地下水脆弱性評價指標體系的建立

湛 江，屈吉鴻

(華北水利水電大學，河南鄭州 450000)

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地下水脆弱性評價指標體系的建立

湛 江，屈吉鴻

(華北水利水電大學，河南鄭州 450000)

綜合前人的研究成果，特別是總結近年來國內外學者提出或改進的模型，提出4項建立指標體系的基本原則，即重要性、獨立性、差異性和可操作性。并舉例說明其應用，證明該原則有助于評價區域內地下水脆弱性。

地下水脆弱性;影響因素;指標體系

自1968年Margat提出“地下水脆弱性(Groundwater vulnerability)”的概念以來，經過國內外專家學者幾十年的不斷研究，地下水脆弱性的內涵不斷延伸，地下水脆弱性的評價方法不斷豐富。地下水脆弱性的影響因素很多，如包氣帶、含水層，還有人類活動因素。地下水脆弱性的評價方法主要包括迭置指數法、過程模擬法、數理統計法和模糊綜合法，其中迭置指數法應用最廣泛。在實際研究中，由于資料匱乏，各因素之間存在相互作用等問題，要建立一個全面、客觀且有效的評價指標體系是一項艱巨的工作，也是地下水脆弱性評價工作的關鍵。目前學術界缺乏一套規范的地下水脆弱性評價準則。筆者總結近年來國內外學者提出或改進的模型，建立了地下水脆弱性評價指標體系。

1 地下水脆弱性的概念和發展

地下水脆弱性指地下水被污染的可能性。由于影響因素的復雜性和研究水平的局限性,各國的水文地質學家從不同角度根據各國的實際情況,對地下水脆弱性概念進行了不同的釋義。比較公認的是美國環保署(EPA)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”[1]。地下水脆弱性分為本質脆弱性和特殊脆弱性，前者主要考慮自然因素，后者主要考慮人為因素。地下水脆弱性主要考量自然環境因素(各類水文地質條件)對地下水的影響。隨著研究的深入，學者將人類活動因素考慮進來，一方面，由于人類活動影響了地下水系統，另一方面，由于自然因素的不可抗力，單純評價自然因素的影響對于地下水保護無意義。因此，近10多年來，地下水脆弱性的評價傾向于綜合評價。

2 地下水脆弱性評價方法

目前，地下水脆弱性評價方法主要有迭置指數法、過程模擬法、數理統計法和模糊綜合評價法4種。其中迭置指數法是應用最廣泛、最易被人們接受的一種方法。迭置指數法是指對選取的評價參數的分指數進行迭加形成一個反映脆弱程度的綜合指數，再由綜合指數進行評價。過程模擬法是指在地下水和污染物運移模型的基礎上，建立一個脆弱性評價數學公式，將評價因子定量化后，得到區域脆弱性綜合指數。數理統計法是指在分析處理各類水化學數據的基礎上，運用數理統計進行數值模擬或建立模型的評價方法。模糊綜合評價法是指以模糊數學為基礎，應用模糊關系合成的原理，將一些邊界不清、不易定量的因素定量化進行綜合評價，解決多指標綜合問題。除過程模擬法外，其他3種方法都需要建立一個指標體系來評價地下水脆弱性。

圖1 地下水本質脆弱性評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of intrinsic groundwater vulnerability

圖2 地下水特殊脆弱性評價指標體系Fig.2 Evaluation index system of forced groundwater vulnerability

3 地下水脆弱性評價指標體系和模型

3.1 地下水脆弱性評價指標體系 地下水脆弱性評價指標體系即評價地下水脆弱性的各種影響因素，如自然因素中的地形、氣候、包氣帶和含水層等，人為因素中的地下水開采、土地利用和污染負荷。地下水本質脆弱性和特殊脆弱性評價指標體系見圖1和2。

3.2 地下水脆弱性評價模型 迭置指數法分為水文地質背景參數法(HCS)和參數系統法。前者通過一個與研究區有類似條件的已知脆弱性標準的地區比較確定研究區的脆弱性，且多為定性或半定量化評價。參數系統法分為矩陣系統(Matrix Systems，MS)、標定系統(Rating Systems-RS)、計點系統模型(Point Count System Models,PCSM)3種。MS方法是以定性方式對研究區各單元的脆弱性進行評價,后2種方法則是以定量(數值化)方式進行評價。二者區別在于綜合指數的計算方法不同。RS方法的綜合指數是由各參數的評分值直接相加而成,而PCSM法的綜合指數值則是各參數評分值和各自賦權的乘積迭加得到,又稱權重-評分法。RS方法中常見的評價模型有GOD、AVI和ISIS，PCSM方法中常見的評價模型有DRASTIC、SINTACS、SEPPAGE、EPIK等[2]。早期研究主要側重于本質脆弱性[3]。1987年美國環保署(EPA)[4]提出DRASTIC評價方法，并將其應用于美國、加拿大以及歐共體成員國等，幾十年來取得顯著成效。

DRASTIC模型選取7個因子進行評價，即地下水位埋深(Depth of water-table)、凈補給量(Net recharge)、含水層介質(Aquifer media)、土壤介質(Soil media)、地形坡度(Topography)、包氣帶影響(Impact of the vadose)、水力傳導系數(Hydraulic conductivity of the aquifer)。

I=rdwd+rrwr+rawa+rsws+rtwt+riwi+rcwc

(1)

式中，I為綜合指數，r為因子評分，w為因子權重。

隨著研究的發展，國內外又不斷發展了其他模型，比較有代表性的有GOD和EPK等。部分本質脆弱性評價模型見表1[5]。

表1 部分本質脆弱性評價模型

我國地下水脆弱性研究起步較晚，但發展很快，特別是在迭置指數法的基礎上，學者們總結了DRASTIC的優缺點，對該模型不斷改進，多數加入了特殊脆弱性因素。雷靜[7]提出了ODCTRE模型，劉仁濤[8]提出了DRASCLP模型(表2)。

4 指標體系的建立原則與方法

4.1 指標體系的建立原則

4.1.1 重要性。重要性是指在選擇影響因素(評價指標)時，應首先選擇對地下水脆弱性影響較重要、選擇較為普遍的指標。如在本質脆弱性中，土壤、包氣帶、含水層和氣候(補給)因素對地下水影響最為直接，尤為重要，因此幾乎所有的指標體系都包含土壤介質(S)、地下水位埋深(D)、凈補給量(R)等指標。另外，重要性還有一層含義，即在評價特殊區域地下水脆弱性時，應著重選取代表地區特點的影響因素。如在評價巖溶地區的地下水脆弱性時，應選擇巖溶發育程度(E)作為一項指標；在評價線狀污染帶地下水脆弱性時，應重點考慮將河流補給作為一項影響因素；在評價干旱地區地下水脆弱性時，由于降雨量稀少，故將影響地表徑流的因素作為地下水的主要脅迫因子[12]。

表2 國內部分地下水脆弱性評價模型

4.1.2 獨立性。獨立性是指影響因子之間的關聯程度，在選擇評價指標時，應盡量選擇關聯程度低的指標。很多指標之間的關系錯綜復雜,且存在協同和拮抗等作用。如含水層的水動力傳導系數與含水層巖性密切有關[3]，而滲透系數(降水和污染物的入滲能力)和凈補給(富水性)之間存在拮抗作用，污染物進入含水層又會被稀釋。為保證指標體系中各評價指標的相對獨立性,可對評價指標體系進行相關性分析[8]。

4.1.3 差異性。差異性是指在評價某個指標的作用時，要考慮選取評價區域內不同地區具有差異性的指標。目前國際和國內尚無統一的地下水脆弱性評價規范，地下水脆弱性是一個相對的概念。因此，若某指標在評價區域內不具有差異性，地下水脆弱性無任何意義。如在評價平原區地下水脆弱性時，通常會舍棄地形坡度(地形因素)這一指標，因為平原區內地勢平坦，起伏很小，基本不具有差異性，可以忽略。需要注意的是，盡管有些因子不具有差異性或差異性很小，但這些因子很重要，不能舍棄。如在某巖溶地區，雖然可能會出現巖溶發育程度較為均勻的情況，但作為重要因子，不能忽略其影響。

4.1.4 可操作性。 可操作性是指在實際操作中由于缺少資料或實際指標難以獲得，需要使用一些指標代替數據進行評價。如使用土壤有機質含量來表征土壤對地下水脆弱性的影響。在考量含水層因素時，由于很多地區含水層的導水系數難以獲得，在一些情況下可以使用單井涌水量來代替。同時，該原則也是選擇特殊脆弱性指標的指導思想。如在評價大區域地下水脆弱性時，使用人口密度來代替地下水使用率。由于河流側向補給量數據難以獲得，可以考慮將沿河岸的垂直距離作為衡量線狀污染帶地下水的重要因素。

4.2 指標體系的建立方法 指標體系的建立方法應遵循先“海選指標”再“甄別指標”再“補充指標”的思想，結合4條基本原則，具體問題具體分析，建立一套較為完善的地下水脆弱性評價指標體系(圖3)。

圖3 地下水脆弱性評價指標體系建立途徑Fig.3 The roadmap of index system

5 結論與展望

選擇影響因素、建立指標體系是評價地下水脆弱性的第一步，關系到評價成功與否。然而要建立一個包含所有指標的龐大體系是不可能和不現實的。該研究提供的4條基本原則有助于建立全面且客觀的指標體系，但在應用時要具體問題具體分析。一方面，由于我國國土面積巨大，自然和人為因素復雜多樣，評價區域內地下水脆弱性較困難。另一方面，地下水脆弱性缺乏標準規范，研究者的主觀性太強。希望研究者們可以制訂一套規范化的地下水脆弱性評價準則。

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[3] 姜桂華.地下水脆弱性研究進展[J].世界地質,2002,3(1):33-38.

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[5] 滕彥國,蘇潔,翟遠征，等.地下水污染風險評價的迭置指數法研究綜述[J].地球科學進展,2012(27):1140-1147.

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[12] 馬金珠,高前兆.干旱區地下水脆弱性特征及評價方法探討[J].干旱區地理,2003,26(1):45-49.

Establishment of Groundwater Vulnerability Index System

ZHAN Jiang,Qu Ji-hong

(North China University of Water Resources and `Electric Power, Zhengzhou,Henan 450000)

Based on the former research results, especially summary in recent years the domestic scholars proposed or improved model,four basic principles for establishing the index system were put forward, namely, the importance, independence, difference and maneuverability. And an example was given to illustrate its application, which proves that the principle is helpful to evaluate the vulnerability of groundwater in the area.

Groundwater vulnerability; Influencing factors; Index system

水利部公益性行業科研專項(201501008)。

湛江(1992- )，男，河南義馬人，碩士研究生，研究方向：地下水利用及環境水文地質。

2016-08-17

S 181

A

0517-6611(2016)28-0059-03