基于WOE與PCA的油田鉆井區地下水脆弱性研究

李 霞，方 樟，江世雄，馬 喆，李立軍

(1.吉林大學地下水資源與環境教育部重點實驗室，長春 130021；2.國網福建省電力有限公司，福州 350001；3.吉林省地質環境監測總站，長春 130021)

0 引 言

地下水對生態環境和人類的生產生活具有重要作用，尤其在干旱半干旱區域，地下水是主要的環境生態因子和供水水源[1]。近年來，石油化工產業迅速發展，在石油的開采、運輸和加工過程中，地下水污染事件屢有發生[2]。其中石油類污染物具有三致毒性，對生態環境及人體健康的危害巨大。某油田開采廠的油田開采井選址位于伊通地區飲用水源地準保護區，選址范圍須考慮油田井在未來開采可能出現的石油類污染物對地下水的污染。因此本文根據該區地質條件和水文地質條件進行地下水脆弱性評價。

地下水脆弱性評價指污染物自含水層頂部某一特定位置到達地下水系統的可能性與趨勢[3-5]。自1968年法國人Margat首次提出“地下水脆弱性”的概念以來[6]，各學者對地下水脆弱性評價的研究不斷深入和改進，評價方法也日趨成熟。在DRASTIC模型基礎上衍生出適應研究區的特殊地下水脆弱性評價模型，Nerantzis等提出了DRASTIC-PA模型，將其應用在有硝酸鹽污染的含水層特殊脆弱性評價中，周奉等[7,8]利用DPSIR模型構建了反映黔中地區水資源脆弱性的評價指標體系。目前，將地下水脆弱性評價應用于選址問題的研究甚少，陳寰等[9]建立評價體系研究生活垃圾填埋場最佳選址位置，但其評價因子不能充分反映污染地下水的可能性。在確定地下水脆弱性評價指標權重方面，學者們結合模糊理論、統計學及數值模擬等工具優化評價過程，薛玉璇等人采用LM-BP神經網絡法改進權值和閾值，李紹飛等[10,11]人利用熵權法與層次分析法相結合確定評價指標的權重。但各方法計算繁瑣且在確定權重方面仍存在缺陷[12,13]。證據權重法(WOE)計算簡單，結果合理準確，但其主要應用于滑坡敏感性及成礦預測，在地下水脆弱性評價方面研究甚少[14-16]。因此本文利用主成分因子分析法(PCA)和證據權重法(WOE)對研究區地下水脆弱性進行評價并對比其性能，得到更準確的結果，為油田鉆井選址提供依據。

1 研究區概況

研究區位于伊通滿族自治縣的伊通河以西地帶，為伊通河與東遼河的沖積平原和侵蝕臺地(圖1)，屬于莫里青斷陷，現有的勘探開發與地質研究成果表明莫里青斷陷是一個油氣資源豐富的斷陷[17]。研究區西部為北西向松遼分水嶺，第四系孔隙承壓水含水層在分水嶺兩側增厚，在平原區變薄。地下水的補給來源主要為大氣降水，在平原區的局部地段有側向徑流，河水和灌溉入滲補給。新近系承壓水盆地為平緩向斜儲水構造，其含水層與第四系孔隙承壓水含水層呈不整合接觸。平原區排泄方式以滲入河流為主，河谷區以垂向蒸發為主、水平運動為輔。

圖1 研究區交通位置圖

2 地下水脆弱性評價

2.1 地下水脆弱性評價指標

地下水固有脆弱性的評價指標包括地下水位埋深(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)和水力傳導系數(C)[18-20]。研究區范圍內降水量、蒸發量及溫度值變化幅度較小，可忽略凈補給量(R)對地下水脆弱性的影響。因此本文在地下水固有脆弱性評價模型中選取與地下水污染有密切關系的6個指標，同時選取土地利用方式(L)、河流距離(DR)及河流密度(RD)作為地下水特殊脆弱性評價指標。

(1)地下水位埋深(D)越大，地下水越不易受到污染，地下水脆弱性越低。水位埋深較淺的區域位于研究區北部與東南部的漫灘及一級階地，水位埋深小于5 m。

(2)含水層介質(A)顆粒越小，滲透系數越小，含水層厚度越大，裂隙不發育，地下水脆弱性越低。研究區漫灘及一級階地的巖性主要是現代河流砂礫石沖積層、黃土層、亞砂土，北部研究區邊界處集中分布有正長花崗巖。含水層滲透系數介于4～100 m/d之間，含水層厚度介于1～134 m之間。

(3)土壤介質(S)有機質含量越多，滲透系數越小，厚度越大，地下水脆弱性越低。研究區土壤以亞砂土為主，滲透性較好，土壤厚度介于8.5～45 m之間。

(4)地形坡度(T)大，地下水脆弱性低。研究區地形趨勢呈現西北高，向河流方向逐漸降低，范圍介于0.005%～0.8%之間。

(5)包氣帶介質(I)滲透系數越小，厚度越大，脆弱性越低。研究區包氣帶介質滲透性呈現有東北向西南逐漸降低的趨勢，包氣帶厚度介于0.5～20 m之間。

(6)水力傳導系數(C)影響地下水的流速，介質顆粒的粒徑越大且連接性越好，地下水的脆弱性越高。研究區河漫灘到河流階地，潛水含水層的巖性顆粒逐漸變小，水力傳導系數相應的逐漸變小。

(7)土地利用方式(L)是人類活動對地下水污染的集中途徑，研究區以旱地為主，農業用地為潛在的面狀污染源，地下水脆弱性最高；研究區工業用地中各類工廠工藝產生的“三廢”為地下水的潛在污染源；研究區城鎮居民生活用地部分做了防滲處理且人口密度較小，在一定程度上減少了地下水的污染。

(8)河流距離(DR)和河流密度(RD)是農業活動區域污染地下水的重要因素，肥料通過地表水匯向河流再滲入潛水含水層。丘陵距離河流最遠超過2 000 m。河流在研究區東北部分布較密。

利用ArcGIS10.2分別對每一種指標的脆弱性繪制對應的矢量圖，部分結果見圖2～圖5。

表1 地下水脆弱性評價指標評分標準

圖2 地下水位埋深(D)分級圖

圖3 包氣帶介質(I)分級圖

2.2 油田鉆井區地下水脆弱性評價

2.2.1 多重共線性診斷

將研究區劃分10 000個單元，建立每個單元對應于9個評價因子的屬性數據庫，計算容差和方差擴大因子(VIF)來評估本研究中評價因子的相關關系。容差<0.1和VIF>5則表現出強烈的多重共線性，根據計算結果可知9個評價因子沒有多重共線性，即沒有相關性(表2)。

表2 評價因子多重共線性診斷表

2.2.2 主成分因子分析法

主成分因子分析法(PCA)確定研究區各評價指標的權重值，可以避免權重賦值的主觀性強等問題[21-23]。SPSS是通過主成分分析獲取權重的客觀賦權法。因子分析法是建立具有密切相關關系的典型因子替代大量原始數據，從而反映系統要素間的內在關系。根據上述10 000個單元，通過SPSS16.0軟件計算得出權系數，歸一化后得到權重值(表3)。

表3 脆弱性評價方法各指標權重值

圖4 水力傳導系數(C)分級圖

圖5 土地利用方式(L)分級圖

2.2.3 證據權重法

表4 評價因子層最大權重值

2.2.4 結果與討論

上述兩種方法計算地下水脆弱性評價指數：DI=DwDr+AwAr+SwSr+TwTr+IwIr+CwCr+LwLr+DRwDRr+RDwRDr；式中r和w分別為評分值和權重值，DI為脆弱性評價綜合指數。DI值越高，研究區地下水脆弱性越高，越容易受到污染；反之地下水越不易受到污染[27-31](表5)。通過ArcGIS10.2繪制地下水脆弱性綜合評價圖(圖6～圖7)。利用ROC曲線法評價和比較主成分因子分析法和證據權重法的結果(圖8)[32]，主成分因子分析法的AUC值為0.73，證據權重法的AUC值為0.80，則證據權重法在評價研究區地下水脆弱性時更精確。

表5 脆弱性評價方法各指標評分表

圖6 主成分因子分析法地下水脆弱性評價分級圖

圖7 證據權重法地下水脆弱性評價分級圖

圖8 地下水脆弱性評價方法評價性能對比圖

由證據權重法地下水脆弱性評價結果可知，脆弱性以較低、中等、較高為主，其中脆弱性較低的面積占總研究區的25.57%，主要分布在槽形谷地及一級階地，地層類型為黃土層、亞砂土，人類活動中等，在石油鉆井選址時，盡量避免人類活動集中的區域，可將鉆井周圍的農業用地變林地，種植植物以減少污染的可能性；脆弱性中等、較高的區域面積占研究區的69.85%，集中分布在漫灘及一級階地，地層類型為砂礫石沖積層及亞砂土，滲透系數大，含水層埋深淺，人類活動較強烈，部分為工業用地，污染物排放量大，選址時要認真勘查周圍的污染源，并控制其進一步的污染，將農業用地改造為林地，在選址位置做好防滲處理。研究區進行油田鉆井選址以鉆前工程井場選址規劃原則為前提，可優先考慮脆弱性低及較低的地區即研究區西部及西南部，并采取必要的預防和治理措施。選址時需避免地下水脆弱性高的地區即東北部漫灘，一級階地，河流及水庫影響范圍。

3 結 語

(1)選擇評價指標時去掉對地下水脆弱性影響較小的凈補給量(R)，添加土地利用方式(L)、河流距離(DR)及河流密度(RD)，與地下水位埋深(D)、含水層介質(A)、土壤介質(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)和水力傳導系數(C)共同組成了本次地下水脆弱性評價指標體系，經過多重共線性診斷可知9個因子不具有相關性。

(2)選擇主成分因子分析法及證據權重法客觀計算地下水脆弱性評價指標的權重值，并利用ROC曲線法比較兩種方法的性能，其AUC值分別為0.73和0.80，對比得出證據權重法計算結果更精確。

(3)根據證據權重法計算研究區地下水脆弱性結果可知脆弱性較低的面積占總研究區的25.57%，脆弱性中等、較高的區域面積占研究區的69.85%。油田鉆井選址需避免在東北部漫灘、一級階地、河流及水庫脆弱性高的地區，并制定相關的防治措施。