基于GIS與DRASTIC模型的白銀市平川區地下水脆弱性評價

[摘要]以平川區地下水為研究對象，在地下水環境調查評估的基礎上，選取對影響研究區地下水脆弱性最主要的7個指標，建立DRASTIC地下水脆弱性評價模型，利用GIS技術分別對各指標進行分析，繪制各項指標分級圖，在此基礎上通過疊加分析得到評價結果，并進行分級分區。結果表明，研究區地下水脆弱性整體較低，低脆弱區和較低脆弱區主要分布在東北部和南部基巖山區一帶，中等脆弱區主要分布在北部的黃河沿岸和中部黃橋鎮附近，較高脆弱區和高脆弱區分布在南北兩側的溝谷地帶。為研究區地下水基礎環境狀況評估和地下水保護提供了科學依據。

[關鍵詞]地下水脆弱性；白銀市平川區；GIS技術；DRASTIC模型

1.研究區概況

白銀市平川區位于甘肅省中部靠北側，東與寧夏回族自治區接壤，南、北與靖遠縣相連，東南與會寧縣相接，西與景泰縣為鄰，地理坐標介于東經104°24’～105°51’，北緯36°18’～37°00’，轄區面積2126km2。研究區屬溫帶大陸性半干旱氣候區，具有氣溫年差較大、季節變化顯著、降水稀少且分配不均、干燥多風等氣候特征。據平川站氣象資料統計，多年平均氣溫8.2℃。多年平均降雨量250mm，最大年降雨量385.8mm，最小年降雨量104.1mm。多年平均蒸發量1700mm，是降雨量的6.8倍。降雨年內分布不均，降水多集中于7～9月，其降水量約占全年降水量的61.4%。

研究區屬黃河流域上游的黃河干流水系。區內主要河（溝）谷有水泉溝、石牌子溝等，均屬黃河一級支流。黃河自區內西北水泉鎮南部入境，于西部水泉鎮野麻灘出境，黃河在境內流程32km，流域面積7.88km2。區內季節性溝谷較發育，其中水泉溝、石碑子溝、紅溝為黃河的較大支溝，同時區內沙河分布較多，其均為季節性流水溝谷，水源主要來自降水、溝谷泉水。

2.區域水文地質條件

根據地下水賦存條件和含水巖組性質，研究區地下水類型可劃分為基巖裂隙水、碎屑巖類孔隙裂隙水和松散巖類孔隙水三類。

2.1基巖裂隙水

主要分布在西北部和中部的水泉尖山、黃家洼山、崛吳山等地區，由花崗巖、變質砂巖、砂礫巖等構成的基巖山體，地下水主要賦存于基巖風化裂隙和半風化的構造裂隙中，局部地段有斷層脈狀水。基巖裂隙水受控于構造節理作用，主要接受大氣降水補給，沿基巖的網狀裂隙通道運動，最終以泉或以潛流的形式向溝谷或地勢低洼處排泄。崛吳山海拔較高，發育有灌木叢，降雨較豐富，泉水較發育，水質較好。

2.2碎屑巖類孔隙裂隙水

地下水賦存于白堊系及新近系砂巖、砂礫巖與泥巖巖層間裂隙、裂隙孔隙及孔隙中，主要接受大氣降水、溝谷雨洪及上覆第四系松散巖類孔隙水的入滲補給，地下水一般埋藏深度大，富水性弱，水質較差。寶積山一帶白堊系的砂巖、頁巖，含水層厚55～80m，富水性不均勻，溶解性總固體3～6g/L，新近系地層為不均勻含水，裂隙發育地段含水量微弱，其他地段基本不含水，溶解性總固體一般5～10g/L。中侏羅統新河組為侏羅系的主要含水巖組，位于紅會礦區煤層頂板含水層之上，抽水試驗表明，含水層富水性弱，單位涌水量0.000565L/s·m。新河組底部砂礫巖含水層為礦區主要的充水含水層，厚度約30m，含水層富水性弱，單位涌水量為0.00535L/s·m。

2.3松散巖類孔隙水

根據地質地貌條件和儲存空間的不同分為黃土潛水、盆地潛水和河（溝）谷潛水。

黃土潛水主要分布于研究區東南部黃橋～復興鄉黃土丘陵區地帶，含水層多不連續，下伏新近系泥巖構成含水層底板。地下水主要接受大氣降水、雨洪垂直滲漏補給，徑流途徑短，流速緩慢，在支溝溝腦沿基巖面以泉的形式排泄，溶解性總固體介于0.9～69g/L之間，單井出水量一般為0.12～0.6m3/d。

盆地潛水主要分布于水泉盆地、旱平川盆地、北灘盆地，即水泉尖山、黃家洼山和崛吳山山前洪積傾斜平原，地下水主要賦存于山前沖洪積碎石、砂礫石及砂層中。水泉盆地含水層分布不均，富水性差異大，其盆地中心部富水性最強，東西兩側富水性減弱，主要接受北西部沙流水溝、小紅溝等溝谷的地下潛流補給，其次為地表雨洪的入滲，該盆地水質差異較大，溶解性總固體由西向東逐漸增高，即一般1～2g/L，人工開采和沙溝側向流出為主要排泄方式。

河（溝）谷潛水主要分布于研究區西北部的黃河漫灘、階地和較大溝谷中，地下水賦存于沖洪積碎石、砂礫卵石層中，河漫灘和Ⅰ級階地潛水水量豐富，水質較好，主要接受降水、河水入滲和側向徑流補給，含水層厚度一般7～12m，單井出水量可達2500m3/d，溶解性總固體在0.3～1.2g/L。

3.地下水脆弱性評價方法

地下水脆弱性評價主要采用疊置指數法[1]，基本原理為通過對選取的評價參數的分指數進行疊加形成一個反映脆弱程度的綜合指數，包括指標、權重、值域和分級。國外地下水脆弱性的研究開展較早[2-3]，DRASTIC模型在地下水脆弱性評價中應用最為廣泛，由美國環保署于1987年提出[4-5]，后在美國、加拿大、南非及歐共體廣泛應用在地下水脆弱性研究中。

根據研究區水文地質條件，地下水脆弱性評價采用DRASTIC模型，評價模型由地下水位埋深（D）、垂向凈補給量（R）、含水層厚度（A）、土壤介質（S）、地形坡度（T）、包氣帶介質類型（I）和含水層滲透系數（C）等7個水文地質參數組成[6-12]。模型中每個指標都分成幾個區段，每個區段賦予評分。然后根據每個指標對脆弱性影響大小計算相應權重，最后通過加權求和，得到地下水脆弱性指數（DI）。

DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TATR+IWIR+CWCR

式中：DI—地下水脆弱性指數；

DW、DR—地下水位埋深權重、地下水位埋深評分；

RW、RR—垂向凈補給量權重、垂向凈補給量評分；

AW、AR—含水層厚度權重、含水層厚度評分；

SW、SR—土壤介質權重、土壤介質評分；

TW、TR—地形坡度權重、地形坡度評分；

IW、IR—包氣帶介質類型權重、包氣帶介質類型評分；

CW、CR—含水層滲透系數權重、含水層滲透系數評分。

地下水脆弱性評估指標的數據來源、說明及推薦權重見表1，指標等級劃分和賦值見表2。

地下水脆弱性綜合指數取值范圍為23～230，綜合指數值與脆弱性評價結果級別的對應關系見表3，綜合指數值越高，地下水脆弱性越高，反之脆弱性越低。

各參數的分級分析在GIS平臺上進行，根據收集到的不同的數據參數，在ArcGIS中生成可用于分析的數據格式進行分類分析[13-15]。最后，按照地下水脆弱性分級標準（表3），繪制出研究區地下水脆弱性評價分級結果。

4.地下水脆弱性評價

4.1地下水位埋深（（DD））

松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水是研究區最主要的地下水類型，其主要用途為農業灌溉。松散巖類孔隙水主要分布在平川區西北和東南的河谷地帶，由河岸至內陸水位埋深逐漸變深，河岸附近地下水埋深小于2m，順溝谷內部逐漸變深，直至大于30m。裂隙水分布于平川的大部分地區，水位埋深約30～120m。碎屑巖類孔隙裂隙水分布于寶積、共和等地。地下水一般埋藏深度大，富水性弱，水質較差，水位埋深一般大于40m（圖1）。

4.2垂向凈補給量（（RR））

研究區內降水由西北向東南呈遞增趨勢，年均降雨量在水泉西部的中低山區小于300mm；在黃嶠、種田、復興東部的黃土丘陵區年均降雨量大于350mm；中部的寶積、共和及其他地區年均降雨量300～350mm。本次采用降水量乘以降水入滲系數求得垂向凈補給量。通過收集區內降雨分布數據，結合降雨入滲分布圖，利用ArcGIS作圖，得到凈補給量評分圖（圖2）。

4.3含水層厚度（（AA））

研究區含水層厚度普遍較薄，在部分地區出現分帶的特征：在西北部黃河沿岸，含水層厚由厚逐漸變淺，最厚處可達30～35m，至河谷內陸地區含水層最薄，最薄處含水層厚小于10m。在水泉鎮、寶積鎮等地含水層為白堊系砂巖，共和鎮和黃嶠鎮附近，含水層也以白堊系砂巖、砂礫巖為主，該地區含水層厚度約40～100m，由西至東、由南至北逐漸變薄。研究區含水層厚度評分見圖3。

4.4土壤介質（（SS））

研究區境內土壤介質類型受氣候和土壤母質的影響因素較強。由于該地降水稀少，流水的搬運作用不明顯，母巖被風化剝蝕后，風化物往往停留在原地，最終沉積形成風化層。平川區北部地層巖性主要為層狀、中厚層狀較堅硬-較軟弱灰巖、砂巖、砂礫巖夾頁巖等，不易形成較厚的風化層。南部大部分地區其地層巖性為黃土單層土體，土壤介質為粉質壤土，中部地區以沖洪積中粗砂、砂礫石為主（圖4）。

4.5地形坡度（（TT））

研究區地處祁連山余脈、騰格里沙漠向黃土高原過渡地帶，境內地形起伏較大，主要由黃土丘陵、中低山、山前平原及河谷平原相間組成。區域內總體地勢由東南向西北傾斜，海拔1347～2858m，平均海拔2100m，相對高差一般100～400m，最大為1511m，最高峰為東南部的崛吳山南溝大頂，海拔2858m；最低處位于西部水泉鎮野麻村紅麻灣，海拔1347m。（圖5）。

4.6包氣帶介質類型（（II））

研究區境內包氣帶介質主要包括亞砂土、砂礫石、粗砂、卵礫石。北部黃河溝谷地帶包氣帶介質為卵礫石，黃河沿岸包氣帶介質主要是礫石和粗砂，中部和南部有大片黃土單層土體分布，其包氣帶介質為粉質壤土，黃橋鎮附近地層巖性為礫石、砂和粉質黏土和砂礫石雙層土體，包氣帶介質以砂礫石為主（圖6）。

4.7含水層滲透系數（（CC））

研究區的滲透系數普遍較低，黃河溝谷地帶以及黃橋鎮附近地區的滲透系數最高。黃河沿岸溝谷地區滲透系數可達30～35mm/a，黃橋鎮地區的滲透系數可達40～60mm/a，其余地區的滲透系數普遍在12mm/a以下（圖7）。

5.脆弱性評價結果

經過ArcGIS疊加分析，研究區地下水脆弱性綜合指數分布范圍在54-157之間，對評價結果按照分級標準進行分級（圖8）。

低脆弱區和較低脆弱區主要分布在研究區東北部和南部基巖山區一帶，低脆弱區面積為75.74km2，占調查區總面積的8.15%；較低脆弱區面積為716.15km2，占調查區總面積的77.03%；中等脆弱區主要分布在北部的黃河沿岸和中部黃橋鎮附近，面積為101.09km2，占調查區總面積的10.88%；較高脆弱區和高脆弱區分布在南北兩側的溝谷地帶，面積最小，分別為35.19km2和1.43km2，占調查區總面積的3.79%和0.15%。

6.結論與建議

在系統分析研究區水文地質條件的基礎上，并在研究區地下水環境調查評估的基礎上，建立了DRASTIC地下水脆弱性評價模型，利用GIS技術繪制了各項指標分級圖，在此基礎上通過疊加分析得到評價結果，并進行了分級分區。評價結果表明，研究區地下水脆弱性總體較低，低脆弱區和較低脆弱區主要分布在東北部和南部基巖山區一帶，占研究區總面積的8.15%和77.03%；中等脆弱區主要分布在北部的黃河沿岸和中部黃橋鎮附近，占研究區總面積的10.88%；較高脆弱區和高脆弱區分布在南北兩側的溝谷地帶，占研究區總面積的3.79%和0.15%。

研究區地下水脆弱性總體較低或中等，防污性能好。為地下水環境調查、保護規劃、污染防治提供了依據，合理開發利用地下水資源、土地資源、廢棄物填埋場的選址等工作具有一定的指導意義。根據地下水脆弱性評價結果，建議在人類活動和工業生產集中的地區，防治工業“三廢”和有機污染[16]，加強黃河干流及其主要支流地下水環境監測與評價。

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