水源地地下水固有脆弱性评价方法
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发布时间：2022-04-22 07:01
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时间：2022-06-17 03:23
4.2.1.1 评价指标体系
选取影响地下水固有脆弱性影响因素指标体系的原则是：指标具有代表性、系统性、简洁性、独立性、动态性、科学性、可操作性。
1）代表性：指标充分反映了研究区典型区域特征对地下水污染风险的影响。
2）系统性：地下水污染风险关系到地下水系统的各个方面。在构建评价指标体系时，应该全面系统地考虑地下水污染风险的各种影响因素，尽可能将这些因素的各个方面都纳入到评价指标体系中来，在保证评价指标没有重复意义基础上，保证其评价结果的可靠性。
3）独立性：系统的状态可以用多个指标来描述，但这些指标之间往往存在信息交叉，在构建指标体系过程中，应该在诸多交叉信息中，通过科学的剔除，选择具有代表性同时又相互相对独立性较强的指标参与评价过程，提高评价的准确性和科学性。
4）简洁性：影响地下水污染风险的各种潜在因素很多，要建立一个包含所有因素的庞大指标体系在实际应用中是很难实现的。一方面这些因素所包含的指标有一些很难取得，另一方面指标过多，它们之间的关系也错综复杂，并且它们之间还存在着协同和拮抗等作用。这就要求在进行地下水脆弱性评价时，应根据不同地区的情况具体问题具体分析，尽量找出影响地下水污染风险的主要因素，并且选取的指标不宜过多，否则会冲淡主要指标的作用。
5）动态性：不仅要考虑现状条件下影响地下水污染风险的因素，还要考虑地下水环境和地下水系统在自然或人类活动影响下发生变化情况时的影响因素。
6）科学性：指标体系应建立在一定的科学基础之上，体系中各指标概念的内涵和外延应明确，能够从各个侧面全面完整地反映和度量评价对象。
7）可操作性：指标的获取具有现实性，在我国现有统计制度存在或者通过实验和调研能够得到相应的数据资料（如统计年鉴、统计资料、抽样调查、典型调查或相应的内部资料等）。
4.2.1.2 地下水型水源地固有脆弱性评价指标体系
目前评价地下水脆弱性最常用的方法是DRASTIC模型。模型将地下水埋深D、净补给量R、含水层介质A、土壤带介质S、地形T、包气带介质I及水力传导系统C等7个水文地质参数组成评价指标体系。虽然DRASTIC模型可以较客观地评估不同地区的地下水本质脆弱性，但其前提是假设各地区的含水层都分别具有均一趋势。实际上由于各国各地区的地质、水文地质等条件不同，以及模型计算方法的缺陷，DRASTIC法存在一定的局限性，需要对模型进行一定的改进，使其具有更强的适用性，其中针对地表水域发育地区需要考虑河网的密度，而土地利用类型可以表征入渗污染物分布大致类型和状态，需要被引入到评价过程中，改进后的指标体系见表4.1所示。
（1）地下水埋深
地下水埋深即包气带厚度。包气带是污染物从地表进到含水层中的第一道屏障，包括土壤和土壤下方的包气带土层。土壤黏土矿物含量、有机质含量、含水量、土壤类型与分布、包气带介质、厚度、结构及区域分布特征等都是地下水脆弱性的影响因素。包气带厚度决定了污染物进入含水层所必经的路程长短，水位埋深越浅，污染物和包气带介质发生各种物理化学生物作用的机会和时间越少，因此，地下水脆弱性越高。
表4.1 地下水固有水脆弱性评价指标表
（2）垂向净补给量
垂向净补给量指单位面积内从地表垂直渗入地下水位的水量，是评价中最不容易确定的因素，补给水量不仅是污染物运移载体，而且对污染物起到一定的稀释作用。垂向净补给量对地下水脆弱性具有双重影响：当垂向净补给量大时，携带的污染物量多，同时污染物被稀释的可能性增大，所以这两种相反的作用和决定了垂向净补给量对地下水脆弱性的贡献。大部分研究中认为，研究区内的垂向净补给量没有大到可以产生稀释作用，所以一般采用简化的方法表示垂向净补给量对地下水脆弱性的影响，即垂向净补给量越大，污染物进入到地下水中的可能性越高，因此，地下水脆弱性越高。
垂向净补给量通常由降雨量、河流补给量、渠系渗流量、灌溉水和回灌水入渗量等各种补给源减去蒸散发量组成，这些物理量都存在着年内和年际变化，因此，垂向净补给量是随时间变化的物理量，地下水脆弱性也存在着动态变化。垂向净补给量可根据水均衡方程来估计，但结果精度不高。在降雨量占地下水补给量绝对优势的情况下，一般采用降雨补给入渗量代替垂向净补给量，用降雨量乘以降雨入渗系数获得降雨补给入渗量。
（3）地形坡度
地形坡度指地表面的倾斜程度，它可以控制污染物迁移或积累的过程。如果坡度较陡，污染物随降雨、灌溉水等载体而迁移，不易渗入地表以下，因此，地下水脆弱性较低；反之，则较高。
（4）土壤介质类型
土壤介质类型控制着渗透途径和渗流长度，并影响污染物衰减和与介质接触时间。颗粒结构越细，介质越密实，孔隙度越小，渗透性就越差，防护能力越强，地下水脆弱性越低。
（5）包气带介质黏性土层厚度
黏性土层相比于其他介质更容易对污染物进行截滞、转化或积累，降低了对地下水环境污染的可能性。包气带中黏土层对污染物进入地下水起到极大的截污与阻碍作用，黏土层越厚，污染物到达含水层的时间越长，污染物接受稀释、降解的机会就越大，防污性能越好，地下水脆弱性越低。
（6）含水层介质渗透系数
岩石的颗粒越大，或是存在与含水层有密切水力联系的断裂构造（节理和断层），则含水层具有较高的渗透性，地下水脆弱性越高。在松散含水层中，渗透性取决于岩石颗粒类型和细颗粒物质含量；在裂隙或岩溶含水层中，渗透性取决于断层面和层理面的原生空隙和次生空隙的数量。断裂带的性质、产状、宽度、富水性及导水性等是影响地下水脆弱性的主要因素。此外，含水层厚度也决定了含水层对污染物的稀释能力。含水层厚度越大，对污染物的稀释作用越强，地下水脆弱性越低。
（7）土地利用类型
土地利用类型是区分土地利用空间地域组成单元的过程。这种空间地域单元是土地利用的地域组合单位，表现人类对土地利用、改造的方式和成果，反映土地的利用形式和功能。地下水系统对流域土地利用具有强烈的响应。
土地利用类型既可以作为地下水脆弱性的影响因素，也可以作为地下水污染风险的影响因素，但影响意义不同。土地利用类型对地下水污染风险的影响主要体现在不同土地类型对应的污染源特征以及污染物进入地下水的途径不同。例如，耕地的农作物上施用的化肥和农药入渗污染地下水，耕地面积越大，植物耕种的密度越大，则施用的化肥和农药就越多，则地下水污染风险越高；在地表水体与地下水的水力联系密切之处，地表水体的污染容易通过连续入渗方式对地下水污染风险产生影响。土地利用类型作为地下水脆弱性的影响因素，并不将其作为体现污染源种类或负荷的表征，而是作为影响污染物在土壤或包气带中迁移转化规律的体现。不同土地利用类型下的包气带中污染物的垂直入渗、微生物作用及污染物的净化过程会有明显的不同。
（8）河网密度
河网密度为单位面积内河道总长度。水系密布性与DEM的分辨率直接有关，当分辨率较低时，某些小河道就无法表达出来，反之，当分辨率较高，则就能将细小的河道表达出来。在地表水体与地下水有密切水力联系地区，地表水也是地下水的一个重要补给来源。地表水系发达地区的地下水不仅接受地表水体下渗的补给，而且也受到河流侧向相互补排的影响。此外，包气带土层也受到河网切割侵蚀的影响。一般认为，河网稀疏区域的地下水脆弱性低；河网密集区域的地下水脆弱性高。
4.2.1.3 地下水固有脆弱性评价方法
地下水脆弱性的研究程度较高，评价方法较为成熟，目前国内外已有的评价方法主要有迭置指数法、过程模拟法、统计方法、模糊数学方法以及各种方法的综合等，具体信息见表4.2。
表4.2 地下水脆弱性评价的主要方法表
其中，迭置指数法是通过选取的评价参数的分指数进行迭加形成一个反映脆弱性程度的综合指数，包括指标、权重、值域和分级。它又分为水文地质背景参数法（HCS）和参数系统法，后者又包括矩阵系统（MS）、标定系统（RS）和计点系统模型（PCSM）。它是通过对选取指标进行等级划分和赋值以及赋予权重，然后进行加权求和得到一个反映程度的综合指数，并通过对综合指数进行等级划分表征评价对象一种方法。
根据建立的指标体系，对模型中每个指标都分成几个区段，每个区段赋予1～10的评分。然后根据每个指标对脆弱性影响大小赋予相应权重（5，4，3，2，1，5和3），最后通过加权求和下式得到地下水脆弱性指数，记为DI，值越高，地下水脆弱性越高，反之脆弱性越低。
DI＝DRDW+RRRW+ARAW+SRSW+TRTW+IRIW+CRCW（4.1）
式中：下标R——指标值；
W——指标的权重。
其中各个评价指标的分级标准和评分表如下表4.3所示：
表4.3 地下水脆弱性DRASTIC评价指标的分级标准和评分表
国内研究者根据不同地区自然属性特征和污染物特征提出了3～11个不等的指标，采用不同的方法对权重加以优化，然后借助GIS技术或模糊数学方法进行地下水脆弱性分区。
