CN106919754A - 一种区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，所述区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法包括：获取区域浅层地下水特殊脆弱性的评价指标，所述评价指标包括净补给量、土壤介质、包气带介质、地下水水流速度和土地利用类型；对各评价指标进行加权求和得到地下水特殊脆弱性指数；根据地下水特殊脆弱性指数划分地下水特殊脆弱性等级，得到研究区地下水脆弱性评价分区图。

Description

一种区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法

技术领域

本发明涉及地下水污染防控技术领域，特别是指一种区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法。

背景技术

近年来，地下水脆弱性评价是对地下水污染采取预防的主要措施，通过区别不同地区地下水的对污染的敏感性来圈定不同脆弱级别的地下水区域，其评价结果对于地下水水源地选取及保护区划分、地下水污染防控方案、区域土地利用开发政策制定、城市垃圾堆放场地选址及地下水水质监测网布设都具有一定的理论指导意义。

地下水脆弱性分为本质脆弱性和特殊脆弱性。地下水本质脆弱性指在天然状态下地下水受到污染的可能性，是对污染所表现的内部固有的敏感属性。地下水特殊脆弱性是指地下水在人类活动作用下受到某种/类污染物或所有污染物污染的可能性，是对特定的污染物或人类活动所表现的敏感属性。目前，地下水本质脆弱性和特殊脆弱性的界限越来越模糊，在影响地下水本质脆弱性的因素中，如净补给量可能受到灌溉或开采的影响，土壤层的特征也受到土地利用方式的影响。仅研究地下水本质脆弱性不符合实际社会情况且意义不显著。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供一种区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，所述区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法包括：

获取区域浅层地下水特殊脆弱性的评价指标，所述评价指标包括净补给量、土壤介质、包气带介质、地下水水流速度和土地利用类型；

对各评价指标进行加权求和得到地下水特殊脆弱性指数；

根据地下水特殊脆弱性指数划分地下水特殊脆弱性等级，得到研究区地下水脆弱性评价分区图。

优选的，所述获取区域浅层地下水特殊脆弱性的评价指标，所述评价指标包括净补给量、土壤介质、包气带介质、地下水水流速度和土地利用类型，包括：对区内浅层地下水的水均衡条件分析，利用下式计算净补给量：

Q_净补＝Q_降+Q_侧补+Q_河+Q_灌-Q_蒸-Q_开-Q_侧排-Q_基流

其中：Q_降表示降水入渗补给量；Q_侧补表示地下水侧向补给量；Q_河表示河流入渗补给量；Q_灌表示灌溉水入渗补给量；Q_蒸表示蒸发排泄量；Q_开表示人工开采排泄量；Q_侧排表示地下水侧向排泄量；Q_基流表示河流排泄地下水水量。

优选的，利用下式计算降水入渗补给量：

Q_降＝αPF/10

其中，Q_降表示大气降水入渗量；α表示大气降水入渗系数；P表示大气降水量；F表示评价区面积；

利用下式计算灌溉水回渗补给量：

Q_水田＝βBF/100+βPF/10

Q_菜田＝βBF/100

其中，Q_水田表示水田回渗量；Q_菜田表示菜田回渗量；β表示灌溉水回渗系数；B表示灌溉定额；F表示灌溉面积；P表示灌溉期大气降水利用量；

利用下式计算侧向径流补给/排泄量：

Q_侧＝365BKIH/10⁴

其中，Q_侧表示侧向径流量；B表示计算断面宽度；K表示含水层渗透系数；I表示计算断面水力坡度；H表示含水层厚度；

利用下式计算河流入渗补给量：

Q_河＝L×β×t

其中，Q_河表示河流入渗补给量；L表示河流补给段长度；β表示河流入渗补给强度；t表示河流输水时间；

利用下式计算蒸发排泄量：

其中，Q_蒸表示蒸发排泄量；E表示蒸发皿观测年蒸发量；F表示蒸发面积；h表示水位埋深；l表示潜水蒸发极限深度；

利用下式计算河流排泄地下水水量：

Q_河基＝M·F

其中，Q_基流表示河流排泄地下水水量；M表示基流模数；F表示计算面积。

优选的，通过野外采样，颗粒分析测定，参照土壤分类标准确定土壤介质类型。

优选的，利用野外钻孔成井得到的钻孔柱状图、收集到的水文地质图、地质剖面等资料确定包气带介质。

优选的，通过土地利用类型分区得到或卫星遥感数据监督分类确定土地利用类型。

优选的，利用下式计算地下水水流速度：

v＝KI/n

其中，v表示地下水水流速度，K表示渗透系数，I表示水力梯度，n表示含水层介质孔隙度。

优选的，所述对各评价指标进行加权求和得到地下水特殊脆弱性指数，包括:

利用下式对各评价指标进行加权求：

RI＝R_WR_R+S_WS_R+I_WI_R+V_WV_R+L_WL_R

其中，RI为地下水特殊脆弱性指数；R为净补给量；S为土壤介质；I为包气带介质；V为地下水水流速度；L为土地利用类型。

优选的，所述净补给量R、土壤介质S、包气带介质I、地下水水流速度V、土地利用类型L的权重分别为3、5、3、4和5。

优选的，所述根据地下水特殊脆弱性指数划分地下水特殊脆弱性等级，得到研究区地下水脆弱性评价分区图，包括：

选取栅格单元为基本的评价单元，利用下式计算适宜栅格单元大小：

G_s＝7.49+0.0006S-2.0*10^-9S²+2.9*10^-15S³

式中，Gs是适宜栅格大小；S为原始等高线数据精度的分母；

基于ArcGIS栅格空间分析对评价指标的评分分区图按各个评价指标的相对权重值进行图层叠加，计算研究区内每个栅格单元上的地下水特殊脆弱性指数，根据地下水特殊脆弱性指数取值按照几何间距法将研究区划分为5个脆弱性分区，最终得到地下水特殊脆弱性分区图。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，综合考虑了土壤、包气带和含水层介质以及综合考虑了地下水水量和地下水水质，对地下水特殊脆弱性的影响，基于迭置指数法建立了针对性强、定性与定量结合的评价方法，能够快速准确的对区域浅层地下水特殊脆弱性进行评价，方法原理简单，数据容易获取，结果便于解释，评价结果用在社会经济活动规划阶段可以指出哪些地区是地下水易污染区域，给予避让；在建设中后期，结合污染源分布，可集中力量解决重点污染突出问题和区域，实现更好指导地下水污染防控和地下水水环境管理工作。

附图说明

图1为本发明实施例的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法流程图。

图2为本发明实施例的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法净补给量等级划分及赋值示意图；

图3为本发明实施例的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法土壤介质等级划分及赋值示意图；

图4为本发明实施例的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方包气带介质等级划分及赋值法示意图；

图5为本发明实施例的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法地下水流速等级划分及赋值示意图；

图6为本发明实施例的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法土地利用等级划分及赋值示意图；

图7为本发明实施例的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法地下水特殊脆弱性分区图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，本发明实施例的一种区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，所述区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法包括：

步骤101：获取区域浅层地下水特殊脆弱性的评价指标，所述评价指标包括净补给量、土壤介质、包气带介质、土地利用类型和地下水水流速度；

步骤102：对各评价指标进行加权求和得到地下水特殊脆弱性指数；

步骤103：根据地下水特殊脆弱性指数划分地下水特殊脆弱性等级，得到研究区地下水脆弱性评价分区图。

本发明实施例的，综合考虑了土壤、包气带和含水层介质以及综合考虑了地下水水量和地下水水质，对地下水特殊脆弱性的影响，基于迭置指数法建立了针对性强、定性与定量结合的评价方法，能够快速准确的对区域浅层地下水特殊脆弱性进行评价，方法原理简单，数据容易获取，结果便于解释，评价结果用在社会经济活动规划阶段可以指出哪些地区是地下水易污染区域，给予避让；在建设中后期，结合污染源分布，可集中力量解决重点污染突出问题和区域，实现更好指导地下水污染防控和地下水水环境管理工作。

其中，所述获取区域浅层地下水特殊脆弱性的评价指标，所述评价指标包括净补给量、土壤介质、包气带介质、地下水水流速度和土地利用类型，包括：

对区内浅层地下水水均衡条件分析，利用下式计算净补给量：

Q_净补＝Q_降+Q_侧补+Q_河+Q_灌-Q_蒸-Q_开-Q_侧排-Q_基流

其中：Q_降表示降水入渗补给量；Q_侧补表示地下水侧向补给量；Q_河表示河流入渗补给量；Q_灌表示灌溉水入渗补给量；Q_蒸表示蒸发排泄量；Q_开表示人工开采排泄量；Q_侧排表示地下水侧向排泄量；Q_基流表示河流排泄地下水水量。

优选的，利用下式计算降水入渗补给量：

Q_降＝αPF/10

其中，Q_降表示大气降水入渗量；α表示大气降水入渗系数；P表示大气降水量；F表示评价区面积；

具体的，降水入渗补给量是评价区浅层地下水最主要的补给来源，主要受到地下水埋深、年降水总量、降水特征、包气带岩性和厚度、地形和植被等因素影响。

利用下式计算灌溉水回渗补给量：

Q_水田＝βBF/100+βPF/10

Q_菜田＝βBF/100

其中，Q_水田表示水田回渗量；Q_菜田表示菜田回渗量；β表示灌溉水回渗系数；B表示灌溉定额；F表示灌溉面积；P表示灌溉期大气降水利用量；

具体的，灌溉水回渗补给量指入渗到地下水中的灌溉水量。

利用下式计算侧向径流补给/排泄量：

Q_侧＝365BKIH/10⁴

其中，Q_侧表示侧向径流量；B表示计算断面宽度；K表示含水层渗透系数；I表示计算断面水力坡度；H表示含水层厚度；

利用下式计算河流入渗补给量：

Q_河＝L×β×t

其中，Q_河表示河流入渗补给量；L表示河流补给段长度；β表示河流入渗补给强度；t表示河流输水时间；

利用下式计算蒸发排泄量：

其中，Q_蒸表示蒸发排泄量；E表示蒸发皿观测年蒸发量；F表示蒸发面积；h表示水位埋深；l表示潜水蒸发极限深度；

利用下式计算河流排泄地下水水量：

Q_河基＝M·F

其中，Q_基流表示河流排泄地下水水量；M表示基流模数；F表示计算面积。

具体的，基流是指由地下水补给河川的水量。

优选的，通过野外采样，颗粒分析测定，参照土壤分类标准确定土壤介质类型。

其中，土壤介质和包气带介质决定了地表污染物进入地下水前经历的各种物理、化学和生物作用(如对流、弥散、吸附、氧化还原、生物降解、挥发等)的衰减强弱和进入地下水中污染物的质量和浓度。土壤介质通常为距地表平均2m之内的地表风化层。

优选的，利用野外钻孔成井得到的钻孔柱状图、收集到的水文地质图、地质剖面等资料确定包气带介质。

优选的，通过土地利用类型分区得到或卫星遥感数据监督分类确定土地利用类型。

其中，土地利用类型作为地下水脆弱性的评价指标，在评价中并不将其作为体现污染源种类或负荷的指标，而是作为影响硝酸盐在土壤或包气带中迁移转化规律的指标。不同土地利用类型下的包气带中硝酸盐的垂直入渗、微生物作用及污染物的净化过程会有明显的不同。土地利用方式影响土壤养分多少，土壤微生物总量，土壤微生物的数量会随土壤养分含量的增加而增加，进而导致土壤中有机碳含量差异，因此可以说土地利用类型影响了污染物在包气带中的转化过程。

优选的，利用下式计算地下水水流速度：

v＝KI/n

其中，v表示地下水水流速度，K表示渗透系数，I表示水力梯度,n表示含水层介质孔隙度。n一般通过经验值确定；K一般通过抽水试验确定；I一般通过对地下水水位高程进行坡度提取确定。

具体的，人类活动对地下水的影响主要体现在开采和人类释放的污染源污染地下水两个方面，其中地下水系统对人类开采的响应表现形式为地下水水位，地下水超采，该处地下水水位降低，该处与附近地下水的水力梯度增大，因此地下水水流速度也增大。地下水水流速度反映了硝酸盐在地下水流带动下的对流弥散作用强弱，地下水水流速度越大，表示污染物有可能扩散到更大范围，使更大范围内的地下水受到污染物污染的可能性增大，因此本发明将地下水水流速度作为反映人类活动对地下水脆弱性影响的重要指标。

优选的，每个指标的分级赋值标准见表1。

表1各指标等级划分及赋值表

优选的，所述对各评价指标进行加权求和得到地下水特殊脆弱性指数，包括:

利用下式对各评价指标进行加权求：

RI＝R_WR_R+S_WS_R+I_WI_R+V_WV_R+L_WL_R

其中，RI为地下水特殊脆弱性指数；R为净补给量；S为土壤介质；I为包气带介质；V为地下水水流速度；L为土地利用类型。

优选的，所述净补给量R、土壤介质S、包气带介质I、地下水水流速度V、土地利用类型L的权重分别为3、5、3、4和5。

优选的，所述根据地下水特殊脆弱性指数划分地下水特殊脆弱性等级，得到研究区地下水脆弱性评价分区图，包括：

选取栅格单元为基本的评价单元，利用下式计算适宜栅格单元大小：

G_s＝7.49+0.0006S-2.0*10^-9S²+2.9*10^-15S³

式中，Gs是适宜栅格大小；S为原始等高线数据精度的分母；

基于ArcGIS栅格空间分析对评价指标的评分分区图按各个评价指标的相对权重值进行图层叠加，计算研究区内每个栅格单元上的地下水特殊脆弱性指数，根据地下水特殊脆弱性指数取值按照几何间距法将研究区划分为5个脆弱性分区，最终得到地下水特殊脆弱性分区图。

本发明实施例的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，以某地浅层地下水硝酸盐特殊脆弱性评价为例，分别通过评价指标计算、评价指标分级赋分、评价指标权重计算和地下水特殊脆弱性指数RI计算等4个步骤开展地下水特殊脆弱性评价。

评价具体过程如下：

根据对研究区地下水水均衡条件分析，确定浅层地下水补给主要有降水和灌溉入渗补给组成，排泄项由地下水开采和局部的蒸发组成。

(1)降水入渗补给量Q_降

根据式(3)对研究区内进行了降水入渗补给量计算，降水量取多年平均降水量641.7mm/a，降水入渗补给系数α参照收集到的“区域水文地质勘察报告”、“地下水动态监测报告”等资料确定。由于不同地形地貌的入渗条件不同，因此研究区内的入渗系数分为12个小区，取值在0.1-0.25之间。

(2)灌溉水回渗补给量Q_灌

根据式(4)和式(5)对研究区内的水田和菜田分别计算了灌溉回渗补给量。灌溉水回灌系数其中回灌系数、灌溉定额值根据收集到的“区域地下水资源调查评价”报告确定，回灌系数不同分区取值在0.18-0.24之间，水田和菜田的灌溉定额分别为10044m³/a.ha和4000m³/a.ha，灌溉面积由土地利用类型分区和利用ArcGIS测量确定，水田和菜田灌溉面积分别为3.71km²和4.1km²。

(3)蒸发排泄量Q_蒸

根据式(8)对研究区内蒸发排泄量计算。水面蒸发量取多年平均蒸发量为1506mm/a，潜水蒸发极限深度取4.95m，通过调查的地下水埋深情况确定研究区内发生潜水蒸发的区域，h取蒸发区域水位埋深平均值3.1m，蒸发面积根据土地利用类型分区和利用ArcGIS测量确定1.39km²。

(4)地下水开采量Q_开

研究区内的地下水开采主要用于农业灌溉、城镇生活用水、工业用水。结合收集到的“地下水动态监测资料”和“水文地质勘察报告”，对各个分区的地下水开采状况进行了统计和汇总，结果见表2。根据统计的开采量数据，研究区内地下水总开采量为1474.965×104m³/a。

表2研究区内的地下水开采情况

(5)净补给量R

将Q_降、Q_灌、Q_蒸和Q_开带入公式计算地下水净补给量。

通过野外采样，颗粒分析测定，参照美国农业部土壤保持局(USDA-SCS)制定的土壤分类标准确定研究区内土壤介质主要包括粉砂质粘土、粉砂壤、壤土、砂质粘壤、砂质壤土、壤质砂土6类。

根据收集到的84个钻孔柱状图确定，研究区内包气带介质包括粉砂质粘土、壤土和砂质壤土3类。

渗透系数根据收集到的“地下水动态监测报告”和“水文地质勘察报告”确定。研究区内的地下水渗透性能差异显著，渗透系数分布在15m/d-265m/d之间。

借助ArcGIS，根据研究区内调查的地下水水位高程值进行插值后进行坡度提取，即在ArcToolbox中，执行命令[3D Analyst工具]——[栅格表面]——[坡度]，最终得到研究区内的水力坡度分区。

将渗透系数转化为栅格格式数据，在ArcGIS中利用[Spatial Analyst]——[Raster Calculator]将渗透系数和水力坡度的栅格数据图层进行叠加计算，得到地下水水流速度值。

根据收集到的“土地利用类型分区图”可知，研究区内的土地利用类型分为耕地、工业用地、居民用地、城市用地和菜地等六类。

根据表1对净补给量、土壤介质、包气带介质、地下水水流速度和土地利用类型5个评价指标进行分级赋值，结果见图2-图6。

采用各指标的推荐权重值，即净补给量R、土壤介质S、包气带介质I、地下水水流速度V、土地利用类型L的权重分别为3、5、3、4和5。

计算本次研究的适宜栅格大小为32m，为方便计算，最终取栅格单元大小为30m。将5个评价指标的空间分布转为栅格格式，在ArcGIS中利用[Spatial Analyst]——[RasterCalculator]功能，进行5个指标的加权求和，最后得到每个栅格单元上的地下水特殊脆弱性指数RI，范围在53-182，按照几何间距法将RI划分为5个等级，即低脆弱性[53，72.4]，较低脆弱性[72.4，84.7)，中等脆弱性[84.7，104)，较高脆弱性[104，134)和高脆弱性[134，182]。结果见图7。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，所述区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法包括：

获取区域浅层地下水特殊脆弱性的评价指标，所述评价指标包括净补给量、土壤介质、包气带介质、地下水水流速度和土地利用类型；

对各评价指标进行加权求和得到地下水特殊脆弱性指数；

根据地下水特殊脆弱性指数划分地下水特殊脆弱性等级，得到研究区地下水脆弱性评价分区图。

2.根据权利要求1所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，所述获取区域浅层地下水特殊脆弱性的评价指标，所述评价指标包括净补给量、土壤介质、包气带介质、地下水水流速度和土地利用类型，包括：

对区内浅层地下水的水均衡条件分析，利用下式计算净补给量：

Q_净补＝Q_降+Q_侧补+Q_河+Q_灌-Q_蒸-Q_开-Q_侧排-Q_基流

其中：Q_降表示降水入渗补给量；Q_侧补表示地下水侧向补给量；Q_河表示河流入渗补给量；Q_灌表示灌溉水入渗补给量；Q_蒸表示蒸发排泄量；Q_开表示人工开采排泄量；Q_侧排表示地下水侧向排泄量；Q_基流表示河流排泄地下水水量。

3.根据权利要求2所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，利用下式计算降水入渗补给量：

Q_降＝αPF/10

其中，Q_降表示大气降水入渗量；α表示大气降水入渗系数；P表示大气降水量；F表示评价区面积；

利用下式计算灌溉水回渗补给量：

Q_水田＝βBF/100+βPF/10

Q_菜田＝βBF/100

其中，Q_水田表示水田回渗量；Q_菜田表示菜田回渗量；β表示灌溉水回渗系数；B表示灌溉定额；F表示灌溉面积；P表示灌溉期大气降水利用量；

利用下式计算侧向径流补给/排泄量：

Q_侧＝365BKIH/10⁴

其中，Q_侧表示侧向径流量；B表示计算断面宽度；K表示含水层渗透系数；I表示计算断面水力坡度；H表示含水层厚度；

利用下式计算河流入渗补给量：

Q_河＝L×β×t

其中，Q_河表示河流入渗补给量；L表示河流补给段长度；β表示河流入渗补给强度；t表示河流输水时间；

利用下式计算蒸发排泄量：

其中，Q_蒸表示蒸发排泄量；E表示蒸发皿观测年蒸发量；F表示蒸发面积；h表示水位埋深；l表示潜水蒸发极限深度；

利用下式计算河流排泄地下水水量：

Q_河基＝M·F

其中，Q_基流表示河流排泄地下水水量；M表示基流模数；F表示计算面积。

4.根据权利要求1所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，通过野外采样，颗粒分析测定，参照土壤分类标准确定土壤介质类型。

5.根据权利要求1所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，利用野外钻孔成井得到的钻孔柱状图、收集到的水文地质图、地质剖面等资料确定包气带介质。

6.根据权利要求1所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，通过土地利用类型分区得到或卫星遥感数据监督分类确定土地利用类型。

7.根据权利要求1所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，利用下式计算地下水水流速度：

v＝KI/n

其中，v表示地下水水流速度，K表示渗透系数，I表示水力梯度，n表示含水层介质孔隙度。

8.根据权利要求1所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，所述对各评价指标进行加权求和得到地下水特殊脆弱性指数，包括:

利用下式对各评价指标进行加权求：

RI＝R_WR_R+S_WS_R+I_WI_R+V_WV_R+L_WL_R

其中，RI为地下水特殊脆弱性指数；R为净补给量；S为土壤介质；I为包气带介质；V为地下水水流速度；L为土地利用类型。

9.根据权利要求8所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，所述净补给量R、土壤介质S、包气带介质I、地下水水流速度V、土地利用类型L的权重分别为3、5、3、4和5。

10.根据权利要求1所述的区域浅层地下水特殊脆弱性的评价方法，其特征在于，所述根据地下水特殊脆弱性指数划分地下水特殊脆弱性等级，得到研究区地下水脆弱性评价分区图，包括：

选取栅格单元为基本的评价单元，利用下式计算适宜栅格单元大小：

G_s＝7.49+0.0006S-2.0*10^-9S²+2.9*10^-15S³

式中，Gs是适宜栅格大小；S为原始等高线数据精度的分母；

基于ArcGIS栅格空间分析对评价指标的评分分区图按各个评价指标的相对权重值进行图层叠加，计算研究区内每个栅格单元上的地下水特殊脆弱性指数，根据地下水特殊脆弱性指数取值按照几何间距法将研究区划分为5个脆弱性分区，最终得到地下水特殊脆弱性分区图。