趙 凱,周小龍,晏 娟
(甘肅省地礦局第一地質礦產勘查院,甘肅 天水 741020)
天水市位于甘肅省東南部,屬資源型缺水和工程型缺水并存的城市[1]。地下水開發利用量較大,而地表水污染加劇,地下水與地表水的水力聯系情況及地下水的脆弱性卻未有詳細的相關明確說明,且地下水的脆弱性一定程度上能輔助評價地下水污染狀況。本文旨在通過DRASTIC模型對天水市城區淺層地下水的脆弱性進行評估,為當地生態環境管理、城市規劃及地下水開采利用等提供參考。
1.1 研究區自然地理
天水市位于甘肅省東南部,是絲綢之路經濟帶和關中平原城市群重要節點城市、隴東南交通樞紐,其主城區位于渭河及支流藉河河谷。本次研究區范圍西起藉河中游秦州區天水郡李家臺子,東至麥積區社棠鎮渭河峽口,南北兩側均以各大支流的入河口和山前二級階地后緣為界,屬于同一個水文地質單元,面積81.125 km2,行政區劃歸天水市秦州區和麥積區管轄。
研究區屬于溫帶半濕潤半干旱氣候過渡帶,四季分明,冬長夏短,多年平均氣溫10.2℃,多年平均降雨量523.2 mm。地貌類型為侵蝕堆積河谷平原,西高東低,高差160 m,坡降3.9‰ 。研究區屬于黃河流域渭河水系,地表水系有渭河及一級支流藉河、牛頭河、東柯河、潁川河及別川河等。
天水土壤在河流和溝谷區為沖擊、洪積物形成的淤淀土、草甸土;黃土主要分布在四級階地以上,以渭河為界,北岸較厚南岸較薄,并向南逐漸消失,于長江流域多以黑壚土為主;耕作土壤經過開墾耕種熟化而形成以黃綿土、黑壚土為主。土層深厚,山塬開闊,是糧、油、菜、果主要生產區[2]。
天水屬華北、華中、蒙新和喜瑪拉雅植物交匯處,樹種成份復雜,森林資源豐富。天水市現有森林總面積589.91萬畝,森林覆蓋率為26.5%。天然林地主要分布在東部、東南部的隴山、西秦嶺和關山林區,有木本植物87科224屬804種,其中喬木312種,灌木437種,藤本55種,常綠植物122種。屬國家一級保護的有水杉;二級保護的有連香樹、星葉草、杜仲、銀杏、大白紅杉、大果青桿、金錢松、小白樹、水青樹;三級保護的有秦嶺冷杉、廟臺槭、穗花杉、華榛、領椿木、胡桃楸、獐子松、青檀等。研究區類植被較為茂密,多為栽培植被,其中以果樹居多,自然生長植被以渭河為界,北稀南密[3]。
1.2 水文地質條件
研究區內地下水賦存于由河床、漫灘、一級階地和沖洪積扇的砂礫卵石組成的統一含水層中,就水力性質而言為淺層潛水,含水層巖性主要為砂礫卵石,麥積區渭河河谷局部砂礫卵石中夾有亞砂土及與薄層淤泥,含水層厚度5～35 m,水位埋深5～20 m,局部達到30 m以上。麥積區花牛鎮—社棠鎮渭河盆地有牛頭河、藉河、潁川河及東柯河的匯入,補給來源充足,有側向溝谷潛流、入川溝谷河水滲漏、降水滲入等補給方式;藉河河谷補給來源主要為各支溝的側向潛流、上游地下徑流及降水入滲補給。區內潛水排泄方式主要為人工開采,特別是生活用水的開采量很大,比如天水市麥積區東部集中式生活飲用水水源地;其次為溢出地表及蒸發。
麥積區渭河盆地潛水補給充足,儲水空間大、匯水條件好,故潛水十分豐富,河漫灘及一級階地單井涌水量大于2 000 m3/d,二級階地及邊緣盆地邊緣部位單井涌水量1 000～2 000 m3/d;水質類型HCO3-·Cl--Na2+型,礦化度0.4～2.9 g/L。藉河河谷潛水沿河沿河兩側的一級階地,因開采條件下可由河水直接補給,富水性好,單井涌水量1 000～2 000 m3/d;水質類型HCO3-·SO42--Na2+·Ca2+·Mg2+型,礦化度0.5～1.5 g/L。
2.1 評估模型選用
研究區內地下水類型為河谷淺層潛水,依據《地下水污染防治重點區劃定指南(征求意見稿)》(2022年8月),其脆弱性評估選用DRASTIC模型[4]。DRASTIC模型由地下水位埋深(D)、垂直凈補給量(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)7個水文地質參數組成。模型中每個指標皆分幾個區段,對每個區段賦予評分,然后根據每個指標對脆弱性影響大小計算相應權重,通過加權求和,得到地下水脆弱性指數(DI)。
DI=DwDR+RwRR+AwAR+SwSR+TwTR+IwIR+CwCR
(1)
式中:DI表示地下水脆弱性指數,下標R表示各參數指標值,下標W表示各參數指標權重。根據各參數指標的評分和權重值,相應的將脆弱性分為高、中等、低,DI值越高,地下水脆弱性越高,反之脆弱性越低,地下水脆弱性級別與綜合指數對應關系見表1。
表1 孔隙水脆弱性評估指標等級劃分和賦值
2.2 評估指標數據獲取方法
本次地下水脆弱性評估在充分收集研究區以往水文地質資料、近年科研成果報告、氣象資料及地下水監測數據的基礎上,采用ARCGIS空間數據分析對收集到的數據資料進行矢量化處理,并對每個單項指標根據不同的分級標準進行賦分分區,最后利用ARCGIS疊加每個單項指標分區值和指標權重,根據表2綜合計算地下水脆弱性指數分區[5-7]。單指標評分分級賦分和各指標計算權參考《地下水污染防治重點區劃定指南(征求意見稿)》(2022年8月)來確定,見表2。
表2 孔隙水裂隙水脆弱性評估指標等級劃分、賦值和權重計算值
表3 研究區地下水脆弱性綜合評價
2.3 單指標評估
本次研究將收集井水位監測數據、含水層厚度、第四紀地質地貌、DEM數據、包氣帶巖性圖、鉆孔資料、以往水文地質資料及抽水試驗成果數據等通過ARCGIS數據空間分析,對脆弱性評價的7個影響因素地下水位埋深、垂直凈補給量、含水層厚度、土壤介質、地形坡度、包氣帶介質類型、含水層滲透系數進行計算分區。研究區水位監測數據統測點密度為68個/百平方千米。
2.3.1 地下水位埋深(D)
地下水位埋深越大,地下水被污染概率越低;反之,越高。本次研究根據收集的水位數據利用ARCGIS分析天水城區地下水位埋深變化。河谷潛水埋深縱向變化不大、橫向變化較大。河床及河漫灘,水位埋深一般小于6m;一級階地及沖洪積扇的邊緣部位一般在6～10 m;二級階地及沖洪積扇的后緣部位一般在10～20 m之間,如馬跑泉鎮潁川河河口沖洪積扇一帶;二級階地以上至河谷平原邊緣地帶,水位埋深多大于20 m,局部大于30 m,如藉河河谷平原花牛鎮局部區域[8],如圖1。
圖1 研究區地下水埋深分區圖
2.3.2 垂直凈補給量(R)
地下水入滲補給量越大,地下水受污染可能性越大。研究區內淺層地下水補給來源于上游徑流、側向潛流及河水滲流的側向補給及降水入滲、灌水回滲及渠水滲漏的垂向補給,其中降雨入滲為主要補給來源,本次研究采用降水入滲補給量代替垂向凈補給量。天水市城區多年平均降雨量523.2 mm/a,因不同的地貌單元其地層巖性成份也不盡一致,因此其降雨入滲系數也不同,入滲系數采用《甘肅省天水市區域水文地質調查報告》中的經驗值,河漫灘0.176、較大支流溝口沖洪積扇0.118、一級階地0.119、二級以上階地0.094[9],則降水入滲補給量分別為河漫灘92.083 mm/a、沖洪積扇61.738 mm/a、一級階地62.261 mm/a、二級以上階地49.481 mm/a,垂向凈補給量分區如圖2。
圖2 研究區垂直凈補給量分區圖
2.3.3 含水層厚度(A)
含水層厚度越大,則污染物下滲路徑越長,地下水被污染概率越低。經分析,藉河河谷從上游至下游含水層厚度由小于10 m逐漸增大為大于20 m;渭河河谷二級階地至河漫灘含水層厚度由小于10 m逐漸增大為大于30 m,社棠盆地一帶基底平緩、凹陷,含水層厚度局部大于35 m,如圖3。
圖3 研究區含水層厚度分區圖
2.3.4 土壤介質(S)
土壤介質顆粒越細、孔隙越小,阻隔污染物下滲的能力強,地下水越不易被污染。區內表層土壤分布范圍最廣的為粘質壤土,占總面積的15.64%,主要分布在一級階地以上的大部分區域;其次為砂礫石,占總面積的84.36%,主要分布在河漫灘,如圖4。表層土壤是大氣層與包氣帶的連接介質,多為顆粒不均、孔隙不一的松軟土體,影響垂直補給的下滲量和進入含水層的污染物濃度值。砂礫石滲透性大于粘質壤土。
圖4 研究區表層土壤類型分區圖
2.3.5 地形坡度(T)
地形坡度越小,地表徑流越小,污染物下滲可能性越大,地下水被污染概率越高;在相同時空條件下,地形坡度越小,地下水水力坡度越小,地下水徑流速度越小,污染物進入該地下水含量越多。經分析整個研究區地形坡度≤2%,如圖5。
圖5 研究區地形坡比分區圖
2.3.6 包氣帶介質類型(I)
包氣帶維持區域內毛細水量,控制重力水滲流通路的長短和滲流形式,包氣帶為結構致密、膠結程度高的巖性,則污染物難進入含水層,反之,包氣帶為結構疏松的大粒徑松散巖類,則污染物易進入含水層。研究區內藉河河谷一級階地、渭河及較大支流河谷一級階地、潁川河及東柯河沖洪積扇區域,包氣帶巖性為亞砂土,占總面積的42.49%;河漫灘包氣帶巖性為砂礫石,占總面積的15.64%;其余渭河干流及支流二級以上階地包氣帶巖性為亞粘土,占總面積的41.87%,如圖6。
圖6 研究區包氣帶介質類型分區圖
2.3.7 含水層滲透系數(C)
滲透系數可以評價在重力作用下,地表水體進入含水層后的滲流速率,滲流速率越大,則地表水體攜帶的污染物進入含水層的時間越短,反之亦然。經分析,一級階地及河漫灘含水層巖性為砂礫卵石,巖性組成粒徑大小不一、結構松散、孔隙大,滲透系數大180 m/d,則污染物擴散的速率快;二級以上階地及沖洪積扇含水層有泥質、粉細砂等物質充填,滲透系數相對較小70～80 m/d[10]。如圖7。
圖7 研究區含水層滲透系數分區圖
2.4 綜合評估
根據7個指標的賦值分區結果,疊加指標權重,在ARCGIS中計算得出研究區淺層地下水脆弱性指數介于96～131之間,相應的將地下水脆弱性級別劃分為低、中等、高3個等級,脆弱性中低區域基本為河流二級階地及少量沖洪扇區域,河流一級階地、河漫灘及部分沖洪積扇區域脆弱性評價高,分區結果如圖8。
圖8 研究區淺層地下水脆弱性等級分區圖
2.4.1 脆弱性低區域
主要分布于研究區藉河河谷二級階地花牛鎮、社棠盆地及渭河河谷近峽口二級階地局部區域,面積1.297 km2,占研究區總面積的1.6%。該區地下水埋深20～30 m,局部大于35 m;垂向凈補給量49～62 mm/a;含水層厚度30～35 m;表層土壤介質為粘質壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包氣帶介質多為亞粘土;含水層滲透系數以70～80 m/d,綜合評價該區內淺層地下水脆弱性較低。
2.4.2 脆弱性中等區域
主要分布于研究區藉河河谷南岸的二級階地大部分區域、北岸的河谷平原邊緣區域;渭河北岸二級階地道北街道至山前區域、社棠盆地大部分區域、潁川河河口沖洪積扇區域、南岸二級階地至山前局部區域,面積30.881 km2,占研究區總面積的38.07%。該區地下水埋深10～20 m,局部大于20 m;垂向凈補給量60～62 mm/a;含水層厚度10～30 m;表層土壤介質為粘質壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包氣帶介質多為亞粘土、局部亞砂土;含水層滲透系數以70～80 m/d,局部沖洪積扇180 m/d,綜合評價該區內淺層地下水脆弱中等。
2.4.3 脆弱性高區域
主要分布于研究區藉河及支流河谷河漫灘、一級階地、支溝溝口沖洪積扇區域,渭河及支流河谷河漫灘、一級階地、支流東柯河沖洪積扇區域,面積為48.947 km2,占工作區60.33%。該區地下水埋深0～10 m為主,局部大于10 m;垂向凈補給量>62 mm/a;含水層厚度10～20 m,局部大于20 m;表層土壤介質河漫灘以砂礫石為主,一級階地為粘質壤土;地形平坦,地形坡度<2%;包氣帶介質河漫灘為砂礫石,一級階地為亞砂土;含水層滲透系數多為180 m/d,局部70～80 m/d,綜合評價該區內淺層地下水脆弱高。
本研究采用DRASTIC模型,利用ARCGIS軟件,對天水市城區淺層地下水脆弱性進行了評估分區,結論如下:藉河河谷二級階地花牛鎮、社棠盆地及渭河河谷近峽口二級階地局部區域脆弱性低,防污性能好;藉河河谷南岸的二級階地大部分區域、北岸的河谷平原邊緣區域,渭河北岸二級階地道北街道至山前區域、社棠盆地大部分區域、潁川河河口沖洪積扇區域、南岸二級階地至山前局部區域脆弱性中等,防污性能中等;藉河及支流河谷河漫灘、一級階地、支溝溝口沖洪積扇區域,渭河及支流河谷河漫灘、一級階地、支流東柯河沖洪積扇區域脆弱性高,防污性能差。經綜合計算單指標賦分及權重,單指標對研究區淺層地下水脆弱性影響程度由大到小分別為:地下水位埋深、包氣帶介質類型、垂向凈補給量、含水層滲透系數、含水層厚度、表層土壤介質、地形坡度。
地下水開發與保護建議研究區內脆弱性有高有低,地下水綜合脆弱性指數較大的區域,需完善水資源管理措施,加強對污水及污染物排放的監管,減少污染物擴散從而對地下水造成污染。脆弱性指數較低的區域,要加強水質水量的監管,減少未來出現污染的可能性。
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