基于迭置指數法的簡易垃圾填埋場地下水污染風險研究

程思茜，廖 鐳，張 涵

(1.西南交通大學地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031；2.中建三局工程設計有限公司，湖北 武漢 430064)

地下水污染風險是指地下水受到污染的概率，其概念包含地下水固有脆弱性、地下水污染負荷危害性和地下水價值功能三方面[1-3]。地下水污染風險評價的目的是確定地下水污染風險大小，目前地下水污染風險評價主要是基于地下水脆弱性評價，評價方法有迭置指數法、過程數學模擬法、統計方法和模糊數學法等[4-5]。其中，基于迭置指數法構建的DRASTIC模型由于其操作簡單、指標易獲取等優點，在實際中得到了廣泛的應用[6-7]。傳統的DRASTIC模型包含了地下水固有脆弱性參數7項，可利用專家打分法確定各項參數分級評分標準和權重，以一定方式迭加計算綜合指數，用以評價地下水的脆弱性。但由于該模型忽略了單個指標的負效應，且專家打分法具有較大的主觀性[8]，加之該模型僅考慮了地下水固有脆弱性，而忽略了地下水污染負荷及其功能價值對地下水污染風險的影響，因此使地下水固有脆弱性較高而無潛在污染源地區的評價結果準確性受到限制。為了使DRASTIC模型能夠更好地反映地下水污染風險，對該模型進行改進以獲得更客觀的地下水污染風險評價結果顯得尤為重要[9-12]。

本文基于迭置指數法，綜合考慮地下水固有脆弱性7項評價指標和污染負荷危害性5項評價指標，量化評估地下水被污染后對環境造成的危害程度，通過對傳統DRASTIC模型進行改進，優化地下水污染風險評價模型，并以我國西南某簡易垃圾場為實例，計算研究區地下水污染綜合風險指數并分級，同時利用ArcGIS揭示研究區地下水污染風險的空間分布規律，探討地下水污染風險分布特征，為研究區地下水污染防治和保護提供科學依據。

1 研究方法

本次研究方法為：首先選取評價指標，通過對各評價指標進行分級與評分，建立地下水污染風險評價模型；然后根據模型各評價指標評分值與其對應權重迭置的結果，形成一個可量化地下水污染風險程度的綜合指數；最后結合ArcGIS技術對地下水污染風險綜合指數空間分布特征進行研究。

1. 1 評價指標的選取

地下水污染風險是地下水脆弱性與人類活動造成污染荷載之間相互作用的結果[13]，本文在選擇地下水污染風險評價指標時綜合考慮了地下水固有脆弱性和地下水污染負荷危害性兩類影響因素。地下水固有脆弱性評價指標選取DRASTIC模型中7項水文地質參數，即地下水埋深、地下水凈補給量、含水層巖性、土壤介質類型、地形坡度、包氣帶巖性、含水層水力傳導系數。地下水污染負荷危害性即為地下水特殊脆弱性，反映人類活動造成的污染負荷，與污染物數量、污染物種類、研究區內水系發達程度以及地下水用途重要性等眾多因素相關，如在地下水與地表水交換頻繁或者地下水被作為居民生活用水和農業灌溉用水的地區，則地下水特殊脆弱性相應較大；除此之外，污染物下滲形成污染羽的過程還受到地下水流向和流速、污染物在含水介質中吸附轉化等的影響，這些因素均未在固有脆弱性評價指標中體現。因此，本文在傳統DRASTIC模型的水文地質參數評價指標基礎之上，增加了污染物種類、污染物數量、地下水流向與污染源位置關系、污染源周邊水系發達程度、區域地下水用途5項地下水污染負荷危害性評價指標。

1. 2 評價指標分級與評分

地下水固有脆弱性7項評價指標分級與評分值參考傳統的DRASTIC模型的分級與評分方法。地下水污染負荷危害性5項評價指標分級與評分值參考相關文獻[14-18]，各評價指標評分范圍為1～10，其中污染物數量以污染物下滲量來衡量，其具體分級與評分值詳見表1。

1. 3 評價指標權重的確定

確定評價指標權重的方法有專家打分法、層次分析法、主成分分析法和熵權法等[19-21]。本文采用層次分析法建立地下水污染評價指標體系[22]，將相關評價指標按支配關系分成若干層次，對同一層次各評價指標進行兩兩比較， 以獲得各評價指標間的相對重要性，并通過矩陣運算確定各評價指標權重及其總排序[23]。

表1 地下水污染負荷危害性評價指標分級與評分值[14-18]

1.3.1 遞階層次結構模型的建立

根據以上選取的地下水污染風險評價12項指標，建立地下水污染風險評價指標遞階層次結構模型，并對層次結構模型中涉及的因素進行分類，見圖1。該模型包含目標層A、系統層B和指標層C三個層次，分別表示模型需要解決的問題、模型解決問題需要涉及的方面以及模型解決問題所選取的評價指標或措施[24]。

圖1 地下水污染風險評價指標層次結構模型Fig.1 Hierarchical structure model of groundwater pollution risk assessment indexes

根據上述遞階層次結構模型，將系統層B和指標層C同一層次上任意兩因素進行比較并構建判斷矩陣，判斷矩陣元素的相對重要性標度，見表2。

1.3.2 單層次權重的計算及一致性檢驗

根據構造的判斷矩陣，計算對于上一層某因子而言該層次與之有聯系的所有因素的權重。求解判斷矩陣的最大特征值λmax，并通過層次單排序一致性檢驗權重值是否合理。用CI表示一致性指標，其計算公式為

(1)

式中，n為矩陣維度。

(2)

隨機一致性比率CR定義為

(3)

當CR<0.1時，判斷矩陣的一致性較好，計算誤差在允許范圍內；當CR>0.1時，則需重新進行指標間的兩兩比較以獲取新的判斷矩陣。根據上述步驟完成判斷矩陣的構建后，求解判斷矩陣最大特征值及其相應的特征向量，特征向量即為指標權重。

1.3.3 總層次權重的計算及一致性檢驗

層次總排序是利用同一層次中所有層次單排序結果以及上一層次所有元素的權重，計算針對模型總目標而言該層次所有因素權重值的過程。層次總排序的計算過程由最高層開始逐層向最低層進行。當上一層次A和下一層次B中的因素互不相關時，層次B中第i個元素在層次總排序中的權重為

(4)

式中：a為上一層次A中層次總排序權值；b為下一層次B中層次總排序權值。

由高層次向低層次檢驗層次總排序結果的一致性，層次B的總排序隨機一致性比率CR為

(5)

式中：CI為下一層次B中某些因素對上一層次A中某個元素的一致性指標；RI為平均隨機一致性指標。

當CR<0.1，認為層次總排序結果具有一致性，總排序結果滿意。

1. 4 計算地下水污染風險評價綜合指數

基于迭置指數法的基本原理，通過加權求和按下式計算研究區地下水污染風險評價綜合指數：

(6)

式中：m為評價指標個數；xi為評價指標i的評分值;wi為評價指標i的權重；I為地下水污染風險評價綜合指數，取值范圍為1～12。

將地下水污染風險評價綜合指數等間距分為3個等級：I值為1～4屬低風險等級；I值為4～8屬中風險等級；I值為8～12屬高風險等級。

2 實例應用與分析

2. 1 研究區概況

研究區內有一建于1999年的簡易垃圾填埋場，如圖2所示。現垃圾場已服務近18 a，垃圾量近7.72萬m3， 垃圾消納量約為12 t/d， 填埋區面積約為10 000 m2。垃圾填埋場地上部地層主要由雜填土、粉質黏土、砂、礫石等組成，局部為卵石；底部下伏基巖為板巖，灰白色，強風化易破碎。該場地地下水就近補給、就近排泄，主要由大氣降雨和地表徑流補給，通過大氣蒸發、溝谷滲流以及向其下游金陽河排泄。

圖2 研究區概況圖Fig.2 Overview diagram of the study area

2. 2 計算與分析

2.2.1 判斷矩陣的構建

根據建立的層次結構模型，采用1～9標度法對評價指標進行兩兩比較獲得判斷矩陣，詳見表3至表5。

表3 目標層A各影響因素的判斷矩陣

表4 地下水固有脆弱性B1各評價指標的判斷矩陣

表5 地下水污染負荷危害性B2各評價指標的判斷矩陣

2.2.2 單層次權重的計算及一致性檢驗

利用C#語言計算判斷矩陣A、B1、B2的最大特征值λmax和特征向量，特征向量內各值即為各評價指標權重。根據公式(1)、(2)和(3)分別計算一致性指標CI、隨機一致性指標RI和隨機一致性比率CR，其計算結果詳見表6。

表6 層次單排序檢驗結果

由表6可知，CRA、CRB1、CRB2均小于0.1，說明層次單排序一致性可接受。

判斷矩陣A、B1、B2的最大特征向量為

WA=(0.5,0.5)T

WB1=(0.246 3,0.169 5,0.119 8,0.079 2,0.042 2,0.211 3,0.131 7)T

WB2=(0.185 3,0.117 8,0.382 4,0.068 5,0.246 0)T

2.2.3 總層次權重的計算及一致性檢驗

根據公式(4)計算指標層各評價指標總層次權重，其結果見表7。

表7 研究區地下水污染風險評價指標權重表

總排序隨機一致性比率CR=0.014 4<0.1，說明層次總排序一致性在允許誤差范圍內。

2. 3 地下水污染風險評價綜合指數的計算

根據公式(6)，計算研究區地下水污染風險評價綜合指數。結果表明:研究區I值的范圍為1.7～5.1，區內山區I值基本小于4，河流附近及山谷平原地區I值增加，簡易垃圾填埋場周邊I值增至5.1。

2. 4 地下水污染風險空間分布

本文利用ArcGIS空間分析與數據管理功能繪制研究區地下水污染風險評價12項參數評分值空間分布圖，迭置揭示了研究區內地下水污染風險的空間分布特征。研究區地面高程數據來自空間地理云數據庫，分辨率為30 m×30 m，見圖3(a)。在ArcMap 10.5中，通過加載數字高程圖得到研究區地面坡度信息。通過研究區水文地質資料和地下水水位監測資料獲取含水層深度、地下水流向與污染源位置關系、研究區水系分布；通過研究區年平均降雨量和降雨入滲系數等資料估算地下水凈補給量；通過實地調研收集整理研究區污染物種類；研究區含水層巖性和包氣帶巖性來源于區域地質報告和中國地質調查局官方網站；研究區土壤介質類型來源于區域土壤侵蝕圖；研究區含水層水力傳導系數為根據含水層類型估計的經驗值；研究區滲濾液下滲量來源于相關文獻[17,25]；研究區農業化肥和化糞池糞液下滲量、區域地下水用途等來源于對研究區土地利用圖[圖(3b)]和相關房建部門獲取的資料的分析。

研究區數字高程圖為2 189×2 082組成的矩陣數組，為提高賦值效率，本文在評價區上劃分為多個評價參數亞區，再對各亞區添加參數屬性字段并賦值，在存在主要污染源的位置(如垃圾填埋場附近)加密插值點。模型中參數評分插值點空間分布見圖3(c)，共計476個插值點。通過對評價亞區上各點進行插值分析，獲取地下水污染風險各評價指標分值和綜合指數I值的空間分布圖，詳見圖4和圖5。

由圖5可見，簡易垃圾填埋場周圍地下水污染風險評價指數最高達到5.1，明顯比周邊區域增加1～2，屬中風險等級；研究區內山區地下水污染風險評價綜合指數基本小于4，說明地下水受到污染的概率較小；研究區河流附近、山谷和平原地區地下水污染風險評價綜合指數增大，這是由于該區域存在大面積耕地和生產生活區，受到農業化肥、畜禽養殖糞便和化糞池糞液下滲等人為因素的影響。可見，簡易垃圾填埋場周圍相對于研究區其他區域的地下水污染風險更大，表明垃圾填埋場的滲濾液作為一種污染負荷增加了該地區地下水污染的風險。

圖3 研究區數字高程圖(a)、土地利用圖(b)和評分 插值點位圖(c)Fig.3 Digital elevation map (a),land-use map (b) and score interpolation points (c) of the study area

圖4 研究區地下水污染風險評價12項指標分值的空間分布圖Fig.4 Distribution of 12 indexes scores of groundwater pollution risk assessment of the study area

圖5 研究區地下水污染風險評價綜合指數及其 分級空間分布圖Fig.5 Distribution of the comprehensive indexes and the classification of groundwater pollution risk assessment of the study area

3 結論與建議

本文結合地下水固有脆弱性7項評價指標和地下水污染負荷危害性5項評價指標，對傳統DRASTIC模型進行了改進，運用迭置指數法與ArcGIS空間分析技術考察研究區地下水污染風險評價12項評價指標和地下水污染風險評價綜合指數的空間分布情況，全面、直觀地展現和評價了研究區地下水污染風險，有利于分級管理與資源合理安排。通過實例應用結果表明：簡易垃圾填埋場周圍地下水污染風險明顯高于其他區域，作為一種進入地下水的污染負荷，滲濾液會增加該地區地下水污染風險，應引起充分重視。此外，在傳統DRASTIC模型優化方面，今后還需進一步優化評價指標，并涵蓋污染物在包氣帶和含水層中的衰減等問題，增加地下水功能價值評價指標，以為地下水污染風險提供更加客觀、準確、全面的評價方案。