带的发育程度可以根据碳酸盐岩岩组类型及岩溶发育程度进行划分补给类型包括岩溶含水层的补给类别和补给强度 补给类型越集中雨强越大地下水的防污性能越差 评价过程中 因子可以通过构建补给类别和降雨强度综合评分矩阵来分级量化 岩溶网络发育程度可以通过地下水径流模数来反映 当缺少相关资料时也可用岩溶含水层组类型简单确定含水层岩溶网络发育程度 区内岩溶网络发育程度越强地下水的防污性能越差 可以代表区内地下水防污性能分级具体计算方法如下:()式中:分别代表各评价因子权重、分别代表各评价因子分值 值越高地下水防污性能越好 值分级标准见表 表 地下水防污性能评价分区划分值 值 防污性能分级差较差中等较好好.资料来源本研究采用的资料包括:野外调查获取的水文地质要素信息(地层厚度、岩溶发育条件及分带性)、贵阳幅 万地质图及报告(获取地质、构造及地层岩性信息)、龙洞堡幅 万水文地质图及报告、遥感信息解译报告、数值化信息(地形坡度、土地利用类型等)基于上述资料获取 模型各评价指标相关信息并进行指标分级 评价结果及讨论.评价结果根据汪家大井泉域的水文地质特征及遥感解译结果参考邹胜章等的 模型各指标分级定额标准对研究区 模型各评价因子进行分级与评分评分范围为 分具体评分结果如表 所示表 汪家大井泉域地下水防污性能各评价因子评分表 保护性盖层()土地利用类型()表层岩溶带发育程度()补给类型()岩溶网络发育程度()分级评分分级评分分级评分分级评分分级评分林地 草地 耕地 村镇及工矿用地.保护性盖层研究区存在碳酸盐岩和碎屑岩地层 根据土层厚度与 数据将岩溶地带的保护性盖层分为、三类并依次评分为、分 为厚度在 的土层主要分布在地形坡度 的山顶和峡谷陡坡区 为厚度在 的土层主要分布在地形坡度为 的山体缓斜坡区 为厚度 的土层主要分布在岩溶区山间平坝及非岩溶区(碎屑岩区)具体划分结果如图 所示.土地利用类型研究区土地利用类型数据以 遥感影像数据为基础利用 平台开展遥感解译工作后分资源环境与工程 年 图 因子分区图 析获取 对照遥感数据建立研究区 遥感数据解译标志并结合野外调查和原始遥感影像特征进行目视解译修正根据土地不同用途将区内土地利用类型划分为林地()、草地()、耕地()、村镇及工矿用地()、水体 类并制图 由图 可知村镇及工矿用地较为集中其余土地利用类型分散于区内图 因子分区图 .表层岩溶带发育程度研究区岩溶地层大部分上覆松散盖层表层岩溶带发育不明显只有局部裸露岩溶区表层岩溶带发育根据野外踏勘结果和区域地质图出露地层岩性将碳酸盐岩岩组划分为 个等级 为灰岩连续型岩组表层岩溶带强烈发育评分为 分 为灰岩夹白云岩型岩组表层岩溶带高度发育评分为 分 为灰岩与白云岩交互型岩组表层岩溶带中等发育评分为 分 为断续状不纯碳酸盐岩型岩组表层岩溶带轻度发育评分为 分 则为非碳酸盐岩与不纯碳酸盐岩交互型岩组在基岩上观察不到明显的表层岩溶带发育现象评分为 分 具体 因子分级如图 所示图 因子分区图 .补给类型汪家大井泉域降雨补给类别以面状补给为主研究区中部及南部发育落水洞及岩溶漏斗等 处岩溶点 由于鱼洞峡水库蓄水而常年有水的落水洞有 处较大的地下暗河有 条属于点状集中式渗入补给 入渗补给量则受到降雨强度、土地利用类型及地形坡度的影响 对于夹于岩溶区内的非岩溶区补给类型可根据平均地形坡度综合判定降雨强度采用当地多年日最大降雨强度平均值判定 结合研究区多年平均最大日降雨量.得出 因子分级见图 其中 为落水洞、暗河等岩溶点附近 范围内区域评分为 分 为落水洞、暗河等岩溶点附近 范围内区域汇流坡度 的草地区和汇流坡度 的耕地区评分为 分 则为落水洞、暗河等岩溶点附近 范围内区域汇流坡度 的草地区和汇流坡度 的耕地区评分为 分 为其他汇流坡度区域评分为 分.岩溶网络发育程度 因子采用 万地质图、万水文地质图(龙第 期于 杨等:基于 模型的岩溶地下水防污性能评价 以贵阳市汪家大井泉域为例图 因子分区图 洞堡幅)及野外水文地质勘查结果绘制研究区 万水文地质图并利用其中岩溶含水层组划分确定 因子分级将研究区岩溶网络发育程度分为 类(图)为灰岩连续型评分为 分 为灰岩夹白云岩型评分为 分 为灰岩白云岩交互型评分为 分 为灰岩白云岩间隔型评分为 分 为断续状不纯碳酸盐岩型评分为 分 为非碳酸盐岩不纯碳酸盐岩交互型评分为 分.防污性能分区研究区各评价因子权重赋值可通过二元比较定性排序后采用模糊综合矩阵方法确定权重向量 (.)利用 软件对各评价因子分区图进行空间叠加分析共形成 个区块除去 个已知水体的区块计算其余区块 值判别研究区地下水防污性能分级最后将属性导回 个区块内利用 软件形成研究区地下水防污性能分区图并计算其面积如图 所示评价结果显示研究区内地下水防污性能以中等和较好为主面积分别为.、.分别占总面积的.和.防污性能较差和好的区域次之面积分别为.、.分别占总面积的.和.防污性能差的区域分布面积最小为.约占总面积的.呈零星分布研究区一级水资源保护区地下水防污性能分级以好和中等为主其中防污性能好的区域主要位于高新社区服务中心的东北部一带汪家大井取水点附近及其周围泉域图 因子分区图 研究区二级水资源保护区共有 块分别位于永乐乡一带和哪嗙乡一带前者地下水防污性能以中等为主部分区域地下水防污性能较差后者地下水防污性能较差少数区域地下水防污性能中等 究其原因主要是由于哪嗙乡一带的二级水资源保护区为裸露岩溶区且表层岩溶带较为发育大量的落水洞与岩溶洼地分布于此.讨论研究区地下水防污性能主控因素为、其中、两因子从水文地质角度上反映地下水防污性能、两因子评分较低的区域多以灰岩、白云岩为主极易发生碳酸盐岩溶解表层岩溶带及岩溶裂隙比较发育致使污染物极其容易进入地下水径流循环通道 因子则代表人类活动对地下水防污性能的影响结合图 及图 可看出研究区村镇及工矿用地聚集区域地下水防污性能中等较差由防污性能分区图(图)可知研究区二级水资源保护区所在区域地下水容易受到污染一级水资源保护区地下水防污性能较好不易受到污染 研究区二级水资源保护区地层岩性以二叠系和三叠系的灰岩及灰岩夹白云岩为主其表层岩溶带及岩溶网络均较为发育集中发育大量落水洞与地下暗河该区地下水防污性能为较差中等 永乐乡二级水资源保护区土地利用类型以耕地为主缺少植被覆盖水土容易流失化肥与有机农药的过量使用也会造成该区地下水污染 东部哪嗙乡附近二级水资源保护区为汪家大井泉域的主要补给区其水质好坏直接影响汪家大井上升资源环境与工程 年 图 研究区地下水防污性能分区图 泉供水水质 该保护区林地覆盖率大于耕地但由于该区域为典型的裸露型岩溶区表层岩溶带较为发育且保护性盖层较薄地下水径流速度较快地下水极易受到污染 通过裸露岩溶区大气降水补给及落水洞等集中入渗补给该区域地下水中的污染物沿着岩层走向及构造线方向向永乐堡向斜盆地核部迁移并污染沿途地下水环境研究区一级水资源保护区大部分被林地覆盖上覆盖层较厚表层岩溶带发育不明显其西侧边缘地区为碳酸盐岩夹碎屑岩地层岩溶发育较弱该区域大部分地区地下水不易受到大气降水入渗带来的污染物影响反而容易受到补给区所运移而来的污染物的影响 结论本文通过选取 模型对汪家大井泉域范围内的地下水防污性能进行评价得出主要结论如下:()对于中国西南地区局部表层岩溶带发育的覆盖型岩溶区宜采用 模型评价岩溶地下水防污性能 模型同样也适用于岩溶区夹少量非岩溶区地下水防污性能评价()汪家大井泉域范围内地下水防污性能可以划分为 个等级在覆盖型岩溶区表层岩溶带不发育或发育不强烈的地区地下水防污性能较好 研究区内地下水防污性能以较好和中等为主分别占总面积的.和.防污性能较差和好的区域次之分别占总面积的.和.防污性能差的区域最少约占总面积的.此外地下水防污性能差及较差的区域多分布在岩溶十分发育的碳酸盐岩地层以及村镇及工矿用地等居民活动频繁的地区()汪家大井泉域范围内的地下水环境保护应以预防为主、优化污染源分布位置为辅 建议对区域内污染严重企业进行综合整治或异地搬迁处理加强对北东方向地下水补给区污染监管力度制订合理的地下水保护方案以防污染物沿地下水流向运移到排泄区污染居民生活用水参考文献:卢丽王喆裴建国等.西南地区典型岩溶地下水系统污染模式第 期于 杨等:基于 模型的岩溶地下水防污性能评价 以贵阳市汪家大井泉域为例.南水北调与水利科技():.王琪王佳旭.我国地下水污染现状与防治对策研究.环境与发展():.吴华英李腾芳程瑞瑞等.我国岩溶地下水受污染的原因与污染特征.中国矿业():.崔亚丰何江涛王曼丽等.岩溶地区地下水污染风险评价方法探究:以地苏地下河系流域为例.中国岩溶():.都莎莎王红旗刘姝媛.北方典型岩溶地下水脆弱性评价方法研究.环境科学与技术():.章程蒋勇军 等.岩溶地下水脆弱性评价“二元法”及其在重庆金佛山的应用.中国岩溶():.:.():.王振兴李向全侯新伟等.煤炭开采条件下三姑泉域岩溶含水层保护评价.中国岩溶():.:.():.杨瑞芳晋华郝晓燕等.以 改进模型对辛安泉域岩溶地下水脆弱性评价.环境科学与技术():.:().():.邹胜章李录娟卢海平等.岩溶地下水系统防污性能评价方法.地球学报():.邢立亭吕华高赞东等.岩溶含水层脆弱性评价的 法及其应用.有色金属():.().():.李成章旭朱占雄等.基于 模型的地下水防污性能评价:以川东南岩溶区为例.四川地质学报():.戴长华李海兵潘卓等.模型与 模型在岩溶地下水防污性能评价中的对比:以湘西大龙洞地下河为例.中国岩溶():.卢胜华.模型在广东岩溶地区地下水防污性能评价中的应用研究.地下水():.伍辉成.攀西地区地下水防污性能评价与防治研究.四川环境():.:.魏永李中华郑明英.汪家大井岩溶地下水运移特征研究.地下水():.袁代江.鱼洞峡水库工程地质条件与汪家大井补给区论证.黑龙江水利科技():.邹胜章张文慧梁彬等.西南岩溶区表层岩溶带水脆弱性评价指标体系的探讨.地学前缘():.贵州地质工程勘察设计研究院.汪家大井饮用水源保护区范围内地下水调查报告.贵阳:贵州地质工程勘察设计研究院.:(.):.:()()()()().:资源环境与工程 年