黑龍江省黑河市地下水脆弱性評價及地下水資源保護區劃

孔慶軒，劉彩虹，吳庭雯

（1.黑龍江省地質環境監測總站，黑龍江哈爾濱150030；2.吉林大學環境與資源學院，吉林長春130026；

3.中國地質大學水資源與環境學院，北京100083）

0 引言

地下水是我國北方地區重要的飲用水源，長期以來由于過量開采及處理不當，導致地下水受到嚴重污染.眾所周知，地下水污染具有隱蔽性、延時性和不可逆性的特點，一旦出現，其治理較難.因此，合理解決不斷出現的地下水污染問題以及因地下水開采造成的環境負效應，應采取“以防為主、防治結合、防重于治”的方針，制訂合理的區域地下水保護方案.開展地下水污染脆弱性評價，劃分保護防治區是區域地下水資源保護的重要手段［1-2］.通過對地下水脆弱性進行評價研究，可識別出地下水易于污染的高風險區，為水資源管理提供強有力的工具，有助于決策者和管理者制定有效的地下水保護管理戰略和措施［3］.

本論文依托國土資源調查項目，在黑龍省主要城市開展了城市環境地質問題的調查和研究，通過調查發現該區及其鄰區地下水資源過度開發，大規模的地面和地下工程建設，以及排污水溝渠及滲坑窖開挖較深，接近或直接連通砂礫石層，工業廢水、生活污水、垃圾均排放洼地及溝渠中，導致地下水環境惡化.借助野外調查和污染源調查資料，在系統分析該區地質、水文地質條件的基礎上，綜合考慮該區含水層固有脆弱性因子，建立了地下水脆弱性評價指標體系.利用DRASTIC模型，結合MapGIS軟件平臺對黑河市淺層地下水進行了地下水脆弱性評價，定量評價了該區地下水環境的易污染程度，并根據評價結果對黑河市進行了地下水保護防治區的劃分，為保障該市供水安全和地下水資源的可持續利用提供科學依據.

1 研究區水文地質條件及存在問題

黑河市位于黑龍江省北部，地理坐標東經124°45′~129°18′，北緯 47°42′~51°03′.處于寒溫帶大陸性季風氣候區，多年平均氣溫0.1℃，多年降水量521.2mm，多年平均蒸發量676.8mm.

研究區地下水主要包括松散巖類孔隙潛水、碎屑巖類孔隙裂隙微承壓水、基巖裂隙水三類.其中，松散巖類孔隙潛水又分為上更新統沖積砂、砂礫石含水層和全新統砂礫石、礫卵石含水層.碎屑巖類孔隙裂隙微承壓水分為第三系孫吳組砂礫巖孔隙裂隙水和白堊系碎屑巖類孔隙裂隙水.基巖裂隙水分為風化帶網狀裂隙水、孔洞裂隙水和構造裂隙水［3］.

地下水污染源主要是工業污染、生活污染、交通運輸車輛燃料燃燒所排廢物及農業生產施用的農藥、化肥等.目前，該市尚無大型污水處理系統，工業及生活廢水排放量較大，部分以滲坑、滲窖形式排放，直接污染淺層地下水.沿江一帶寬約1~1.5 km地區淺層地下水豐水期接受江水補給，而黑龍江是黑河市的主要納污水體，被污染的江水補給淺層地下水，給淺層地下水造成污染.部分村屯衛生條件極差，遍布露天茅廁且飼養家畜，降水淋滲將污染物帶入淺層地下水.近郊村屯以農業為主，農藥、化肥、除草劑及各種糞肥大面積使用，灌溉回滲或降水淋滲污染淺層地下水.工業及生活廢氣直接污染大氣層，隨大氣降水滲入地下，間接污染淺層地下水.受原生水文地質環境影響，黑河市淺層地下水中鐵、錳含量普遍較高，超過飲用水衛生標準.

針對該區地質環境背景及地下水污染現狀，本文采用國際通用的地下水脆弱性評價模型開展評價.

2 地下水脆弱性評價

地下水脆弱性由法國Margat首次提出，目前比較公認的是美國環保署和國際水文地質學家協會的定義：“地下水脆弱性是地下水系統對人類和（或）自然的敏感性”［4-5］.

國內外現有的評價方法主要有迭置指數法、過程數學模擬法、統計方法和模糊數學方法，其中DRASTIC方法［6］作為一種標準化的方法被普遍采用.

2.1 評價因子體系

地下水脆弱性評價指標體系包括自然因素指標和人為因素指標.自然因素指標主要包括含水層的地形、地貌、地質、水文地質條件以及與污染物運移有關的自然因子等.人為因素指標主要指可能引起地下水環境污染的各種行為因子.由于影響因子較多且復雜，應根據研究的目的、范圍、研究區的自然地理背景、地質及水文地質條件以及污染和人類活動等方面來選取評價指標，同時兼顧指標體系的可操作性和系統性［7］.

本文選取地下水水位埋深（D）、地下水凈補給量（R）、含水層介質（A）、土壤介質（S）、地形坡度（T）、包氣帶介質（I）和水力傳導系數（C）等7個參數構成DRASTIC法脆弱性評價的評價因子體系.

因每個指標的性質和單位不同，在進行評價時需對其統一量化.DRASTIC評價方法采用評分值對各指標進行量化，其范圍在l~10.指標值是通過指標對地下水脆弱性的影響程度得到的.一般來說，影響最小的被賦予1，影響最大的被賦予10.具體評分標準如表1所示.

2.2 評價因子權重

DRASTIC評價模型中，每個評價因子被賦予一個相對權重值，其范圍為1~5，以體現各個因子對地下水脆弱性貢獻的相對大小.其中，對地下水脆弱性最具影響的因子權重為5，影響程度最小的因子權重為1，本次評價采用專家打分的方法確定各因子權重（見表2）.

2.3 DRASTIC脆弱性指數

應用DRASTIC模型進行地下水脆弱性評價時，首先先選定適用的地區劃分成評價單元，然后確定各單元各評價因子的評分和權重，最后采用下面的計算公式計算各單元的脆弱性指數.

式中：W表示各因子的權重；r表示各因子的評分值.

具體計算過程：利用MapGIS將上述7項因子矢量化，即完成單因子評價，提取各單元對應的因子屬性值，然后將屬性值和權值帶入上述公式，計算脆弱性指數.

表1 定量評價因子等級分值Table1 Grade valuesofquantitativeevaluation factors

表2 DRASTIC評價因子的權重體系Table2 W eightsystem ofDRASTIC evaluation indexes

計算獲得的DRASTIC脆弱性指數越大，表明相應區域的相對地下水脆弱性就越高，則該區域的地下水就易于被污染．為計算方便，最大值226折算為100，最小值23折算約為10．地下水系統綜合指數劃分成5個級別，見表3．

表3 地下水脆弱性評價程度劃分Table3 Grading ofgroundwater vulnerability assessment

根據黑河市水文地質特征，結合地下水水質、包氣帶巖性及厚度等資料，采用表1所列各因子指標值和表2各項的權值，利用DRASTIC模型對地下水進行脆弱性評價，結果見表4．

由計算結果可知，黑河市地下水脆弱性為Ⅲ～Ⅳ級，即容易受到污染、極易受到污染，說明地下水受污染的可能性較大，對地下水質的保護須給予足夠的重視．地下水脆弱性較高區分布于黑龍江漫灘區及其支溝的溝谷中，這些地區地表巖性為粉土和砂、砂礫石，透水透氣性能好，水循環交替強烈，且地下水埋藏淺，受污染的可能性較大．黑河大部分地區地下水固有脆弱性中等，當這些地區受到長期持續的污染時，地下水質量將明顯下降，導致水質不斷惡化，將會造成嚴重的社會影響和經濟損失．

3 地下水資源保護區劃及防治措施

3．1 地下水資源保護區劃

依據地下水脆弱性評價結果，結合該區地下水質量狀況及污染現狀、污染源分布狀況、土地利用現狀，同時考慮城市總體規劃與發展需要，將脆弱性評價圖與該市水源地分布及污染源調查成果圖疊加，制訂出該市的地下水保護防治區劃圖，見圖1．

表4 地下水系統脆弱性評價表Table4 Vulnerability evaluation ofgroundwater system

圖1 黑河市地下水保護防治區劃圖Fig．1 Groundwaterprotection division in Heihe City1—地下水水源地保護區（groundwater protection area forwater supply source）；2—修復治理防護區（remediation and protection area）；3—重點防護區（key protection area）；4— 一般防護區（common protection area）；5—自然防護區（nature reserves）；6—黑河市邊界（boundaryofHeihe City）

根據疊加結果將工作區劃分為地下水水源地保護區、修復治理防護區、重點防護區、一般防護區和自然防護區等5個區．

1）地下水水源地保護區：針對黑河市南郊163水源地而設立，水源地處于地下水固有脆弱性中等區，水質輕微不合格，主要原因是大量加入消毒氯而使pH值降低，地下水呈微酸性，地下水污染雖不重，但由于163水源是市政供水的主要水源，因此作為一級保護區．

2）修復治理防護區（一級防護區）：主要分布于城市中心區和城郊東南一帶，是污染源分布較為集中，地下水質量嚴重不合格的區域．主要分布于城建區和河南屯至小黑河村一帶．

3）重點防護區（二級防護區）：主要分布于一級防護區的外圍，地下水脆弱性較高，地下水質量中等不合格，污染源分布較多的區域．

4）一般防護區（準保護區）：分布在城南部的大分部地區，這些地區地下水脆弱性中等，局部地段較高，污染源分布較少，地下水水質輕微不合格，污染輕微，地下水主要用于農業灌溉和村屯生活用水，供水量小且分散.

5）自然防護區（準保護區）：高地營子、上二宮村及建城區以西的二級階地區，地下水固有脆弱性中等，地下水末受污染，水質合格，污染源分布零星，定為自然防護區（準保護區）.

3.2 地下水資源保護措施

根據黑河市地下水資源污染現狀評價的結果，制定出以下對策和防治措施.

1）對于地下水水源地保護區，實行水源地衛生防護制度，并取消一切可能妨礙取水構筑物運行的活動.在此區內要消除一切造成含水層污染的可能性.

2）對于修復治理區和重點防護區，首先查明污染源、污染物及污染途徑，并采取措施控制污染的進一步擴散，然后對污染區進行逐步治理.由于污染區主要在城市中心區，造成地下水污染的污染源有已廢棄的簡單填埋垃圾場、市政排放的生活工業污水、分布于居民區內的生活污水滲窖、無防滲廁所及地表污水體和農業生產的農藥、化肥施用等，因此應盡快建成污水處理廠，生活、工業污水經處理達標后再向周圍環境排放.應盡快建立典型生活垃圾處理場地附近的地下水監測預報預警系統，進行地下水污染預防控制.

3）一般保護區位于農業區，禁止利用污水灌溉農田，同時限制農藥化肥的使用量，將農村散置的固體廢棄物進行收集和集中處理.

4）自然防護區內禁止一切污染企業進入，禁止一切污染可能性的出現，大量植樹造林，加強對地下水的監測.

4 結論

在對黑河市進行環境地質問題調查的基礎上，應用DRASTIC模型進行了地下水脆弱性評價與水資源保護區劃研究.

1）建立了黑河市地下水脆弱性評價的指標體系，利用MapGIS軟件完成了各因子的矢量化，采用專家打分法對各因子賦權，應用DRASTIC模型計算了各評價單元的地下水脆弱性指數.地下水固有脆弱性較高的區域主要分布于黑龍江漫灘區的狹長地帶，以及二公河和其他支溝的溝谷中，其他地區地下水固有脆弱性為中等.

2）應用MapGIS軟件分析系統分別做出單個評價因子評分圖，然后按各個因子的相對權重值進行圖層疊加得到地下水保護防治區劃圖.一級保護區包括地下水水源地保護區.163水源地和城市中心地帶及其南部修復治理區，水源地及城市中心周圍地帶為二級保護區；黑河市西部和南部及二公河一帶劃分為準保護區.

3）根據分區結果制定地下水資源保護的對策和防護措施，對水源地，要禁止一切污染或可能污染的活動，合理開采利用地下水，防止出現地下水降落漏斗等；對污染區查明污染源及污染途徑，防治污染的進一步擴散，必要時可以在污染區建立暗壩，出現污染立即整治；應盡快建立污水處理廠和垃圾處理場；對未受污染的地區，應加強對地下水資源的監測，防止一切污染源進入，并且加強該區的綠化工作.

利用地下水脆弱性評價結果，可以發現研究區可能存在的水環境污染程度及分布范圍，為及時、有效地預防地下水污染提供科學依據.將脆弱性評價結果與水源地分布、水環境污染調查結果結合，制訂水資源保護區劃，可為水資源管理提供借鑒.

［1］郝華.我國城市地下水污染狀況與對策研究［J］.水利發展研究,2004（3）:23—25,49.

［2］孟佳.地下水污染對環境的影響［J］.科教縱橫,2010（8）:184.

［3］戴艷文，王麗娟.黑河市地下水水文地質概述［J］.黑河科技,2003（4）:115.

［4］張麗君.地下水脆弱性和風險性評價研究進展綜述［J］.水文地質工程地質,2006（6）:113—119.

［5］姜桂華.地下水脆弱性研究進展［J］.世界地質,2002,21（l）:33—34.

［6］姜志群.地下水污染敏感性評價中DRASTIC法的應用［J］.河海大學學報：自然科學版,2001,29（2）:100—103.

［7］張麗君，劉樹臣，賈躍明.國外環境地質研究和工作的主要態勢［J］.水文地質工程地質,1999,26（6）:1—5.