地下水脆弱性評價方法與研究進展

張昕，蔣曉東，張龍

（1.中國地質大學水資源與環境工程北京市重點實驗室，北京100083；2.天津地質調查研究院，天津300191；3.遼寧地質工程職業學院，遼寧丹東118008）

地下水脆弱性評價方法與研究進展

張昕1，2，蔣曉東2，張龍3

（1.中國地質大學水資源與環境工程北京市重點實驗室，北京100083；2.天津地質調查研究院，天津300191；3.遼寧地質工程職業學院，遼寧丹東118008）

地下水脆弱性評價是合理開發利用和保護地下水的基礎，是環境規劃部門的決策依據之一.從地下水脆弱性的概念出發，介紹了國內外地下水脆弱性評價方法、研究進展，并針對國內外地下水脆弱性研究現狀，提出了看法.

地下水脆弱性；評價方法；研究進展

地下水是國民經濟、人民生活和生態環境不可缺少的寶貴資源，一旦遭到破壞，特別是水質的惡化，對其治理和恢復的難度與代價都是極其巨大的，甚至在短時間內幾乎是不可能的.因此，如何保護地下水資源免受污染或盡可能地少受污染十分重要［1］.目前中國地質調查局組織實施的“全國主要城市環境地質問題調查評價和全國地下水污染調查評價”項目，將地下水防污性能評價列為工作內容之一，這其中就涵蓋了對地下水脆弱性評價方面的內容.

筆者從地下水脆弱性概念、評價方法以及研究進展進行梳理，并提出自己的看法.

1 地下水脆弱性的概念

1968年，法國人Margat［2］首次提出含水層脆弱性（groundwater vulnerability）概念以來，隨著研究的不斷深入，其內涵不斷豐富.美國國家研究理事會定義地下水脆弱性是：污染物自頂部含水層以上某一位置到達地下水系統中某一特定位置的趨勢和可能性［3］.比較公認的是美國環保署和國際水文地質學家協會的定義：“地下水脆弱性是地下水系統對人類和（或）自然的敏感性”.截至目前，地下水脆弱性概念仍在逐漸發展和完善之中.地下水脆弱性分為固有脆弱性（intrinsic vulnerability）和特殊脆弱性（specific vulnerability），固有脆弱性是靜態、不可變和人為不可控制的；特殊脆弱性是動態、可變和人為可控制的.

2 地下水脆弱性評價方法

地下水脆弱性評價方法多樣，早期國外以迭置指數法應用最多.隨著對脆弱性評價研究的深入，陸續出現了模糊數學綜合評價法和過程數值模擬法.將計算機技術引入脆弱性評價，形成了基于地理信息系統（GIS）技術的評價方法.還有學者采用多方法綜合評價的方式進行地下水脆弱性評價.

迭置指數法的特點是通過對定義的諸多因子進行分級評分賦值來區分地下水脆弱性的高低.其評價模型很多，如：DRASTIC［4］、Legrand、GOD、SIGA［5］、PI、VULK、歐洲（COP）法、局部歐洲（LEA）法［6］等不一而足.過程模擬法是在對水分和污染質運移過程分析和模型模擬的基礎上，通過構建脆弱性評價數學公式，將各評價因子定量化后求解得出一個可評價脆弱性的綜合指數.模糊數學綜合評價法主要用于確定因子評分體系和評價因子權值，經過單因子模糊評判和模糊綜合評判來劃分地下水的脆弱程度.

目前國外地下水脆弱性評價主要應用上述3種方法，尤以第一種方法為主.本文選擇應用比較多的評價模型方法加以介紹.

（1）DRASTIC方法：1985年由美國環保局（USEPA）提出，其命名由所選7個因子的英文首字母組成.分別為：含水層埋深（D）、含水層凈補給量（R）、含水層介質類型（A）、土壤介質類型（S）、地形坡度（T）、包氣帶影響（I）和含水層滲透系數（C）.上述7個因子構成了DRASTIC方法的評價因子體系.根據每個因子的變化范圍或其內在屬性建立評分體系r，又根據評分體系中每個因子對地下水脆弱性影響的重要程度給予固定權值w，各因子加權和Vi即是DRASTIC指數［7］：

Vi=DrDw+RrRw+ArAw+SrSw+TrTw+IrIw+CrCw

用Vi這一指數反映地下水脆弱性.脆弱性指數越大，越容易遭受污染.針對固有脆弱性和農藥污染，分別制定不同的權重系數（見表1）.

表1 DRASIC指標體系法中各評價參數Table1 Evaluation parameters in DRASIC method

（2）PI方法：是一種資源保護評價方法，選取的評價因子有保護層（P）和滲透條件（I）.P因子描述的是地表水到地下水水面以上的保護層的防污能力，保護層包括土壤、下層土、非巖溶地層和不飽和的巖溶地層.保護層的防污性能與降水入滲補給量、表土層的有效田間持水量、土層的性質與厚度、巖層的性質與厚度、含水層是否承壓等因素有關.其防污能力用PTS表示，具體用下式計算：

式中：T—表層土的有效田間持水能力；

Si—第i層下層土類型評分值；

Mi—第i層下層土厚度；

Bj—第j層巖層巖性評分值L和其裂隙評分值F的乘積，即Bj=L·F；

Mj—第j層巖層厚度；

R—降水入滲補給的評分值；

A—含水層是否承壓的參數，如果是承壓含水層，A取值為1500，如果是非承壓含水層，A取值為0.

根據計算結果將保護層因子分別賦值1～5，取值越低，防污能力越低.

滲透條件（I）是衡量保護層匯流程度的參數，反映滲透條件的好壞.主要考慮滲透類型、地表植被、地形坡度、落水洞、地下暗河等巖溶的發育等因素.評分范圍為0～1，評分越低，表示滲透條件越好，污染物越易進入地下水中.

最終評價結果根據公式PI=PTS·I確定，PI取值范圍為0～5.防污性能指數Di值越低，防污性能越差，含水層越容易遭到污染.

由于篇幅所限，將部分方法及適用范圍一并匯總列于表2.

表2 部分評價方法及適用條件匯總表Table2 Some evaluation methods and their applicable conditions

V.Francani與M.Civita于1988年應用水文地質背景值法研究了描述地下水脆弱性的技術方法［8］.2000年，R.C.Gogu［9］用迭置指數法進行脆弱性評價，并重點介紹了其中的GOD、DRASTIC、SEEPAGE、SINTACS方法和評價巖溶區的EPIK方法.2001年D.Daly［10］等人針對巖溶含水層，系統地闡述了歐洲方法的概念和脆弱性圖.Pedro Martínez-Santos［11］于2008年在西班牙開展工作時，選用數學建模的方法取得了較好效果.B.Dixon［12］運用基于GIS的建模技術進行了脆弱性評價.

近年來國外多有基于GIS技術的脆弱性評價研究成果出現.Insaf S.Babiker［13］等人在日本岐阜縣進行脆弱性評價時就采用此類方法，對圖件的移動敏感性和單因子敏感性進行分析，最終得出了適合該地區的評價權值分配.X.Wen［14］等人在張掖盆地也進行了類似研究.Dhundi Raj Pathak［15］在加德滿都也進行了敏感度分析.

還有學者采用多方法評價，如德國Christoph Neukum［16］在德國南部做脆弱性評價的過程中，采用GLA、EPIK、DRASTIC、PI方法分別進行了脆弱性評價和編圖，并對4種方法采用標準化分級的方式對脆弱性評價結果進行標準化，取得了良好的效果；Ibe K M［5］用DRASTIC、Legrand、GOD等3種模型，對尼日利亞地下水防污性能進行了評價比較.

3 地下水脆弱性研究進展

國外地下水脆弱性評價始于20世紀60年代中期.20世紀90年代以前地下水脆弱性評價主要側重于地下水固有脆弱性方面.之后由于人類活動造成的污染影響日趨嚴重，引發了一系列的環境地質問題，90年代以后，在對地下水固有脆弱性評價同時，地下水特殊脆弱性評價也逐漸在世界范圍內興起.

美國使用DRASTIC方法，在得克薩斯州、懷俄明州、羅得島、馬薩諸塞州、威斯康星州、內布拉斯加州、特拉華州、南達科他州等地區進行了大區域含水層脆弱性評價；對俄克拉荷馬州的12個主要含水層，也采用了類似的方法進行了含水層脆弱性填圖［17-18］.

針對廣泛存在、難以治理與恢復的區域污染，1995年美國和匈牙利合作，在美國中西部和匈牙利喀爾巴拉阡盆地農業主產區，應用基于GIS改進的DRASTIC法以及農業除草劑一維滲濾過程模型方法（PRZM-2），對農業土地政策的可行性以及使用農業化學品（除草劑和化肥等）的替代方案的潛力進行了評估［19］；1998年美國懷俄明州政府配合聯邦政府開展了地下水對農業殺蟲劑的污染風險評價項目［20］；1999年R.Michael等開展了美國中西部地區的地下水對農業面源污染的區域脆弱性研究［21］；1998年英國的S.Secundas［22］等開展了對地下水污染風險評價與編圖的理論研究和實踐探討；2001年以色列Martin Collin［23］等人對地下水污染風險評價進行理論研究和實踐探討，并將評價成果直接應用于水源保護和土地利用規劃之中；2001年意大利在威尼斯湖流域開展了針對農業面源污染的水資源脆弱性評價時，在GIS環境下，將不同農業化學藥品的影響列入選擇關鍵參數，對地表水和地下水脆弱性進行了評價［24］.

我國地下水脆弱性方面的研究始于20世紀90年代，雖然起步較晚卻發展很快.近幾年在新一輪國土資源調查項目推動下，不僅初步查明了分布于長江三角洲、珠江三角洲、淮河平原、華北平原、東北三江流域等地12個省125個城市地下水污染、地下水資源衰減、特殊土分布、土壤污染等環境地質問題［25］，與之同步的主要城市地下水脆弱性評價也隨即展開并取得了一批成果.2005年以后每年都有比較多的地下水脆弱性評價成果發表.縱觀國內地下水脆弱性評價研究經歷以及取得的成就，認為具備以下特點.

（1）研究對象涉獵了不同自然地理狀況、地質、水文地質條件區域

截至2007年，不僅完成了我國東北部三江流域、華北平原和淮河平原區地下水脆弱性和珠江三角洲、長江三角洲平原區淺層地下水的防污性能評價［26-32］，而且在西北干旱區、關中盆地洪沖積平原和黃土臺垣區、西南巖溶區以及衡陽盆地紅壤丘陵區［33-37］都開展了此項工作.其間還完成部分城市地下水脆弱性評價，例如：石家莊、西安、湛江、滄州、松原、吉林市和江西省主要城市（鷹潭、撫州、萍鄉、景德鎮、贛州、南昌、吉安、上饒、新余、宜春、九江）［38-44］.不僅如此，還評價了山東泰安、青島和江蘇徐州［45-47］供水水源地地下水脆弱性.

（2）地下水特殊脆弱性與固有脆弱性研究同期進行

國內地下水脆弱性評價不存在先研究固有脆弱性、后研究特殊脆弱性的狀況，二者近乎同期開展，并且特殊脆弱性研究受到了更多的關注.

1997年鄭西來［48］在分析西安地區包氣帶、含水層等水文地質資料基礎上，在地下水脆弱性評價時考慮了污染源的影響，開創了國內地下水特殊脆弱性評價的先河.2000年付素蓉［49］在DRASTIC模型基礎上舍棄了地形、土壤類型和含水層的水力傳導系數，增加了污染物及含水層厚度等影響因子.楊曉婷［50］、姜桂華［35］等研究關中盆地地下水脆弱性時，考慮了反映人類活動影響的土地利用因子.之后林學鈺［51］編制松嫩盆地地下水環境脆弱程度圖時，將地下水脆弱程度進行分區，同時把城市地下水污染源的類型和污染程度加以定量表示.

1996年劉淑芬［52］評價了河北平原地下水防污性能.在之后的幾年里，楊慶［53］等研究了大連市潛水含水層的地下水防污性能.浙江大學董亮［54］應用DRASTIC評價了西湖流域地下水污染風險.2003～2004年雷靜［55］、鄭西來［56］分別對唐山平原區、青島大沽河地下水庫地下水進行了脆弱性評價.以上當屬固有脆弱性評價范疇.

（3）評價方法仍處在探索中

國內多以迭置指數法進行地下水脆弱性評價.其中不乏DRASTIC方法應用，如前述完成的江西省主要城市［44］、吉林［43］、石家莊［38］、滄州［57］等城市和云南麗江盆地［58］、江漢平原［31］地下水脆弱性工作即是如此.更多的是在繼承DRASTIC方法研究思路基礎上對其加以改進，這方面的探索很多，焦點主要集中在建立評價體系、確定因子評分和因子權重方面.目前多是借鑒DRASTIC方法研究思路，在對自然地理、地質、水文地質背景等研究對象充分了解，根據資料、數據占有程度建立評價指標體系.例如，2005年評價灤河沖洪積扇地下水脆弱性時，宋峰［59］考慮了咸淡水界面的空間分布，選擇距咸淡水分界線距離作為評價參數；在山東泰安供水水源地、魯西堆積平原地下水脆弱性研究中，王麗紅［45］、朱恒華［30］在DRASTIC方法基礎上舍棄地形因子、選用含水層厚度代替土壤類型建立DRAMIC模型；根據杭嘉湖地區自然地理特征及具體水文地質條件，胡萬鳳［60］則選擇地下水埋深、凈補給量、地形坡度、包氣帶介質、包氣帶介質厚度5項指標作為評價因子；2008年黃冠星［32］針對珠江三角洲河網密集、地下水位埋藏淺、地下水與地表水豐、枯期互為補排等特點，選擇距河距離（L）、地形坡度（G）以及蓋層脆弱性（C）因子，建立用于珠江三角洲地區的DRTALGC模型；劉仁濤［26］根據三江平原地勢平坦和資料的可獲取性，在DRASTIC指標體系基礎上舍棄了地形坡度、滲流區介質類型，增加土地利用率（L）和人口密度（P）.不惟如此，姚文鋒［29］、章程［36］、馬金珠［33］、孫艷偉［34］、鄒勝章、鄒君、孫豐英、李萬剛、嚴明疆、李輝［61-66］等在各自研究中，均以此研究思路提出了有針對性的相應指標體系.

同樣是借助數學手段解決評分體系、因子權重問題，劉仁濤［26］、姜蕊云［67］采用了熵權法；孫才志［27］、孫艷偉［34］、陳南祥、楊維、楊旭東、肖長來、陳浩［68-72］等是基于層次分析（AHP）的模糊綜合評價；在唐山平原區地下水脆弱性評價中，姚文峰［73］選擇Monte-Carlo隨機模擬結合過程模擬模型LEACHM評價包氣帶的脆弱性，運用三維數值模型MODFLOW結合BP神經網絡的方式評價飽和帶地下水脆弱性；賀新春［74］采用DRASTIC模型、基于層次分析（AHP）的模糊綜合評價模型和人工神經網絡模型，對河南省寧陵縣地下水脆弱性進行對比評價.還出現了依據掌握資料對評價結果進行驗證的做法，如章程［36］選用示蹤實驗和微生物測試分析數據驗證了脆弱性評價結果；李輝［66］、姚文峰［29，73］應用實測的地下水硝酸鹽濃度分布狀況對評價結果驗證，認為取得了比較符合實際的評價成果.

4 幾點認識

（1）迭置指數法具有低成本、數據易獲取、結果表達直觀的優點，可以很好地刻劃評價目標脆弱性分區趨勢.實際工作中應注重與模糊數學綜合評價結合，以避免該方法過于依賴主觀認識的問題.

（2）比較而言，過程數值模擬法的精度較高，但是需要有大量數據支撐，因而限制了其發展.在未來的研究中，應尋求建立一套對數據依賴性較低的模型，以提高該類方法的推廣程度.

（3）地下水系統是一個非常復雜的綜合體，帶有明顯的隨機性與模糊性.同一地區采用多種方法給予評價，通過對比來印證評價結果的準確性.這一做法雖然繁瑣，卻有利于獲得更加符合實際的評價結果，值得嘗試.

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Abstract：As the foundation of rational exploitation,utilization and protection of groundwater,the assessment of vulnerability for groundwater is the basis for the decision-making of environmental planning authorities.With the concept of groundwater vulnerability,this paper introduces to the assessment methods and research progress of groundwater vulnerability both in China and worldwide.The domestic study status for the groundwater vulnerability is reviewed.

Key words：groundwater vulnerability;assessment method;research progress

METHODS AND RESEARCH PROGRESS OF GROUNDWATER VULNERABILITY ASSESSMENT

ZHANG Xin1,2,Jiang Xiao-dong2
（1.Beijing Key Laboratory of Water Resources and Environment Engineering,China University of Geosciences,Beijing 100083,China;2.Tianjin Institute of Geological Survey,Tianjin 300191,China）

1671-1947（2010）03-0253-06

P641.2

A

2010－03－01；

2010-04-13.李蘭英編輯.

張昕（1982—），男，中國地質大學（北京）水資源與環境學院碩士研究生，從事地下水環境科學方向的研究，通信地址天津市南開區迎水道20號天津市地質調查研究院，郵政編碼300191，E-mail//baalzxlm@163.com