基于改进DRASTIC模型的地下水防污性能评价_张建涛.pdf

第 32 卷第 1 期河南教育学院学报(自然科学版)Vol.32No.12023 年 3 月Journal of Henan Institute of Education(Natural Science Edition)Mar.2023收稿日期:2022-05-03 基金项目:河南省财政地质勘查基金项目(豫财招标采购-2015-2077-10)作者简介:张建涛(1991),男,河南夏邑人,河南省地质矿产勘查开发局第四地质矿产调查院工程师。doi:10.3969/j.issn.1007-0834.2023.01.009基于改进 DRASTIC 模型的地下水防污性能评价张建涛(河南省地质矿产勘查开发局 第四地质矿产调查院,河南 郑州 450046)摘要:参照 DRASTIC 评价模型,结合鹿邑县地下水的特点,提出了符合鹿邑县地下水防污性能评价模型 基于 AHP 的改进 DRASTIC 模型。根据鹿邑县地质条件、水文地质条件、人类活动对平原地区地下水环境的影响,选定地下水埋深、地形坡度、包气带岩性、降雨入渗透补给量、含水层厚度、含水层渗透系数、弱透水层厚度作为潜水区防污性能评价等 7 个主控因素,采用基于 AHP 指标权重的层次分析法为各因素赋权,利用 MAPGIS 绘制地下水防污性能分区图,为水利、规划等行政主管单位提供有效服务。关键词:地下水;DRASTIC;评价模型;防污性能;地下水环境;AHP 中图分类号:P641文献标志码:A文章编号:1007-0834(2023)01-0044-040引言鹿邑县地处豫东黄河冲积平原,地质灾害不多,但鹿邑县的地下水资源衰竭严重,地下水质量较差,环境问题显著存在并对人民群众的生活和生态环境造成重要影响,因此,开展鹿邑县地下水防污性能评价将有效发现地下水受污染的可能性1,为水利、规划等行政主管单位提供有效服务。由于区域地下水特征的差异,按照 DRASTIC 评价模型进行评价意义不大,所以本文参照 DRASTIC 评价模型取得的良好效果,结合该区地下水的特点,提出新的评价模型 基于 AHP(analytic hierarchy process,层次分析法)的改进 DRASTIC 模型2。1鹿邑县自然地理及水文地质条件1.1自然地理研究区位于河南省东部,冬冷夏热、四季分明,属暖温带半湿润季风型气候。年平均气温 14.6 、降雨量 756.9 mm,平均蒸发量 1 703.6 mm。该区属淮河流域,境内河流众多,主要有涡河、惠济河水系、急三道河。鹿邑县地势西北高东南低,向东南微倾斜,自然坡度 1/4 500 1/6 0003。研究区内地势呈现轻微起伏,岗、坡、洼相间,在河流间及平坡地之中有洼地分布。鹿邑县城坐落于涡河南北两岸。1.2水文地质特征研究区广泛分布新生代松散堆积物,在垂向 500 m 深度内,自上而下划分为浅层地下水(060 m)、中深层地下水(60270 m)和深层地下水(270500 m)。浅层地下水强富水区分布于鹿邑县南部、中北部大部分地区,含水层以细砂、中细砂为主,松散、透水性强,单井涌水量在 5001 000 m3/d;中等富水区零星分布于鹿邑槐树刘庄、北王庄一带,含水层以细砂、中细砂为主,单井涌水量在 5001 000 m3/d;弱富水区分布于鹿邑县东部涡北镇中心小学至太清宫东部一带,呈西北-东南向条带状,含水层以细砂、中细砂为主,单井涌水量在 500 m3/d 以下。地下水动态主要以“入渗-开采”型为主,要接受大气降水和季节性河流侧向补给,以人工开采和侧向径流排泄为主4。水化学类型为HCO3-Na、HCO3-NaCa 型。中深层地下水含水层多呈透镜体状,厚度变化较大,层位不稳定,岩性以粉砂、粉细砂为主。层数较多而薄,富水性较差,单位涌水量 2.82.9 m3/hm。深层地下水富水区分布于鹿邑县北部、西部及东南部大部分地区,含水层以中细砂、细砂为主,可见 47层,厚 47.663.1 m,单井涌水量在 1 000 3 000 m3/d;强富水区在中部、东北部,单井涌水量在大于 3 000 第 1 期张建涛:基于改进 DRASTIC 模型的地下水防污性能评价45 m3/d。深层地下水动态呈现“径流-开采”型,天然条件下,深层水主要靠侧向径流补给,深层地下水动态变化基本不受气象因素影响,而主要与人工开采有关5。地下水化学类型主要为 HCO3-Na 型。2模型建立由于区域地下水特征的差异,本文评价在 DRASTIC 评价模型及国内外已有成功经验的基础上,结合鹿邑县地下水的特点,提出了符合鹿邑县的地下水防污性能评价模型 基于 AHP 的改进的 DRASTIC 模型6。根据研究区地质、水文地质及人类活动对平原地区地下水环境的影响,选定地形坡度(T)、地下水埋深(D)、包气带岩性(V)、降雨入渗透补给量(R)、含水层渗透系数(C)、含水层厚度(U)、弱透水层厚度(A)7作为潜水区防污性能评价的 7 个主控因素,采用基于 AHP 指标权重的层次分析法为各因素赋权,利用 MAPGIS 绘出地下水防污性能分区图6。2.1评价指标的选定及影响机理1)地下水埋深(D)。浅层地下水埋深决定了包气带厚度,即地表水进入含水层所经历的下渗距离。地下水埋深越大,污染物与介质的接触时间越长,污染物经历的各种物理吸附、生物降解、化学反应越充分,衰减越显著,其防污性能也越好,反之则越差8。因此,地下水埋深是潜水防污性能影响最大的因子之一。2)地形坡度(T)。地形控制着污染物被冲走或停留在地表以渗入地下的时间,亦对土壤的形成与污染物的稀释程度具有影响。当地形坡度为(02%)时,不论是地表污染物还是降雨量都不会流失,污染物渗入地下的机会最大。相反,当地形坡度大于 18%时,为地表径流提供了有利的条件,污染物渗入地下的机会很小,相应地地下水防污性较高7。3)包气带岩性(V)。包气带颗粒越细污染物迁移越慢,污染物与介质接触时间越长6,吸附容量越大,污染物经历的各种反应(吸附、降解等)充分,防污性能越好。防污性能影响最突出的因子是包气带介质。4)降雨入渗透补给量(R)。大气降水以及人工补给水对浅层地下水影响较大,雨量越大,携带污染物进入地下水越多,防污性能越差6。5)含水层渗透系数(C)。在一定的水力梯度下含水层渗透系数控制着地下水的流速,同时也控制着污染物离开污染源源场地的速度9-10。影响渗透系数大小的因素很多,主要取决于含水层中介质颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等,通常通过试验方法或经验估算确定 K 值,单位统一为 m/d。6)含水层厚度(U)。含水层本身的特征将直接影响地下水防污性能的强弱,厚度越大,含水介质粒度越粗,地下水对污染物的稀释能力就越强,越不易受到污染。7)弱透水层厚度(A)。弱透水层对污染物进入地下水起到极大的截污与阻碍作用,弱透水层越厚,污染物到达含水层的时间越长,污染物接受稀释、降解的机会就越大,防污性能越好。因此,弱透水层厚度也是防污性能评价不可缺少的因素之一6。2.2指标评分与单元格划分按照模型对指标分级评分(表 1)。利用 MAPGIS 技术,结合乡镇界线、水文地质单元和地质界线等,对1 2.5 万的地质图按照 1 km1 km 方格的形式进行单元划分,共可划分 236 个单元,每个单元为独立的评价单元6。对单元格进行编号,对 7 个评价指标项目按 7 个图层进行单元格赋值,将各指标根据评分标准,形成各评价指标的评分图并赋予相应的评分。表 1参数评分等级Tab.1Scoring grade of parameterT/%分级分值D/m分级分值R/mma-1分级分值V分级分值C分级分值U分级分值A分级分值(0,210(0,110(0,501黏土1(0,0.11(0,310(0,210(2,69(1,29(50,1003砂黏混合2(0.1,12(3,59(2,39(6,125(2,38(100,1606砂土3(1,43(5,97(3,57(12,183(3,47(160,1807页岩5(4,125(9,135(5,96181(4,56(180,2008火山岩6(12,506(13,173(9,13555砂砾岩8(50,818(17,202(13,1738110201(17,2122112.3基于 AHP 指标权重的确定AHP 是一种多方案或多目标的决策方法。基于 AHP 确定指标权重步骤为:1)比对 7 个评价指标,并建立相对重要的 7 阶比较判断矩阵(表 2);46 河南教育学院学报(自然科学版)2023 年2)计算判断矩阵的特征值,求取对应特征向量,进而求出各参数的权重并进行一致性检验(表 3)。表 2指标重要性判断矩阵Tab.2Index importance judgment matrix评价因子VDUARCTV1123456D1123456U1/31/211234A1/31/311234R1/41/41/21/2123C1/51/51/31/31/212T1/61/61/41/41/31/31表 3AHP 判别的参数权重Tab.3Parameter weight of AHP discrimination评价因子VDUARCT权重0.280.280.140.130.080.050.03注:检验值 max=7.02;CI=0;RI=1.32;CR=0.0020.12.4防污性能计算应用各评价因子评分及权重体系进行图层的叠加分析,可得到每个评价单元的地下水防污性能综合指数,即防污性能综合指数为各评价因子评分的加权和2。每一评价单元的防污性能评价计算公式为DRAVTUC=7i=1Wi Ri,其中,Wi为 i 因子的权重,Ri为 i 因子的评分值。运用建立的 DRAVTUC 评价模型,计算得到研究区防污性能综合指数介于 36.5 之间。3防污性能分区根据计算结果,将防污性能共分为 3 级(表 4)。表 4地下水防污性能评价分级Tab.4Evaluation and classification of anti-pollution performance of groundwater防污性能分级好中等差综合评分分值(3,4.5(4.5,5.5(5.5,6.5图 1地下水防污性能分布图Fig.1Distribution of anti-pollution performance of groundwater根据工作区地下水 DRAVTUC 评价模型评价结果,将防污性能评价得分在同一级别的评价单元进行合并,获得地下水防污性能不同级别分区(如图 1)。1)防污性好区。主要分布在鹿邑县北部、东南部以及王楼柿园等地,分布面积约为 107.3 km2,占总面积的 43.3%。该区包气带岩性为粉质黏土,水位埋深多在 3 4 m,含水层厚度大,污染物即使入渗,迁移速度慢,与介质接触时间长,衰减显著,故防污性能良好。2)防污性中等区。主要分布在马凹、贾滩镇、双庙、产业集聚区、鹿邑县城区北部、罗楼、韩庄、夏庄等地,分布面积约为102.3 km2,占总面积的 41.3%。该区包气带岩性多为粉土与粉质黏土互层,防污性能中等。3)防污性差区。主要分布在孙营、垃圾处理厂、产业集聚区南部、蒋庄、段楼、朱庄以及评估区南部翟庄等地。分布面积约为 38.4 km2,占总面积的 15.5%。该区含水层厚度小,水位埋深多小于 2 m,包气带岩性主要为粉土,污染物下渗容易,是第 1 期张建涛:基于改进 DRASTIC 模型的地下水防污性能评价47 地下水防污性能差的主要原因11。4结论本文旨在改进 DRASTIC 模型在应用中的局限性12。在原有模型的基础上,基于 AHP,引入层次分析法,将 7 个评价指标进行比对,建立评价指标之间相对重要性的 7 阶比较判断矩阵;计算判断矩阵的特征值,求取对应特征向量,进而求出各参数的权重并进行一致性检验,使得权重的确定具有一定的理论依据13。将改进后模型应用在鹿邑县地下水防污性能评价中,得出研究结果为:含水层脆弱性等级变化灵敏,分布范围及变化情况精确,防污性能划分精确,与当地地下水环境实际情况基本一致。所以,改进模糊评价模型更能真实反映含水层脆弱性在空间上的连续变化性,在我国山前平原、丘陵地域运用更加广泛,且计算简便、脆弱性分区图效果直观,丰富和完善了地下水脆弱性评价方法和理论体系。参 考 文 献1王少娟.山东半岛蓝色经济区地下水防污性能评价J.山东国土资源,2018,34(3):6-72张泰丽,冯小铭,刘红樱,等.基于 DRASTIC 的丽水市地下水防污性能评价J.地球与环境,2012(1):118-1233韩亚,杨利国,匡恒,等.河南商丘市规划中心城区浅层地下水防污性能评价J.矿产勘查,2020,11(7):6-84柳富田,方成,秦雅飞,等.曹妃甸地区地下水水化学形成作用分析J.地质调查与研究,2011,34(3):8-95姜新.县域地下水资源分区及开发利用潜力研究 以中牟县浅层地下水为例D.郑州:华北水利水电学院,20116黄晓燕,李朗,姚炳魁.AHP 在地下水防污性能评价中的应用 以江苏浅层孔隙地下水为例J.地下水,2014(2):3-47王燕秋.泰安市岩溶水系统地下水防污性能研究D.济南:济南大学,20108郭正法.基于改进的 DRASIC 泗阳城区浅层地下水防污性能评价J.西部探矿工程,2015,27(1):3-59张泰丽.浙江省丽水市地下水脆弱性研究D.北京:中国地质科学院,200610 李文文,王开章,李晓.浅层地下水污染敏感性评价 以泰安市为例J.安全与环境工程,2009,16(4):18-2211 郭山峰.某尾矿库地下水渗漏量预测及渗透性分析J.地下水,2014(2):3-412 李绍飞,孙书洪,王勇.基于 DRASTIC 的含水层脆弱性模糊评价方法与应用J.水文地质工程地质,2008,35(3):6-713 张航,谢传礼,高俊,等.基于三标度法的层次分析法在储层分类评价中的应用J.重庆科技学院学报(自然科学版),2015,17(6):3-4Evaluation of Anti-pollution Performance of Groundwater Based on Improved DRASTIC ModelZHANG Jiantao(No.4 Institute of Geological and Mineral Resources Survey,Henan Provincial Bureau of Geo-exploration and Mineral Development,Zhengzhou 450046,China)Abstract:On the basis of learning from the DRASTIC assessing model and the successful experience at home and abroad,combined with the characteristics of groundwater in Luyi County,put forward an evaluation model of groundwater vulnerability in line with Luyi County:an improved DRASTIC model based on AHP.According to the influence of geology,hydrogeology and human activities on the groundwater environment in the plain area,seven main controlling factors are selected to evaluate the antipollution performance of the phreatic area,including terrain slope,groundwater depth,vadose zone lithology,rainfall infiltration recharge,aquifer permeability coefficient,aq-uifer thickness and aquitard thickness.The analytic hierarchy process based on AHP weighting system is used to determine the weight of each factor,and the zoning map of groundwater antipollution performance is drawn by MAPGIS,effectively serving the planning department and groundwater resources management department.Key words:groundwater;DRASTIC;assessing model;anti-pollution performance;groundwater environment;AHP