基于GIS與DRASTIC模型的嘉峪關市平原區地下水防污性能評價

李平平，薛雅彬 ，郎 濤，王建紅

(1.甘肅省地質環境監測院 甘肅省地下水工程及地熱資源重點實驗室/甘肅省環境地質與災害防治工程技術研究中心，甘肅 蘭州 730050；2.酒泉市黨河流域水資源管理局，甘肅 敦煌 736200)

嘉峪關市位于甘肅省西北部、河西走廊中部，東臨河西重鎮酒泉市，西連石油城玉門市，南倚祁連山與肅南裕固族自治縣接壤，北枕黑山與酒泉金塔縣和內蒙古額濟納旗相接，中部為酒泉綠洲西緣。嘉峪關市土地總面積為1 224.42 km2，地理坐標為E97°50′06″～98°31′44″、N39°38′26″～40°00′41″，是甘肅省唯一不設區也不下轄縣市的地級單位。屬河西冷溫帶干旱氣候區，據嘉峪關市氣象站多年觀測資料，當地多年平均氣溫為7.0～8.1 ℃，極端最高氣溫為38.6 ℃，極端最低氣溫為-31.6 ℃；多年平均降水量為85.4～181.8 mm，降水集中于6—8月，期間降水量占全年降水量的59.3%～62.2%；多年平均蒸發量為1 175.8～2 205.4 mm，集中于5—8月，期間蒸發量占全年蒸發量的55.6%～56.7%。位于河西走廊酒泉西盆地，屬黑河流域，北大河自西南向東北流經嘉峪關市，為區內原唯一地表徑流。北大河發源于南部祁連山區高山雪域，自源區沿西北向流經討賴川及討賴峽(該段稱討賴河)，自冰溝口出山后折向東北進入酒泉市，多年平均流量為20.27 m3/s、徑流量為6.39億m3。

嘉峪關市地處西北內陸，水資源十分短缺，開采的地下水主要用于工業生產、農業灌溉及農村居民生活用水。近年來嘉峪關市地下水開采量持續較大，超出允許開采量，地下水處于負均衡狀態，儲量呈逐年下降趨勢，原本的水均衡狀況發生了明顯變化，地下水水質出現不同程度的變差。嘉峪關市北部為基巖山區，南部的平原區集中了幾乎全部的城市規劃區，因此本研究以嘉峪關市平原區為研究對象，利用GIS技術和DRASTIC模型對地下水防污性能進行評價，以期為當地土地資源合理開發利用及地下水資源有效保護提供科學依據。

1 水文地質條件

研究區南部巖性為泥質砂礫卵石，至北部遞變為半膠結—微膠結的砂礫石(圖1)。地下水類型為松散巖類孔隙水，第四系中上更新統是主要含水層，大致以觀蒲村—新城鎮為界，以東為承壓水分布區，以西為潛水分布區。含水層厚度多數在50～500 m，在北大河洪積扇頂部含水層厚度最大，向東北逐漸減小，至北部山前不足50 m。

天然條件下，地下水排泄途徑主要為泉水溢出和潛水蒸發。隨著井灌規模的逐步擴大，機井開采也成為地下水的主要排泄方式之一。地下徑流呈現與地形坡降和河流流向相一致的運動特征。地下水由盆地西南部洪積扇補給帶流向盆地北部及東北部蒸發消耗區，水位埋深由深變淺，至細土平原北部呈泉水溢出地表。

含水層富水性自西南向東北由強變弱。地下水水質較好，礦化度較低，水化學類型為HCO3-SO4型，北大河北岸單井涌水量均大于10 000 m3/d，向北和東北漸變為5 000～10 000 m3/d。含水層呈東西向條帶狀分布，橫溝村以西地帶礦化度小于1.0 g/L，以東礦化度逐漸增大，在泥溝村一帶大于1.0 g/L。

2 地下水防污性能評價方法

根據研究區水文地質條件，結合DRASTIC評價方法，選取地下水埋深(D)、凈補給量(R)、含水層介質(A)、土壤介質(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)、水力傳導系數(C)7個因子，進行地下水防污性能評價[1-7]。DRASTIC評價方法中各評價因子的評分值范圍在1～10，防污性能最好的評分為1，防污性能最差的評分為10，詳見表1[8]。根據對防污性能影響的大小分別給予不同的權重值，影響最大的權重值為5，影響最小的權重值為1。DRASTIC地下水防污性能指數(DI)計算公式為

根據收集到的因子數據，在ArcGIS中轉換成可用于分析的數據格式進行分類分析[9-11]。按照地下水防污性能分級標準(表1)，繪制出研究區地下水防污性能評價分級結果。

3 地下水防污性能評價

3.1 地下水埋深

研究區地下水埋深南部大于100 m，向北及東北逐漸變淺，文殊溝、嘉峪關大斷層及大草灘一帶地下水埋深為3～10 m，局部有泉水溢出，嘉峪關大斷層東側地下水埋深在100 m左右，向東逐漸變淺，至泥溝村一帶僅為1 m。研究區地下水埋深分級結果見圖2。

圖2 研究區地下水埋深分級(注：交叉線區域為基巖山區，不在研究范圍內，下同)

3.2 凈補給量

研究區地下水補給來源主要為河水入滲、降水入滲及渠系、灌溉水入滲。河水入滲主要為北大河入滲，北大河主要分布在嘉峪關市平原區南部，面積為8.99 km2，入滲量為3 410.0萬m3/a，單位面積上平均凈補給量為3 790 mm；渠系和灌溉主要分布在研究區南部和東部及市區周圍，面積為93.68 km2，入滲量為481.0萬m3/a，單位面積上平均凈補給量為51.3 mm。研究區地下水凈補給量分級結果見圖3。

圖3 研究區地下水凈補給量分級

3.3 含水層介質

研究區地下水類型為松散巖類孔隙水，第四系中上更新統是主要含水層。大致以觀蒲村—新城鎮為界，以東為承壓水分布區，以西為潛水分布區。研究區含水層介質分級見圖4。

圖4 研究區含水層介質分級

3.4 土壤介質

居民生活和工礦區主要分布在嘉峪關市區內，土壤介質為黏質壤土，面積為74.05 km2，占研究區總面積的8.45%；耕地和林地主要分布在東部和南部及市區周圍，土壤介質為粉質壤土，面積為119.62 km2，占研究區總面積的13.65%；其余部分土壤介質均為泥質砂礫卵石，面積為682.57 km2，占研究區總面積的77.90%。研究區土壤介質分級見圖5。

圖5 研究區土壤介質分級

3.5 地形坡度

研究區地形較為平坦，根據地形坡度分析結果，除文殊鄉及最西端部分地區坡度為2%～6%外，大部分地區坡度<2%。研究區地形坡度分級見圖6。

圖6 研究區地形坡度分級

3.6 包氣帶影響

研究區包氣帶介質為泥質砂礫卵石，向北部遞變為半膠結—微膠結的砂礫石；在耕地區域表層為粉質壤土，居民和工礦用地區域表層為黏質壤土，下部為砂礫石。按DRASTIC各因子的類別及其評分，包氣帶影響介質為砂礫石。研究區包氣帶介質分級見圖7。

圖7 研究區包氣帶介質分級

3.7 水力傳導系數

研究區水力傳導系數隨著地下水埋深的變淺而減小。水力傳導系數在南部、北部和西部最大，均大于12.2 m/d；向東北和西北逐漸變小，在文殊溝及嘉峪關大斷層一帶為4.1～12.2 m/d，在大草灘及泥溝村一帶小于4.1 m/d。研究區水力傳導系數分級見圖8。

圖8 研究區水力傳導系數分級

4 防污性能評價結果分析

根據上述評價方法與各指標分析結果，結合DRASTIC防污性能劃分原則，初步將防污性能分為5級：Ⅰ級，DI≤100，防污性能很好；Ⅱ級，100160，防污性能很差。進行疊加分析，對研究區評價結果按照分級標準進行分級，結果見圖9。

圖9 研究區地下水防污性能分級結果

(1)地下水防污性能很好區。該區主要分布在城鎮和工礦區，面積135.26 km2，占研究區總面積的15.44%，地下水埋深>30 m，含水層介質以泥質砂礫卵石為主，土壤介質為黏質壤土，水力傳導系數為4.1～12.2 m/d，綜合各影響因素劃分為防污性能很好區。

(2)地下水防污性能較好區。該區面積637.27 km2，占研究區總面積的72.73%，地下水埋深>10 m，凈補給量以降雨入滲和灌溉、渠系水入滲為主，含水層介質以泥質砂礫卵石為主，水力傳導系數>4.1 m/d，綜合各影響因素劃分為防污性能較好區。

(3)地下水防污性能中等區。該區分布在新城鄉—野麻灣東側和大草灘一帶，面積91.03 km2，占研究區總面積的10.39%，地下水埋深<20 m，其中新城鄉—野麻灣一帶凈補給量以降雨入滲和灌溉、渠系水入滲為主，其他地區凈補給量以降雨入滲為主，含水層介質以泥質砂礫卵石為主，水力傳導系數一般<4.1 m/d，綜合各影響因素劃分為防污性能中等區。

(4)地下水防污性能較差區。該區分布在泥溝村和北大河一帶，面積12.68 km2，占研究區總面積的1.45%，其中泥溝村一帶地下水埋深為5 m左右，凈補給量以降雨入滲為主，含水層介質以泥質砂礫卵石為主，土壤介質為泥質砂礫卵石，綜合各影響因素劃分為防污性能較差區。

5 結論與建議

在系統分析研究區水文地質條件的基礎上，進行研究區地下水資源評價，建立了DRASTIC地下水防污性能評價模型，利用GIS技術繪制了各項指標分級圖，疊加后得到綜合評價結果，并進行分級分區。評價結果表明，研究區地下水防污性能分為很好、較好、中等和較差4個區，分別占研究區總面積的15.44%、72.73%、10.39%和1.45%。由評價結果知，研究區地下水防污性能總體較好，評價結果為地下水管理、保護規劃、污染防治提供了依據，對地下水資源和土地資源合理利用、廢棄物填埋場的選址、地下水污染的評價與控制、水源地的選擇與保護等工作具有一定的指導意義。根據地下水防污性能評價結果，建議在工業生產集中的地區，防治工業“三廢”和有機污染，加強廢物的安全排放管理與處置工作，防止地下水污染。

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[作者簡介] 李平平(1990—)，男，青海民和縣人，助理工程師，學士，主要研究方向為水文與水資源。

[收稿日期] 2017-11-15