基于AHP的DRASTIC模型在銀川市潛水防污性能評(píng)價(jià)中的應(yīng)用

劉乃靜， 趙銀鑫， 吳文忠， 張曉東， 王改平， 張 勇， 田碩豐

(寧夏回族自治區(qū)地質(zhì)調(diào)查院, 寧夏 銀川 750001)

地下水資源作為銀川市城市生活和工業(yè)用水主要來(lái)源[1]，自20世紀(jì)80年代以來(lái)，需求量不斷擴(kuò)大。由于不合理的機(jī)井布局，水井的布設(shè)密度、開(kāi)采深度及開(kāi)采層位等沒(méi)有得到統(tǒng)一的規(guī)劃管理，集中開(kāi)采承壓水已造成當(dāng)?shù)氐叵滤德渎┒钒霃街鹉陻U(kuò)張、淺層地下水污染、污染的潛水越流補(bǔ)給承壓水等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的出現(xiàn)[2]，銀川市的飲用水安全受到威脅。因此，有必要查明地下水在自然或人類活動(dòng)的影響下引起污染的難易程度，即定量分析研究銀川市地下水的防污性能。

目前，國(guó)內(nèi)外在防污性能研究的過(guò)程中所采用的評(píng)價(jià)法有模糊數(shù)學(xué)法[3]、GOD模型法[4]、SIGA模型法[5]、LSD模型法等[6]，運(yùn)用最為廣泛的方法是DRASTIC模型法[7-9]。中國(guó)最早于1996年與歐盟合作引入該模型，對(duì)大連和廣州的地下水進(jìn)行了地下水資源及其污染勢(shì)評(píng)價(jià)[10-11]，之后經(jīng)歷了模型的改進(jìn)[12-18]、結(jié)合GIS[19-23]、AHP[24-27]等技術(shù)手段的改良，成為目前在全國(guó)范圍內(nèi)使用最廣泛、成熟的一種評(píng)價(jià)地下水防污性能的方法。任小榮[28-29]等在2007年對(duì)銀川平原的脆弱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，崔秀凌等[30]在2013年利用經(jīng)驗(yàn)法評(píng)價(jià)了銀川平原中部地下水防污性能，上述研究存在研究年代早、評(píng)價(jià)尺度大、主觀性強(qiáng)等問(wèn)題，本研究基于AHP法和GIS平臺(tái)，在銀川市繞城范圍內(nèi)進(jìn)行精細(xì)化的地下水防污性能評(píng)價(jià)，以期為銀川市的地下水資源防治、保護(hù)及規(guī)劃利用等工作提供最新的科學(xué)依據(jù)。

本文的研究方法層次分析法(analytic hierarchy process，簡(jiǎn)稱AHP)是一種可將定性與定量分析結(jié)合起來(lái)[31]的系統(tǒng)分析法，常用于地下水防污性能評(píng)價(jià)的因子權(quán)重確定[25-27]。通過(guò)對(duì)影響因子的兩兩對(duì)比，采用給出的1—9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣，利用歸一化確定各層次各因素之間的權(quán)重，判斷矩陣的結(jié)果可通過(guò)隨機(jī)一致性比率(consistency ratio，CR)來(lái)衡量，它是判斷矩陣的一致性與平均隨機(jī)一致性的綜合指標(biāo)，其計(jì)算公式為[32]

(1)

(2)

式中：λmax為最大特征值; CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率;N為判斷矩陣的階數(shù); CI為判斷矩陣一致性指標(biāo); RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR<0.10時(shí),則認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性。

DRASTIC模型是一種用來(lái)評(píng)價(jià)區(qū)域地下水的污染潛力的水質(zhì)模型，最早是由美國(guó)的水井協(xié)會(huì)(NWWA)和美國(guó)環(huán)境保護(hù)局(USEAP)于1987年共同開(kāi)發(fā)成型[33]，成功應(yīng)用于當(dāng)?shù)乜h區(qū)尺度范圍內(nèi)的地下水易污性評(píng)價(jià)，該模型先后被加拿大、南非、歐盟、中國(guó)等國(guó)家廣泛推廣使用[5]。模型一般選取地下水埋深(D)、地下水凈補(bǔ)給量(R)、含水層介質(zhì)(A)、土壤類型(S)、地形坡度(T)、包氣帶影響(I)和水力傳導(dǎo)系數(shù)(C)等7個(gè)對(duì)潛水含水層的防污性有不同程度影響的評(píng)價(jià)因子。基于AHP獲取各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重與其分級(jí)評(píng)分加權(quán)和構(gòu)建地下水防污性綜合指數(shù)DI。計(jì)算公式：

DI=DWDR+RWRR+AWAR+

SWSR+IWIR+CWCR

(3)

式中：下標(biāo)為W的變量表示各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重,下標(biāo)為R的變量表示單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子的分級(jí)評(píng)分值,范圍為1～10。DI值越高,地下水防污性能相對(duì)越差,即地下水越易遭受污染;反之則地下水防污性能相對(duì)越好,地下水越不易遭受污染。

1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)

1.1 自然地理

銀川市位于中國(guó)西北部銀川平原腹地，因西倚賀蘭山、東臨黃河，本次區(qū)內(nèi)地貌單元有洪積扇、沖湖積平原(黃河二級(jí)階地)以及洪積扇與沖積層過(guò)渡帶的風(fēng)積類地貌。屬中溫帶干旱區(qū)，多年平均降水量196.0 mm，多年平均蒸發(fā)量1 558.7 mm。

1.2 水文地質(zhì)條件

區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件明顯受地貌、巖性結(jié)構(gòu)的控制，呈現(xiàn)出砂性土與黏性土互層的多層結(jié)構(gòu)，在勘探深度370 m以淺一般有4個(gè)含水層：潛水(Ⅰ)、第一承壓水(Ⅱ)、第二承壓水(Ⅲ)、第三承壓水(Ⅳ)，各含水層水力聯(lián)系密切。

銀川市的潛水類型主要為第四系松散巖類孔隙水(表1)。潛水含水層巖性以細(xì)砂、粉細(xì)砂為主，厚30～70 m，自南向北逐漸變薄，中部向東、西部變薄；水位埋深1～8 m；單井涌水量一般大于1 000 m3/d，水化學(xué)類型多為HCO3·Cl-Mg·Ca型，HCO3·SO4-Mg·Na·Ca型，Cl·SO4-Na·Ca型，水溶解性總固體282～3 581 mg/L，水質(zhì)一般，個(gè)別區(qū)域受工業(yè)活動(dòng)污染。補(bǔ)給來(lái)源以引黃渠系滲漏補(bǔ)給、灌溉入滲補(bǔ)給為主(80%)，降雨入滲補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給各占總補(bǔ)給量10%左右，總體徑流方向自西南向東北沿黃河流向匯入黃河，排泄方式以蒸發(fā)排泄為主(52%)[34]。

表1 銀川市潛水類型及特征

1.3 數(shù)據(jù)來(lái)源

本次研究使用的各評(píng)價(jià)因子數(shù)據(jù)大都來(lái)源于2018年《銀川都市圈城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目》的實(shí)測(cè)與調(diào)查結(jié)果，地下水水位埋深、土壤類型、包氣帶巖性、滲透系數(shù)、含水層單孔涌水量均源于2018年項(xiàng)目組成員調(diào)查的200口(0～5 m深土石井)淺井、50個(gè)雙環(huán)滲水試驗(yàn)及53個(gè)水文鉆孔試驗(yàn)結(jié)果，大氣降雨量利用銀川、賀蘭降雨站2018年數(shù)據(jù)，降雨入滲系數(shù)采用《銀川平原地下水資源合理配置調(diào)查評(píng)價(jià)報(bào)告》[35]中的數(shù)值，土地利用類型數(shù)據(jù)為研究區(qū)2017年土地利用圖。

2 DRASTIC評(píng)價(jià)模型的建立

本文根據(jù)銀川市的實(shí)際情況，將中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局2008年發(fā)布的《地下水污染地質(zhì)調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)范》(DD2008-01)中推廣的DRASTIC模型進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，建立銀川市淺層地下水防污性能評(píng)價(jià)DRASTIC指標(biāo)體系，并借助GIS技術(shù)將有關(guān)參數(shù)進(jìn)行綜合。

2.1 評(píng)價(jià)因子

根據(jù)銀川市的地質(zhì)背景、水文地質(zhì)條件及數(shù)據(jù)獲取的程度，科學(xué)合理的選取評(píng)價(jià)因子。銀川市位于平原區(qū)，地形平坦，地面坡度小于等于2°，地形坡度在本次評(píng)價(jià)中不作考慮；區(qū)內(nèi)潛水水位普遍較淺，調(diào)查過(guò)程中近一半的淺井水位埋深小于2 m，表明銀川市的的潛水水面距離地表較近，易受污染；銀川市的地下水補(bǔ)給來(lái)源除大氣降水外，主要受大面積的農(nóng)業(yè)灌溉產(chǎn)生的灌溉水補(bǔ)給，不同的土地利用類型對(duì)應(yīng)的補(bǔ)給量差異明顯；受地質(zhì)、地貌及巖性結(jié)構(gòu)的控制，銀川市含水層的富水性具有明顯的自西南向東北漸變特征；銀川平原既有洪積物堆積，也有河流、湖沼相的交替沉積，造成區(qū)內(nèi)土壤類型較多，包氣帶結(jié)構(gòu)多樣，含水層在空間上錯(cuò)綜復(fù)雜等特征。因此，本文選定地下水埋深(D)、凈補(bǔ)給量(R)、含水層富水性(A)、土壤類型(S)、包氣帶巖性(I)和滲透系數(shù)(C)等6個(gè)評(píng)價(jià)因子反映地質(zhì)背景及人類活動(dòng)對(duì)污染的影響。

2.2 基于AHP的因子權(quán)重

本次基于AHP的因子權(quán)重確定步驟：根據(jù)研究區(qū)的具體情況，在“1—9”的比較標(biāo)度法的基礎(chǔ)上兩兩對(duì)比評(píng)價(jià)因子的重要程度來(lái)創(chuàng)建6階判斷矩陣(表2)；利用歸一化確定權(quán)重，計(jì)算判斷矩陣的特征值，算出對(duì)應(yīng)的特征向量，進(jìn)而求得各評(píng)價(jià)因子的權(quán)重；對(duì)權(quán)重的合理性進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，該判斷矩陣的λmax=6.446 8，CR=0.070 9<0.10，故判斷矩陣一致性檢驗(yàn)合格，所得權(quán)重值合理可靠[32]。

表2 判斷矩陣、AHP確定的因子權(quán)重

2.3 因子的分級(jí)評(píng)分

本次DRASTIC模型中評(píng)價(jià)因子的評(píng)分值范圍為1～10，評(píng)分越高說(shuō)明防污性能越差，按照該要求確定各因子分級(jí)評(píng)分及其分區(qū)(表3，圖1)。

表3 銀川市潛水防污性能各評(píng)價(jià)因子的分級(jí)及評(píng)分值

圖1 銀川市潛水防污性能單因子分區(qū)特征

2.4 地下水防污性能綜合指數(shù)分級(jí)

將以上各評(píng)價(jià)因子權(quán)重及評(píng)分代入公式(3)可定量得出銀川市各區(qū)域的地下水綜合防污指數(shù)(DI)。防污性能是一個(gè)相對(duì)的概念[12]，本次用自然間斷點(diǎn)分級(jí)法(Jenks)將防污性能計(jì)算結(jié)果分為5級(jí)來(lái)表示含水層防污性的相對(duì)高低(見(jiàn)表4)。

表4 銀川市潛水防污性能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié)果與分析

3.1 評(píng)價(jià)結(jié)果

在掌握了各個(gè)評(píng)價(jià)因子的空間分布情況后，利用ArcGIS的空間分析功能將各單因子圖的矢量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為柵格數(shù)據(jù)，再利用空間分析功能中的地圖代數(shù)—柵格計(jì)算器疊加出DRASTIC模型的銀川市地下水防污性能分區(qū)結(jié)果(見(jiàn)圖2)。

結(jié)合本次研究的成果(圖2，表5)，可以得出銀川市地下水防污性能表現(xiàn)為中等—弱等。

表5 銀川市地下水防污性等級(jí)面積統(tǒng)計(jì)結(jié)果

圖2 銀川市地下水防污性能分區(qū)

(1) 防污性能強(qiáng)—較強(qiáng)區(qū)域主要位于研究區(qū)中部的金鳳區(qū)及東北部的興慶區(qū)、賀蘭縣，所占面積為108.70 km2，占總面積的27.28%，污染物較難進(jìn)入含水層，綜合各影響因素為不易受到污染區(qū)。

(2) 地下水防污性能弱—較弱地區(qū)分布廣泛，防污性較弱區(qū)面積為73.96 km2，約占總面積的18.56%，防污性弱區(qū)域面積為133.38 km2，占總面積的33.47%，污染物較易進(jìn)入含水層，綜合各影響因素為較易受到污染區(qū)。

(3) 防污性能中等的地區(qū)在研究區(qū)內(nèi)的金鳳區(qū)與興慶區(qū)均有分布，所占面積為82.42 km2，占總面積的20.68%，整體對(duì)外界污染物的敏感性一般。

3.2 防污性評(píng)分可靠性分析

注：圖3a中細(xì)實(shí)線旁數(shù)值為硝酸根濃度值(mg/L)。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果與分析

結(jié)合區(qū)內(nèi)地下水類型特征(表1)及《銀川都市圈城市地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目》自西向東方向的水文地質(zhì)剖面成果可以發(fā)現(xiàn)：防污性能弱區(qū)的地下水在西部洪積扇前緣的洪積層含水層中，如Yg32孔的水位埋深2.04 m，含水層巖性以細(xì)砂為主，個(gè)別區(qū)域含礫石，含水層介質(zhì)顆粒大、分選好，細(xì)砂孔隙度(n)為38.33%，具有孔隙大、透水性強(qiáng)等特征，可以儲(chǔ)存相對(duì)較大量的地下水體；該區(qū)域地貌類型以洪積扇和風(fēng)積地貌為主，主要特征是地下水水位埋深淺，土壤類型以砂壤土為主，包氣帶巖性為砂土，滲透系數(shù)在風(fēng)積地貌處明顯較大，說(shuō)明此區(qū)域地表污染物容易進(jìn)入地下水，對(duì)外界污染物的敏感度高，進(jìn)入水體后更容易遷移擴(kuò)散，污染面易增大。防污性強(qiáng)區(qū)位于金鳳區(qū)閱海湖附近，擁有較厚層的湖積相沉積層，如Yg28孔的水位埋深4.70 m，土壤類型以黏壤土為主，包氣帶巖性以黏土為主，是良好的地下水保護(hù)屏障，阻隔地表污染物進(jìn)入地下水中。對(duì)于銀川市不同地區(qū)地下水防污性能的差異性，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，在最大程度上防止地下水發(fā)生污染。

對(duì)比銀川市土地利用類型(圖4)，可以看出人類活動(dòng)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤姆牢坌杂绊懼饕憩F(xiàn)為西、南部的農(nóng)業(yè)活動(dòng)，受農(nóng)業(yè)灌溉的影響，一定程度降低了該區(qū)域地下水防污性能。而研究區(qū)內(nèi)金鳳區(qū)北部閱海湖附近為防污性強(qiáng)—較強(qiáng)區(qū)，該區(qū)域土地利用類型以水體湖泊、水田為主，這說(shuō)明在多年地質(zhì)沉積作用的影響下，湖積相沉積是潛水的良好保護(hù)屏障，建議相關(guān)政府部門(mén)在規(guī)劃今后的城市擴(kuò)建區(qū)及工礦居民地時(shí)優(yōu)先考慮此區(qū)域。

圖4 銀川市土地利用類型

4 結(jié)論與討論

本文在調(diào)查清楚研究區(qū)的水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，建立了適合銀川市的基于AHP的地下水防污性能DRASTIC評(píng)價(jià)模型。

(1) 研究區(qū)內(nèi)的地下水防污性能總體表現(xiàn)為中等—弱，其中，地下水防污性能強(qiáng)—較強(qiáng)區(qū)面積108.70 km2，占總面積的27.28%，污染物較難進(jìn)入含水層；地下水防污性能弱—較弱區(qū)面積207.34 km2，占總面積的52.03%，污染物較易進(jìn)入含水層；地下水防污性能中等區(qū)面積82.42 km2，占總面積的20.68%，整體對(duì)外界污染物的敏感性一般。

(3) 研究區(qū)防污性能弱區(qū)地下水在洪積扇前緣的洪積層含水層中，具有孔隙大、透水性強(qiáng)等特征，可儲(chǔ)存較大量的地下水體；地貌類型決定了該區(qū)水位埋深淺、滲透系數(shù)大、包氣帶巖性和土壤類型都以砂性土為主等特征，地表污染物易進(jìn)入地下水中。防污性強(qiáng)區(qū)位于閱海湖附近，擁有較厚層的湖積相沉積層，包氣帶巖性和土壤類型都以黏性土為主，阻隔地表污染物進(jìn)入地下水中。對(duì)于不同地區(qū)地下水防污性的差異性，應(yīng)采取相應(yīng)的防治措施。結(jié)合區(qū)內(nèi)土地利用類型現(xiàn)狀，建議相關(guān)政府部門(mén)在規(guī)劃今后的城市擴(kuò)建區(qū)及工礦居民地時(shí)優(yōu)先考慮金鳳區(qū)北部閱海湖區(qū)域。

本文在選取評(píng)價(jià)因子時(shí)雖考慮到人為影響因素，但只限于農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響，未考慮在城市擴(kuò)張過(guò)程中城市建設(shè)用地對(duì)地面入滲和污染物污染地下水的影響，盡管銀川市區(qū)內(nèi)工業(yè)活動(dòng)較少，但對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果還是有一定的影響。此外，地下水防污性能評(píng)價(jià)的結(jié)果具有一定時(shí)效性，鑒于地下水資源需要長(zhǎng)期的監(jiān)管和保護(hù)，一段時(shí)間之后還需進(jìn)一步更新研究。