基于GIS的DRASTIC模型在秦皇島平原區(qū)地下水脆弱性評價中的應(yīng)用

(1.河北省秦皇島水文水資源勘測局，河北 秦皇島 066000；2.北京艾力泰爾信息技術(shù)股份有限公司，北京 100038)

水是人類社會賴以生存和發(fā)展的不可替代的重要資源，是經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的必要條件之一。近年來，對水資源尤其是地下水資源的過度開發(fā)，已造成嚴重的環(huán)境問題，如：地下水超采、海水入侵等，直接威脅到人民群眾飲用水安全。隨著秦皇島經(jīng)濟社會的發(fā)展，水資源供需矛盾日益凸顯，水資源短缺已成為制約經(jīng)濟社會發(fā)展的瓶頸。《秦皇島市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，2020年要建成構(gòu)建“一路雙線、東西互濟、三庫聯(lián)調(diào)、四區(qū)雙水”的供水基本框架，構(gòu)建多水源互補、豐枯調(diào)劑的供水安全網(wǎng)絡(luò)。

地下水脆弱性是指由于自然條件變化和人類活動影響，地下水遭受破壞的趨向和可能性，它反映了地下水對自然和人類活動影響的抵御能力[2]。地下水脆弱性分析是合理開發(fā)利用和保護地下水環(huán)境的基礎(chǔ)，近幾年,我國學(xué)者對其進行了大量的研究工作，2012年唐立強等[3]對DRASTIC模型的地下水脆弱性評價方法的局限性和缺陷進行了探討；2013年王維琦等[4]運用DRASTIC模型對延吉市河谷地區(qū)地下水脆弱性進行了評價；2015年王建紅等[5]運用Mapgis的DRASTIC模型對黃山市中心城區(qū)地下水防污性進行了評價。本文運用GIS技術(shù)的空間分析及制圖功能，與DRASTIC相結(jié)合，統(tǒng)籌考慮地下水埋深、凈補給量、含水層介質(zhì)、土壤介質(zhì)、地形坡度、包氣帶影響、水力傳導(dǎo)系數(shù)等指標綜合對地下水防污性能進行了評價，得到秦皇島平原區(qū)地下水脆弱性分區(qū)成果圖，為當?shù)氐叵滤侠黹_發(fā)利用、水資源保護、配置提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

1.1 自然地理

秦皇島市位于河北省東北部，東北接遼寧省綏中縣，西北臨河北省承德市，西靠唐山市的灤縣、遷安市，南臨渤海，面積7802km2，其中山區(qū)面積5648km2，平原面積2154km2。海岸線東起山海關(guān)金絲河口，西止昌黎縣灤河口，總長162.70km，所轄海區(qū)20m等深線以內(nèi)總面積2114km2。

1.2 氣象水文與水資源

秦皇島市的氣候類型屬于暖溫帶半濕潤大陸性季風氣候。因受海洋影響較大，氣候比較溫和，春季少雨干燥，夏季溫熱無酷暑，秋季涼爽多晴天，冬季漫長無嚴寒。轄區(qū)內(nèi)地勢多變，但氣候影響不大。多年(1956—2015年)平均氣溫10.10℃，多年平均降水量661.70mm，多年平均陸面蒸發(fā)量537mm，多年平均水面蒸發(fā)量為1110mm。蒸發(fā)最強的季節(jié)為春、秋季，3—5月蒸發(fā)量約占年總量的32%。多年平均水資源量為16.80億m3，其中地表水水資源量為13.09億m3，地下水水資源量為7.45億m3，重復(fù)計算量為3.74億m3。

1.3 社會經(jīng)濟

據(jù)《秦皇島市國民經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒》(2015年)統(tǒng)計，2015年末全市常住人口307.32萬人，其中農(nóng)業(yè)人口163.15萬人，占總?cè)丝诘?5.3%，非農(nóng)業(yè)人口132.49萬人，人口密度394人/km2。全年共接待國內(nèi)外游客3372.4萬人次。全市國內(nèi)生產(chǎn)總值1250.44億元，其中第一產(chǎn)業(yè)177.63億元，第二產(chǎn)業(yè)445.09億元，第三產(chǎn)業(yè)627.72億元。人均國內(nèi)生產(chǎn)總值達到40746元。全市總耕地面積19.55萬hm2，其中水澆地面積10.55萬hm2。

2 地下水脆弱性指標體系構(gòu)建

地下水脆弱性的評價一般是選取疊置指數(shù)法，其機理是將所選取的各個評價指標的得分進行疊加，得到一個表達脆弱性嚴重與否的綜合指數(shù)。目前，最受國內(nèi)外學(xué)者追捧的是DRASTIC模型，也是當下使用最為廣泛的地下水脆弱性評價方法之一。它選取了地下水埋深(D)、凈補給量(R)、含水層介質(zhì)(A)、土壤介質(zhì)(S)、地形坡度(T)、滲透系數(shù)(K)、水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)7個因子，進行地下水脆弱性評價[1-5]。該模型將每個指標因子都分成不同的區(qū)段，每個區(qū)段根據(jù)自己在模型中所占的相對重要性即權(quán)重賦予評分，DRASTIC數(shù)值指標的分級范圍見表1。

每個指標都會對地下水脆弱性有不同程度的貢獻度，即相應(yīng)的權(quán)重。根據(jù)以往研究成果，地下水位埋深、凈補給量、含水層介質(zhì)、土壤介質(zhì)、地形坡度、水力傳導(dǎo)系數(shù)和滲透系數(shù)相對于地下水脆弱性的權(quán)重分別為5、4、3、2、1、5、3。將各個指標最終得分加權(quán)就得到地下水脆弱性評價指數(shù)，可通過式(1)來實現(xiàn)。

地下水脆弱性評價綜合指標數(shù)DI的表達式為

DI=DwDR+RwRR+AwAR+SwSR+TwTR

+IwIR+CwCR

(1)

式中 下標R——各影響指標的值；

下標w——各影響指標的權(quán)重。

表1 DRASTIC數(shù)值指標的分級范圍

3 評價因子的分析

3.1 土壤介質(zhì)S

秦皇島市平原區(qū)土壤種類繁多，共有褐土、棕壤土、粗骨粒、潮土、濱海土、新積土、石質(zhì)土、風沙土、水稻土、沼澤土10種類型。褐土：分布最廣，從海拔20m至山前平原之間均有分布，為主要的土壤類型，約占平原區(qū)土地總面積的54.30%，主要種植糧食作物。棕壤土：主要分布于山海關(guān)、北戴河等濱海地帶，土壤母質(zhì)多為酸性巖、硅質(zhì)巖。潮土：主要分布在京山鐵路以南到濱海平原海拔1.50～2.50m范圍及秦皇島市區(qū)范圍內(nèi)，發(fā)育在沖積母質(zhì)上。風沙土和水稻土：主要分布在京山鐵路以南的海岸線上以及灤河沿岸，呈帶狀分布。其他土壤類型分布面積較小。研究區(qū)土壤分布情況見圖1。

圖1 土壤類型分區(qū)

3.2 地下水水位埋深D

受地下水貯藏條件、自然條件和人類活動的影響，研究區(qū)地下水位整體上由西北向東南呈現(xiàn)出加深的趨勢，由西北向東南流動，但由于昌黎縣、撫寧區(qū)地下水大幅度的開采，地下水水位降落漏斗的形成，在撫寧留守營和昌黎縣城范圍內(nèi)產(chǎn)生了地下水水位降落漏斗，地下水水位埋深在20m左右。地下水位埋深變化分區(qū)圖見圖2。

圖2 地下水埋深分區(qū)

3.3 含水層介質(zhì)A

研究區(qū)受新生代以來強烈的地質(zhì)構(gòu)造控制，承接了完整的第四系松散底層，堆積厚度大約在50～400m，受沖洪積地形的影響，含水層厚度由山前平原向沿海逐漸變薄，以昌黎華夏斷裂為分界線，平均厚度在40m左右。含水層厚度變化情況見圖3。

圖3 含水層厚分區(qū)度

3.4 地形坡度T

受中朝準地Ⅰ級內(nèi)的Ⅱ級構(gòu)造單元燕山褶皺與華北坳陷額控制，經(jīng)歷了長期的多次構(gòu)造演變，秦皇島平原區(qū)地勢形態(tài)特征是連片，少有起伏，北高南低稍有傾斜，基本廣闊平坦，海拔0～20m，面積1410.2km2，占全市總面積的18.05%。以昌黎—撫寧—秦皇島市區(qū)一線以南地形坡度較小，小于3°，其余位置均大于3°。地形坡度分區(qū)見圖4。

圖4 坡度類型分區(qū)

3.5 滲透系數(shù)K

該區(qū)的滲透系數(shù)主要受地形地貌的影響，在平原區(qū)中部滲透系數(shù)為80～100m/d，南部兩側(cè)以津秦鐵路和大夫莊—昌黎縣城一線為分界線，滲透系數(shù)為30～50m/d，最北部地區(qū)為50～80m/d，中部兩翼一般小于30m/d。研究區(qū)滲透系數(shù)分區(qū)情況見圖5。

圖5 滲透系數(shù)分區(qū)

3.6 凈補給量R

研究區(qū)位于燕山東麓，屬于華北平原的一部分，地下水的補給來源較多，包括大氣降水入滲、山區(qū)側(cè)向補給、河渠滲漏和灌溉水回歸補給，垂向的排泄以潛水蒸發(fā)和人工開采為主。通過對研究區(qū)各補給項、各排泄項的分析，將各補給量進行疊加分析，得到地下水的凈補給量的分級情況，在側(cè)向徑流補給、渠系滲漏補給和田間灌溉回歸的作用下，地下水的補給由西北向東南總體上呈現(xiàn)出逐漸變?nèi)醯膽B(tài)勢。凈補給量變化情況見圖6。

圖6 凈補給量分區(qū)

3.7 水力傳導(dǎo)系數(shù)C

研究區(qū)水力傳導(dǎo)系數(shù)對地下水防污性能的影響主要表現(xiàn)在其顆粒的粗細，本次用該區(qū)的水文地質(zhì)情況來體現(xiàn)。水文地質(zhì)情況見圖7。

圖7 水力傳導(dǎo)系數(shù)分區(qū)

4 GIS與DRASTIC模型的結(jié)合與應(yīng)用

首先，在充分分析研究區(qū)地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，結(jié)合收集資料，將DRASTIC模型的7項因子按照相應(yīng)的區(qū)間值或類型特征在同一幅數(shù)字化的地圖上進行分區(qū)，形成各單項評價指標的分區(qū)圖，并對每幅圖的各分區(qū)進行屬性編輯，按照表1相應(yīng)的屬性區(qū)間值給出評分。其次，通過ArcGIS的Raster Calculater功能，對任意的單個因子和防污指數(shù)分布柵格圖進行疊加分析，可以得到任意區(qū)域、任意點的計算值。本次研究以10m×10m為一個單元格，提取每個單元格對應(yīng)的單因子和防污指數(shù)，將7個單項因子指標的柵格文件按照各評價指標的權(quán)重，計算得出各分區(qū)單元地下水防污性能指數(shù)。最后，根據(jù)上述評價方法與各指標分析結(jié)果，結(jié)合DRASTIC 脆弱性劃分原則，初步將脆弱性分為5級:Ⅰ級，DI≤70，防污性能很好；Ⅱ級，70160，防污性能很差。地下水防污性能指數(shù)分級標準見表2。

表2 地下水防污性能分級標準

本次秦皇島市平原地區(qū)地下水脆弱性評價DRASTIC模型的評價指標的選擇，主要參照了研究區(qū)的以往工作資料以及《秦皇島市水文手冊》相關(guān)成果和《秦皇島市地質(zhì)環(huán)境圖集》，各指標的評價標準見表1。平原區(qū)地區(qū)孔隙潛水的脆弱性評價結(jié)果將研究區(qū)地下水脆弱性依次分為脆弱性強區(qū)、脆弱性較強區(qū)、脆弱性中等區(qū)、脆弱性較弱區(qū)和脆弱性區(qū)。按照脆弱性評價值由高到低，利用顏色的深淺表示脆弱性的強弱，最終得到地下水脆弱性分區(qū)圖(見圖8)。

圖8 平原地區(qū)地下水脆弱性評價分區(qū)

研究表明，昌黎縣不易污染區(qū)主要分布在北部山丘區(qū)，廣大平原區(qū)為較易污染或極易污染區(qū)，為第四系松散巖類孔隙。撫寧區(qū)極易污染區(qū)主要分布在南部平原區(qū)及洋戴河兩側(cè)，為第四系松散巖類孔隙水。防污性較低區(qū)主要位于南部平原區(qū)，其中極易污染區(qū)主要位于青龍河兩側(cè)和青龍鎮(zhèn)，為第四系松散巖類孔隙水，包氣帶巖性主要為粉細砂、亞砂土，含水層巖性以卵礫石、粗砂為主，滲透系數(shù)多大于100m/d，水位埋深較淺，為2～6m，地下水凈補給強度100～200mm，補給強度相對較強。受地表水的影響，地下水交替較強烈，包氣帶透水性較強，有利于地表污染物的滲透和遷移，地下水環(huán)境自我防護能力較差，地下水較易污染。

如圖8所示，地下水固有防污性能指數(shù)(DI)變化范圍在88～167之間。

5 結(jié) 語

本文選取DRASTIC方法，通過ArcGIS數(shù)據(jù)處理平臺，結(jié)合研究區(qū)的地形、土壤、水文地質(zhì)條件等因素，采用層次分析法對各指標賦權(quán)，建立DRASTIC地下水模型，對秦皇島平原區(qū)地下水脆弱性進行分析。研究表明：昌黎縣不易污染區(qū)主要分布在北部山丘區(qū)，廣大平原區(qū)為較易污染或極易污染區(qū)。撫寧區(qū)極易污染區(qū)主要分布在南部平原區(qū)及洋戴河兩側(cè)。防污性較低區(qū)主要位于南部平原區(qū)，其中極易污染區(qū)主要位于青龍河兩側(cè)和青龍鎮(zhèn)。該成果與實際情況基本一致，可靠性較高。

評價結(jié)果對于制定研究區(qū)地下水資源保護規(guī)劃、地下水污染防治規(guī)劃，合理開發(fā)利用地下水資源、土地資源具有一定的指導(dǎo)意義，根據(jù)不同的地下水脆弱性分區(qū)，制定和采取有針對性的保護措施，制定科學(xué)的地下水資源開發(fā)利用方案，設(shè)置地下水資源保護區(qū)，從保護地下水資源角度進行國土資源規(guī)劃，對于緩解研究區(qū)地下水資源緊缺、地下水位持續(xù)下降，保持地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義。