廣西區(qū)潛水含水層防污性能評價與研究

周海玲, 江思義, 李淑萍

(廣西壯族自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，廣西 南寧 530029)

0 引言

地下水是我國城鄉(xiāng)居民飲用水的重要水源之一，防治地下水污染對于保障飲用水安全具有重要的戰(zhàn)略意義。潛水含水層距離地表較近，與包氣帶直接連通，和地表水圈、大氣圈聯(lián)系緊密，潛水含水層易受到人為因素的影響，對潛水含水層防污性能進行評價與研究對地下水污染防治有較大的意義。

目前，對地下水防污性能的研究有很多，劉淑芬等[1]以河北平原為例，對區(qū)域地下水防污性能的評價方法進行研究；李貴明[2]以河南省項城市為例，對水質(zhì)型缺水區(qū)的地下水防污性能進行評價與防治研究；王燕秋[3]以泰安市為例，對巖溶地區(qū)巖溶水系統(tǒng)地下水防污性能進行了研究；林洪義[4]采用DRTA模型對松花江松原市江段重點地段地下水環(huán)境質(zhì)量與防污性能進行了評價研究；蔚輝[5]對北京城近郊“三氮”特殊防污性能進行了評價，對“三氮”的特殊污染性能與在包氣帶中的運移及轉(zhuǎn)化機理進行了研究；鐘佐燊[6]對國內(nèi)外地下水防污性能評價方法進行了歸納與探討，對比了各類模型的優(yōu)缺點并進行了總結(jié)，相關(guān)的研究不勝枚舉。

本次研究依托于“廣西壯族自治區(qū)地下水污染現(xiàn)狀調(diào)查”和“廣西壯族自治區(qū)地下水資源評價”項目，其成果可為廣西區(qū)地下水污染防治和生態(tài)文明建設(shè)、環(huán)境保護等提供指導(dǎo)和借鑒。

1 研究區(qū)概況

廣西地處我國南部，位于北緯20°54′～26°23′，東經(jīng)104°28′～112°04′。南臨北部灣，與海南省隔海相望，東連廣東，東北接湖南，西北靠貴州，西鄰云南，西南與越南毗鄰。陸地區(qū)域面積23.67 × 104km2，占全國國土總面積的2.5%，居各省區(qū)市第9位，大陸海岸線全長1 500 km，沿海灘涂面積1 005 km2。全區(qū)地下水分為孔隙水、孔隙裂隙水、巖溶水和裂隙水等四種地下水類型。又按不同的含水巖類劃分成松散巖類、紅層鈣質(zhì)礫巖類、紅層碎屑巖類、碳酸鹽巖類、碳酸鹽巖夾碎屑巖類、碎屑巖類、變質(zhì)巖類和巖漿巖類等八個含水巖組。

廣西是地下水資源豐富的地區(qū)，多年平均天然補給資源量為754.65 × 108m3/a，枯水年天然補給資源量為661.37 × 108m3/a，可開資源量為273.38 × 108m3/a。全區(qū)地下水開發(fā)均為淺層淡水，開采方式有井采、引泉等。故對區(qū)內(nèi)潛水的防污性能進行評價與研究，對防治地下水污染及保障飲用水安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

2 評價方法研究

天然防污性能是指在一定的地質(zhì)與水文地質(zhì)條件下，人類活動產(chǎn)生的所有污染物進入地下水的難易程度。本次研究采用DRASTIC模型，具體研究思路為：①資料搜集和野外調(diào)查；②建立評分體系和權(quán)重體系；③計算評分指標(biāo)值；④劃分防污性能區(qū)域；⑤繪制防污性能分級圖。

2.1 評價因子選取

DRASTIC模型是由美國環(huán)保局(U.S.EPA)于1985年提出的，該地下水水質(zhì)模型用于評價區(qū)域地下水污染風(fēng)險[7]，該模型包括：地下水埋深(D)、含水層凈補給量(R)、含水層介質(zhì)類型(A)、土壤類型(S)、地形坡度(T)、包氣帶巖性(I)和含水層的導(dǎo)水系數(shù)(C)7個因子。各評價因子的選取及參數(shù)獲取說明如下：

(1)地下水埋深(D)：地下水埋深決定著污染物到達含水層時間及其與含水介質(zhì)接觸的時間，并且提供了污染物與大氣中的氧接觸致使其氧化的最大機會[8-9]。地下水埋深一般通過枯水季節(jié)水位監(jiān)測孔獲得，也可通過地下水等水位圖、鉆孔資料等資料獲得。本次調(diào)查主要通過收集資料和實測獲得。

(2)含水層凈補給量(R)：DRASTIC模型規(guī)定凈補給量為單位面積內(nèi)通過地表下滲到達地下水水位的水量。凈補給主要來源于降雨量，可用降雨量減去地表徑流量和蒸發(fā)量來估計R因子[8-9]。本次調(diào)查主要通過收集廣西89個降雨站點的多年(共35年)平均降雨量繪制等直線圖，以及廣西區(qū)各種巖性的滲入系數(shù)，通過兩圖進行疊加再減去地表徑流量和蒸發(fā)量來估計評價點R因子。

(3)含水層介質(zhì)類型(A)：含水層介質(zhì)對含水層中的水流運動有較大影響，也影響到污染物發(fā)育過程[8-9]。本調(diào)查主要通過收集資料中的抽水試驗鉆孔和廣西地下水監(jiān)測點的1 432個鉆孔柱狀圖中篩選出625個作為確定A因子的基礎(chǔ)資料。

(4)土壤類型(S)：土壤類型不僅對地表入滲的補給量影響較大，同時也對污染物垂直向包氣帶運移的能力有影響[8-9]。本次調(diào)查主要依據(jù)收集的資料中的廣西土壤質(zhì)地分布概圖和1∶100萬的廣西工程地質(zhì)圖以及廣西水文地質(zhì)圖等來確定S因子。

(5)地形坡度(T)：地形坡度不僅控制著污染物的滯留情況，還影響了土壤發(fā)育情況。除此之外，地形還決定了地下水的流向和流速[8-9]。本次研究利用ArcGIS地理信息系統(tǒng)軟件，采用1∶25萬的廣西數(shù)字地形圖中的等高線、高程點以及部分水系要素輸入高程值，生成廣西數(shù)字高程模型(DEM)，通過計算相鄰元值的差異可求得坡度，按坡度分級確定T因子。

(6)包氣帶巖性(I)：包氣帶巖性的類型影響著污染物的遷移時間以及污染物與巖土體之間的反應(yīng)程度[8-9]。本調(diào)查主要通過收集資料中的抽水試驗鉆孔和廣西地下水監(jiān)測點的1 432個鉆孔柱狀圖中篩選出625個作為確定I因子的基礎(chǔ)資料。

(7)含水層的導(dǎo)水系數(shù)(C)：導(dǎo)水系數(shù)C數(shù)據(jù)難以得到， 滲透系數(shù)K反映了含水層中水流的遷移能力，用滲透系數(shù)K代替導(dǎo)水系數(shù)C也能達到評價的目的。滲透系數(shù)K可根據(jù)含水層的抽水試驗計算得出，也可通過單井涌水量估計[8-9]。本次研究主要通過收集鉆孔中抽水試驗孔和廣西地下水監(jiān)測點共625個鉆孔點計算出來的滲透系數(shù)K，確定C因子。

2.2 評價指標(biāo)體系及評價方法

2.2.1 DRASTIC模型評分體系

DRASTIC模型中因子分為數(shù)值和介質(zhì)兩類。D、R、T、C因子為數(shù)值類；A、S、I是介質(zhì)類。設(shè)計分值范圍是1～10，防污性能最好的評分為1，最差的評分為10，其中，D、R、S、T、C因子每個區(qū)間或每類介質(zhì)只給一個評分值，而A、I因子的每類介質(zhì)給一個分值范圍和一個代表值(見表1)。

表1 DRASTIC模型各因子的類別及其評分表

備注：*括弧內(nèi)的數(shù)字為典型評分值。

2.2.2 DRASTIC模型權(quán)重體系

按因子對防污性能影響的大小分別給予權(quán)重值，影響最大的權(quán)重值為5，影響最小的為1。權(quán)重值是不變的常數(shù)，見表2。

表2 DRASTIC模型各因子權(quán)重

2.2.3 計算評分指標(biāo)值

根據(jù)評價區(qū)具體情況，結(jié)合野外實際調(diào)查資料和收集到的已有各種資料，兼顧水文地質(zhì)單元進行評價。本次采用的是離散型點方式進行評價，選定恰當(dāng)?shù)脑u價點后(刪除同一水文地質(zhì)單元內(nèi)各因子差異性較大的點)，根據(jù)表1、表2確定各評價點分級值和權(quán)重值，采用加權(quán)的方法計算DRASTIC指數(shù)(DI)。DRASTIC指數(shù)(DI)的計算公式：

DI=DwDr+RwRr+AwAr+SwSr+TwTr+IwIr+CwCr

式中，DI為防污性能指數(shù)；Dr、Rr、Ar、Sr、Tr、Ir、Cr分別為各因子的分級值；Dw、Rw、Aw、Sw、Tw、Iw、Cw分別為各因子的權(quán)重值。

3 研究區(qū)評級研究

在評價區(qū)23.7 × 104km2范圍內(nèi)，采用上述評價方法，對各離散點進行評價后得到的防污性能指數(shù)(即各評價指標(biāo)的加權(quán)和)，即在67～201之間，根據(jù)各離散點的分布情況，結(jié)合DRASTIC 防污性能的劃分原則和廣西地質(zhì)環(huán)境條件的實際情況，根據(jù)DRASTIC模型計算結(jié)果，將廣西的潛水含水層防污性能評價區(qū)劃分為3 個等級(見表3及圖1):即Ⅰ級，DI≤110，防污性能較好；Ⅱ級，110130，防污性能較差。地下水系統(tǒng)防污性能指數(shù)越小，防污性能越好；反之，則防污性能越差。

(1)潛水含水層防污性能較好區(qū)：主要位于東興至靈山裂隙地下水系統(tǒng)，玉林至北海裂隙、孔隙地下水系統(tǒng)北部和橋圩至芩溪裂隙地下水系統(tǒng)分布區(qū)，見表3，具體分布見圖1。總面積1.55 × 104km2，占全區(qū)面積的6.54%。地貌類型為低山丘陵，主要為花崗巖分布區(qū)，上部風(fēng)化殼層厚約10～50 m，主要為黏性土層，顆粒密實程度好，地下水埋藏較深，自凈能力強。防污性能指數(shù)DI值在67～110之間。

(2)潛水含水層防污性能中等區(qū)：廣西的各個地下水系統(tǒng)均有分布，見表3，具體分布見圖1。總面積17.31 × 104km2，占全區(qū)面積的73.04%。地貌以中山、中低山、低山丘陵、峰林平原、峰林谷地為主。該區(qū)上部覆蓋有黏性土層，地下水補給、徑流、排泄條件較好，自凈能力中等。防污性能指數(shù)DI值在111～130之間。

(3)潛水含水層防污性能較差區(qū)：分布于隆林至巴馬巖溶、裂隙地下水系統(tǒng)，天峨至融安裂隙地下水系統(tǒng)，環(huán)江至宜山巖溶地下水系統(tǒng)，忻城至黎塘巖溶地下系統(tǒng)，德保巖溶、裂隙地下水系統(tǒng)，天等至武鳴巖溶、裂隙地下系統(tǒng)，龍州至扶綏巖溶地下水系統(tǒng)分布區(qū)，見表3，具體分布見圖1。總面積4.84 × 104km2，占全區(qū)面積的20.42%。該區(qū)基本為灰?guī)r裸露的峰林孤峰平原、峰叢峰林谷地、高峰叢洼地等巖溶地貌區(qū)和濱海平原臺和地丘陵山地區(qū)，黏性土層一般為0～5 m，地下水埋深較淺，地下河系、巖溶管道以及空隙發(fā)育強烈，連通性較好，一旦地下水受到污染，地下水將沿著地下河、巖溶管道以及孔隙徑流至其他區(qū)域，地下水自凈能力較弱，防污性能指數(shù)DI值在131～201之間。

表3 廣西各地下水系統(tǒng)防污性能評價表

圖1 廣西潛水防污染性能指數(shù)分區(qū)圖

4 結(jié)語

利用DRASTIC模型，模型包括地下水埋深(D)、含水層凈補給量(R)、含水層介質(zhì)類型(A)、土壤類型(S)、地形坡度(T)、包氣帶巖性(I)和含水層的導(dǎo)水系數(shù)(C)7個因子，對廣西區(qū)潛水防污性能進行評價。結(jié)果表明：潛水含水層防污性能較好區(qū)：主要位于東興至靈山裂隙地下水系統(tǒng)，玉林至北海裂隙、孔隙地下水系統(tǒng)北部和橋圩至芩溪裂隙地下水系統(tǒng)分布區(qū)，總面積1.55 × 104km2，占全區(qū)面積的6.54%；潛水含水層防污性能中等區(qū)：廣西的各個地下水系統(tǒng)均有分布，總面積17.31 × 104km2，占全區(qū)面積的73.04%；潛水含水層防污性能較差區(qū)：分布于隆林至巴馬巖溶、裂隙地下水系統(tǒng)，天峨至融安裂隙地下水系統(tǒng)，環(huán)江至宜山巖溶地下水系統(tǒng)，忻城至黎塘巖溶地下系統(tǒng)，德保巖溶、裂隙地下水系統(tǒng)，天等至武鳴巖溶、裂隙地下系統(tǒng)，龍州至扶綏巖溶地下水系統(tǒng)分布區(qū)，總面積4.84 × 104km2，占全區(qū)面積的20.42%。其成果可為廣西區(qū)地下水污染防治和生態(tài)文明建設(shè)、環(huán)境保護等提供指導(dǎo)和借鑒。