村鎮淺層地下水脆弱性評價及其驗證

周超哲，許仕榮，張 偉，邱順凡(. 湖南大學土木工程學院，長沙 4008；. 湖南城市學院市政與測繪工程學院，湖南 益陽 4099；. 中機國際工程設計研究院有限責任公司，長沙 400)

根據《2014年中國環境狀況公報》，我國地下水環境質量監測點有4 896個，其中水質達到良好以上的比例為36.7%，而較差的比例為45.4%，極差的比例為16.1%，地下水的水質情況不容樂觀。 大部分農村地區通過打井獲取淺層地下水作為飲用、生活水源。由于地下水流動較慢，自我修復能力較差，一旦受到污染很難治理[1]，將對農村飲用水安全帶來極大的隱患。因此，急需加強針對農村地區淺層地下水的脆弱性評價。

地下水的脆弱性分為2類：本質脆弱性和特殊脆弱性[2]。美國環保署于1987年提出的DRASTIC模型已被廣泛地應用到歐盟各國地下水脆弱性評價中[3,4]。1996年，我國首次引入DRASTIC模型并將其應用到大連和廣州[5,6]。由于近年來江湖沿岸工業發展使地表水水質逐漸變差，沿岸村鎮地下水受到一定的影響。因此對村鎮淺層地下水環境進行脆弱性評價，對農村飲用水安全具有重大的意義。

1 村鎮地下水脆弱性評價

1.1 脆弱性評價指標的確定

1.1.1本質脆弱性評價指標

DRASTIC模型評價指標包括定性和定量2類，其評價指標的評分標準與范圍分別見表1、表2[7]。隨著評分值的增大，防污性能由好變差。

表1 本質脆弱性定量評價指標的評分標準和范圍Tab.1 Scoring criteria and scope for the nature vulnerability quantitative assessment indicators

注：表中w為根據式(1)計算出的權重值。

表2 本質脆弱性定性評價指標的評分標準和范圍Tab.2 Scoring criteria and scope for the nature vulnerability qualitative assessment indicators

注：表中w為根據式(1)計算出的權重值。

1.1.2農村地區特殊脆弱性評價指標

結合村鎮生活生產的特點，本研究將農村地區特殊脆弱性評價指標分為：①土地利用類型。人類對土地的不同用法將對地下水產生較大的影響，如加油站、垃圾填埋場等區域的地下水極易受到污染；②地表水水質。地表水中的污染物通過垂向、側向滲透進入到地下水，因此，地表水水質越差，地下水受到污染的風險越高。③農藥使用量。農藥是人工合成的復雜有機物，降解周期、殘留時間長，因此農藥的使用對地下水的影響極大。④化肥使用量。對稻田施用化肥會影響到地下水的水質，施用化肥量越大，地下水就越容易受到污染；根據《地表水環境質量標準》(GB3838-2002)與研究區實際農藥、化肥施用強度確定各特殊脆弱性評價指標的評分標準與范圍見表3。

表3 特殊脆弱性評價指標的評分標準與范圍Tab.3 Scoring criteria and scope for the special vulnerability assessment indicators

注：表中w為根據式(1)計算出的權重值。

1.2 模糊層次分析法對地下水脆弱性評價[8]

將各個指標進行兩兩比較并由表4的標度建立模糊一致矩陣R。各指標權重的計算如下：

(1)

i,k∈Ω,Ω={1,2,…,n}

式中：n為矩陣階數，即指標總數，本文n=11；a為計算參數，取a=(n-1)/2；rik為模糊一致矩陣(i，k=1，2,…，n)。

由式(1)求出各指標的權重值見表1，2，3。

1.3 地下水特殊脆弱性的GIS應用

運用ArcGIS 10.1軟件，根據研究區的水文地質及農業生產活動的調查，創建各個評價指標的矢量圖并建立屬性數據表。按照脆弱性評價的評分標準賦予指標對應的評分值，得到評價指標的評分圖。將各評分圖進行疊加處理并乘以其相應權重，得到地下水特殊脆弱性評價結果圖。

表4 模糊一致矩陣標度及含義Tab.4 Scale and meaning for fuzzy consistent matrix

1.4 建立脆弱性評價集

地下水特殊脆弱性評價指數DI計算公式：

(2)

式中：iW為各評價指標的權重值；iR為各評價指標的評分值。

根據評價指數的大小，將農村淺層地下水特殊脆弱性劃分為5個等級，具體見表5。

表5 地下水特殊脆弱性的等級程度Tab.5 Classes of groundwater specific vulnerability degree

2 地下水脆弱性評價模型驗證

目前國內對地下水脆弱性評價模型的驗證方面的研究較少，主要采用“三氮”的污染分布與地下水脆弱性分布圖進行對比。姜桂華[9]、劉春華[10]用“三氮”污染現狀驗證脆弱性評價結果，研究表明“三氮”污染情況與評價結果基本一致。李輝[11]等用硝酸鹽分布情況對脆弱性評價結果進行驗證，其評價結果較為可靠。此外，徐小元[12]利用研究區地下水的水質，分別采用單因子和綜合因子進行驗證，結果表明特殊脆弱性區劃圖與綜合污染指數分布圖有較好的相關性。

綜上地下水脆弱性評價模型驗證存在以下不足：①相關研究較少且忽視對評價結果的驗證；②模型的驗證因素較為單一，從個別水質指標來驗證模型評價的結果，其準確性不能得到保證；③缺乏系統的地下水脆弱性評價模型驗證方法。

2.1 脆弱性評價模型驗證指標

本研究根據村鎮地下水的實際情況和地下水的水質，將農村地下水脆弱性模型驗證指標劃分為地下水感官性狀與地下水水質情況2類共11項。

2.1.1地下水感官性狀

主要通過人的直觀感官感受對地下水進行初步的判別。地下水感官性狀包括以下3類：

(1)味感。是水中某些化學物質對人的舌、口鼻處的感覺末梢神經刺激而產生的感覺[13]。地下水嘗起來有苦、澀、咸，甚至散發臭味，則表示地下水的味感差。

(2)顏色。通過人的視覺系統獲得對水的直觀感受。地下水出現濁度高，煮沸沖茶變藍色等現象，則表明地下水色度差。

(3)結垢情況。地下水用水壺煮沸過程中會產生不同程度的結垢現象，水壺在較短時間聚集較多的水垢，則說明水質較差。

2.1.2地下水的水質情況

根據《地下水質量標準》(GB/T14848-9)，主要水質檢測指標包括pH、鐵錳含量、“三氮”含量、電導率、UV254。

(1)總鐵、錳、“三氮”含量。我國地下水鐵錳超標現象較為嚴重，耕地區域施肥中的部分化肥進入到淺層地下水中，“三氮”含量能反映出農村地區農業活動對地下水的影響。根據《地下水質量標準》中總鐵、錳、“三氮”含量對地下水水質的劃分，若其為Ⅳ～Ⅴ時，則地下水水質較差。

(2)pH值。pH值作為各種水質指標的基本指標，有著很重要的意義。根據《地下水質量標準》中pH值對地下水水質的劃分，pH值小于5.5或者大于9的地下水屬于Ⅴ類，地下水質量差。

(3)電導率。地下水的電導率異常與地下水的污染存在一定的關系，地下水中各組分濃度在背景值范圍內則表明該地下水未受污染，即背景值是判別污染的最好準則[14]。采用迭代剔除兩端極值法，計算公式：Ks=Ks+S(Ks為平均值，S為均方差)。地下水電導率大于背景值表示地下水受到一定程度的污染。

(4)UV254。UV254可間接反映水中有機污染物的濃度，UV254較大表明水質較差。

根據《地下水質量標準》、在研究區獲得的感官性狀和水質數據確定各驗證指標的評分標準與范圍分別見表6、表7。

同理采用模糊層次分析法得出地下水脆弱性驗證指標的權重值見表6、表7。

2.2 建立脆弱性驗證評價集

地下水特殊脆弱性評價驗證指數計算公式為：

(3)

式中：iW為各驗證指標的權重值；iR為各驗證指標的評分值。

表6 感官定性驗證指標的評分標準和范圍Tab.6 Scoring criteria and scope for the sensory qualitative verifiable indicators

注：表中w為根據式(1)計算出的權重值。

表7 水質定量驗證指標的評分標準和范圍 Tab.7 Scoring criteria and scope for the water quality quantitative verifiable indicators

注：表中w為根據式(1)計算出的權重值。

根據研究區驗證指數值范圍，將其等間距劃分為5個等級并對應5個水質等級。地下水水質等級越低，驗證指數越小，水質越好，具體見表8。

表8 地下水水質等級程度劃分Tab.8 Classes of groundwater quality degree

3 喬口鎮特殊脆弱性評價及其模型驗證

3.1 喬口鎮概況

喬口鎮是湖南省長沙市望城區典型村鎮，地處洞庭湖平原地區，地勢平緩，海拔一般為25～35 m。喬口鎮屬于亞熱帶季風濕潤氣候，年平均降雨量1 350 mm，3-8月降雨較多，9月至次年2月降水量偏少。喬口鎮河網密布，幾乎被江河湖泊環繞，新河自南向北再折向東流入湘江，東部為由南向北匯入洞庭湖的湘江，西南部是團頭湖，西部為南湖，北部有天井湖和毛家湖。

3.2 喬口鎮淺層地下水特殊脆弱性評價結果

采用模糊層次分析法對喬口鎮地下水特殊脆弱性進行評價，其評價結果見圖1。由圖1可知，喬口全鎮地下水脆弱性整體較高，地下水易受到外來污染。其中地下水脆弱性較高的區域集中在靠近湘江的柳林江村南部，喬口社區，臨近新河的荷葉湖村、湛水村北部以及靠近團頭湖的團頭湖村南部、水星村。

圖1 喬口鎮地下水脆弱性評價結果Fig.1 Groundwater vulnerability assessment in Qiaokou Town

3.3 喬口鎮淺層地下水的水質情況

本文收集喬口鎮中72眼淺層地下水水井在2015年枯水期(1月份)與豐水期(6月份)的水質資料和地下水的感官性狀資料，利用模糊層次分析法和Arc MAP對喬口鎮地下水特殊脆弱性評價結果進行驗證。地下水取樣點分布見圖2。

利用GIS的Spatial Analyst工具，得到地下水特殊脆弱性評價結果的驗證圖。

3.3.1枯水期水質情況

枯水期喬口鎮地下水脆弱性模型驗證圖如圖3所示。由圖3可知，枯水期喬口鎮地下水水質較差的區域主要集中在沿湘江一側的柳林江村、喬口社區、靠近新河的西側段、湛水村東南部以及藍塘寺村、團頭湖村靠近團頭湖部分，而喬口鎮中心區域的地下水水質較好。

圖3 枯水期地下水脆弱性模型驗證結果Fig.3 Groundwater Vulnerability model validation in the dry reason

3.3.2豐水期水質情況

豐水期喬口鎮地下水脆弱性模型驗證圖如圖4所示。由圖4可知，豐水期的水質較枯水期的較差，靠近團頭湖一側的地下水為水質最差的一類。豐水期水質較差的區域主要集中在喬口社區，藍塘寺村、團頭湖村靠近團頭湖的一側。

圖4 豐水期地下水脆弱性模型驗證結果Fig.4 Groundwater Vulnerability model validation in the wet reason

3.3.3喬口鎮特殊脆弱性評價的驗證

各等級地下水特殊脆弱性評價指數均值與枯、豐水期地下水脆弱性模型驗證指數均值見表9，通過分別耦合比較三者的指數均值，得出3者在不同區間相互對應關系見圖5。

表9 脆弱性評價指數與驗證指數對照Tab.9 Vulnerability assessment and verification index cross-references

圖5 脆弱性評價指數與驗證指數相關關系Fig.5 Vulnerability assessment and verification index correlation index

由圖5可知，3者整體耦合較好，地下水脆弱性評價指數與驗證指數存在很好線性關系。地下水脆弱性模型驗證指數隨特殊脆弱性評價指數的增大而增大，證明了該地下水特殊脆弱性評價模型能較好地反映地下水易污染的程度，與地下水水質情況相符度較高。同時由圖6可知，豐水期的驗證指數較枯水期的偏高，即豐水期地下水的水質較枯水期差，說明在豐水期時，地表水水質與水位會對地下水的水質產生較大的影響。

4 結 語

通過喬口鎮淺層地下水特殊脆弱性評價及其評價結果的驗證的研究，得到以下結論。

(1)在傳統DRASTIC評價模型的基礎上，增加了土地利用類型、地表水水質、農藥使用量、化肥使用量作為評價因素，使該評價模型適用于村鎮的地下水特殊脆弱性評價。通過對喬口鎮特殊脆弱性評價可知，地下水脆弱性較高區域集中在靠近湘江、新河、團頭湖一側。

(2)收集了喬口鎮2015年枯水期、豐水期的地下水的感官性狀與水質資料，運用模糊層次分析法建立地下水特殊脆弱性評價模型的驗證方法。地下水脆弱性評價指數與驗證指數存在很好線性關系，該方法可用來驗證地下水特殊脆弱性評價結果。

(3)根據喬口鎮地下水特殊脆弱性評價結果，建議在地下水水質較差的區域，主要包括喬口社區，柳林江村，沿新河、團頭湖沿岸區域盡早實現集中供水，以保證全鎮村民的生活飲用水的安全。

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