基于層次分析法的DRASTIC在焦作黃河階地防污性能判別中的應(yīng)用

付俊旺，鄺智慧

（1.河南理工大學，河南 焦作 454000；2.河南地礦職業(yè)學院，鄭州 450000）

地下水的污染已經(jīng)成為社會密切關(guān)注的問題，地下補給水的污染可能直接導致黃河水的污染，所以在黃河沿岸開展地下水污染問題的研究尤為重要[1]。傳統(tǒng)的DRASTIC評價模型中個評價指標的權(quán)重為定值，不能客觀地反映各指標對污染物阻滯能力的大小[2-4]。本次應(yīng)用基于層次分析法的DRASTIC指標評價體系對黃河階地地下水進行易污性的評價，使評價結(jié)論更細化，更接近實際情況，評價方法值得推廣[5]。

1 焦作孟州市黃河北岸階地水文地質(zhì)條件

1.1 一級階地

一級階地含水層頂板為4～8 m厚的全新統(tǒng)(Q4al)沖洪積粉細砂或粉土層，土的密實度為疏松，利于地表水和大氣降水的入滲，降水入滲系數(shù)為0.25；以下含水層主要為中更新統(tǒng)（Q2al+pl）卵石層和上更新統(tǒng)（Q3al+pl）卵石層、漂石層，單層厚度一般8～20 m，總厚度在15～40 m，局部夾有細砂或中砂透鏡體。含水層組底板埋深20～50 m。含水層滲透系數(shù)一般在15～20 m/d，單位涌水量為200～1 000 m3（/d·m），地下水穩(wěn)埋深為5～9 m。地下水類型為潛水。

1.2 二級階地

二級階地包氣帶為20～30 m厚的上更新統(tǒng)（Q3al+pl）黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土層，土的密實度為稍密—中密，不太利于地表水和大氣降水的入滲，降水入滲系數(shù)為0.10；含水層組巖性主要為中更新統(tǒng)（Q2al+pl）砂層和卵礫石層；含水層組底板埋深40～60 m，水位埋深西部大于覆蓋層厚度，東部局部水力學性質(zhì)具有微承壓性質(zhì)，整體地下水類型可視為潛水。含水層厚度由分析區(qū)西部的20 m左右向東逐漸增大到50 m左右，含水層的滲透系數(shù)由西向東逐漸由大變小，富水性也由強變?nèi)酰现菔形麟芥?zhèn)井孔的單位涌水量小于1 200 m3/（d·m），地下水位埋深20～30 m。滲透系數(shù)為8～12 m/d。

2 層次分析法的DRASTIC評價體系

2.1 DRASTIC各指標評分的確定

常規(guī)DRASTIC評價體系假設(shè)條件為：污染物由地表隨水的垂向滲透進入地下，經(jīng)包氣帶的淋慮、吸附、交換及降解后進入地下水，后隨地下水徑流而遷移[6]。該評價體系由七個與地下水防污性能有關(guān)的指標組成，分別為地下水埋藏深度（D）、含水層凈補給流量（R）、含水層介質(zhì)類型（A）、土壤類別（S）、地形坡度大小（T）、包氣帶巖土體性質(zhì)（I）、含水層滲透系數(shù)（C）[7]。應(yīng)用DRASTIC評價體系時，首先對每一個評價指標按照其對應(yīng)的數(shù)值范圍或類型進行打分。根據(jù)焦作孟州市黃河北岸的地貌及水文地質(zhì)條件，按照一級階地和二級階地分為兩個單元來進行DRASTIC評分，結(jié)果如下：

一級階地的地下水埋深5.0～9.0 m，評分DR為7；含水層凈補給量110.0（降水入滲系數(shù)為0.25，有效降水量為550 mm），評分RR為6；含水層介質(zhì)為砂卵礫石，評分AR為8；土壤類型砂質(zhì)粉土，評分SR為6；地形坡度1%，評分TR為10；包氣帶砂質(zhì)粉土為主，評分IR為4；含水層滲透系數(shù)15 m/d，評分CR為4。二級階地的地下水埋深20～30 m，評分DR為2；含水層凈補給量66.0（降水入滲系數(shù)為0.10，有效降水量為550 mm），評分RR為3；含水層介質(zhì)為砂卵礫石，評分AR為8；土壤類型粉土，評分SR為3；地形坡度1%，評分TR為10；包氣帶粉質(zhì)黏土為主，評分IR為3；含水層滲透系數(shù)8～10 m/d，評分CR為 2。

2.2 各評價指標權(quán)重的確定

一般傳統(tǒng)的DRASTIC評價模型中，各評價指標權(quán)重值均為給定的固定值[8]。本次評價基于層次分析法，建立了以DRASTIC指標的權(quán)重為總目標層，把七個評價指標按該項指標參與阻滯污染物能力的高低程度或影響污染物運移能力的高低分類，作為決策的準則層，以評價指標分值為影響因素層的三級遞進性層次結(jié)構(gòu)[9]。分層次進行分析，進而得到影響地下水防污性能的七個衡量指標的新的權(quán)重值。

按九標度層次分析法的步驟，分別針對準則層的影響因素，將影響因素層的各個因素每兩個相互比較，得到直接判斷矩陣和間接判斷矩陣，計算得到每個判斷矩陣的最大特征值（λmax）和與之對應(yīng)的特征向量值。對數(shù)值做一致性檢驗分析，如一致性檢驗結(jié)果可以接受，再進行下一個層次的排序，計算得到的最大特征值對應(yīng)的特征向量可作為權(quán)重，用Matlab軟件計算每個判斷矩陣的特征值和對應(yīng)的特征向量[10]。

隨機一致性指標計算方法（CI）如式（1）所示，使用的隨機一致性指標值（RI），如表1所示。計算一致性比例的方法（CR）如式（2）所示。當CR＜0.10時，認為判斷矩陣的一致性可以接受，否則對判斷矩陣做調(diào)整。此次分析過程中，得到的一致性比例CR=0.029。認為一致性可以接受，得到各評價指標的權(quán)重值，如表2所示。

式中，n為判斷矩陣的階數(shù)。

表1 隨機一致性指標

表2 評價指標權(quán)重值

2.3 DRASTIC指數(shù)確定

確定各評價指標的評分值和權(quán)重值后，通過公式計算DRASTIC指數(shù)將7個評價指標綜合起來[11-12]。DRASTIC指數(shù)的計算公式為：

經(jīng)代入各評分值和指標權(quán)重計算后，二級階地的DRASTIC指數(shù)為3.86，一級階地的DRASTIC指數(shù)為6.04。

3 評價結(jié)果

根據(jù)分析區(qū)的地貌及水文地質(zhì)條件可知，一級階地的平均海拔高度要比二級階級低15 m左右，地下水埋藏深度由一級階地向二級階地由淺變深，地下潛水的總徑流方向基本垂直階地分界線由二級階地流向一級階地，最后補給進入黃河。包氣帶巖土體性質(zhì)由二級階地的黃土狀粉土、粉質(zhì)黏土到一級階地的粉土、粉細砂，巖土體顆粒大小由二級階地向一級階地逐漸變粗，降水入滲系數(shù)也逐漸增大；含水層的顆粒大小由二級階地向一級階地逐漸變粗，含水層的滲透系數(shù)增大，富水性也逐漸增強，表明階地地貌是分析區(qū)地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件的主控因素，故按一、二級階地作為地下水系統(tǒng)防污性能評價單元是適宜的。

計算得到的DRASTIC指數(shù)越大，包氣帶對污染物的阻滯能力相應(yīng)越低，地下水的防污性能也越差，越容易受到污染。經(jīng)計算得到的一級階地的DRASTIC指數(shù)為6.04，認為包氣帶阻滯污染物能力相應(yīng)較低，地下水防污性能相對稍差，地下水稍易受到污染。經(jīng)計算得到的二級階地的DRASTIC指數(shù)為3.86，包氣帶阻滯污染物能力相對較高，地下水系統(tǒng)防污性能較好，地下水較難受到污染。另外，DRASTIC指數(shù)評價體系評價的只是相對防污能力，沒有針對某種污染因子，如有特定的污染因子，還需要采用其他試驗方法和模型來判定地下水的防污能力。