岩溶含水层脆弱性评价的COP法及其应用.pdf

第6 l 卷第3 期 2 O O9 年8 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．6 1 ．N o ．3 A u g ． 20O9 岩溶含水层脆弱性评价的C O P 法及其应用 邢立亭1 ’2 ，吕华2 ，高赞东3 ，周瑞2 1 ．中国矿业大学资源与安全工程学院，北京10 0 0 8 3 ； 2 ．济南大学城市发展学院，济南2 5 0 0 0 2 ； 3 ．山东省地质环境监测总站，济南2 5 0 0 13 摘 要地下水脆弱性评价是保护地下水资源的有效方法，分析地下水脆弱性评价研究现状，探讨地下水脆弱性的涵义，以 济南为例，对地下水脆弱性评价方法一c 0 P 法进行了较详细的介绍。地下水脆弱性是地下水系统对于污染物的防护能力。指出 地下水脆弱性评价方法的发展趋势和c 0 P 法应用存在的问题。 关键词环境工程；岩溶水；c o P 法；脆弱性；评价指标 中图分类号T v 2 1 1文献标识码A文章编号1 0 0 l 0 2 1 1 2 0 0 9 0 3 一0 1 3 8 一0 5 1地下水脆弱性涵义 随着工农业迅速发展，人类活动加剧，引发一系 列水环境问题，由于水资源短缺及地下水污染治理 难度大，人们对地下水资源的保护日益重视。鉴于 此，国外水文地质学家开始地下水脆弱性研究，“脆 弱性 v u l n e r a b i l i t y ”这一名词术语早在2 0 世纪6 0 年代法国出现，A l b i n e t 和M a r g a t 首次把它作为科学 术语提出来⋯，认为地下水脆弱性是在自然条件下 污染物从地表渗入地下含水层的可能性。2 0 世纪 8 0 年代以来，地下水脆弱性研究成为国际水文地质 研究的热点问题，许多国家和地区开展了广泛深入 的研究工作。许多学者和有关研究部门对地下水脆 弱性的概念从不同的角度给予了定义。1 。o ，V e r h u f f 将地下水脆弱性理解为地下水抵御人为污染的能 力。，即防污性能 d e f e n s ec a p a c i t yt oc o n t a m i n a ． t i o n ，并编制西德一些地区地下水防污性能图。 B e n a c c h i o 认为地下水固有脆弱性指污染物渗透通 过包气带的能力o 。F o r s t e r 1 9 8 7 年 认为地下水 污染脆弱性是由含水层本身的脆弱性和人类活动污 染负荷的函数。2 1 。美国环保署 u s E P A 定义地下 水脆弱性为地下水系统对人类和 或 自然的有效 敏感性 s e n s i b i l i t y ∞o ，并将脆弱性分为本质 i n t r i n ． 收稿日期2 0 0 8 1 1 一0 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 4 0 6 7 2 1 5 8 ；中荷合作项目 “中国地下水信息中心能力建设”；济南市科技发展计划 T N K 0 8 0 6 作者简介邢立亭 1 9 6 6 一 ，男，山东即墨市人，研究员，博士生，主 要从事水文地质教学与研究等方面的工作。 s i cv u l n e r a b i l i t y 和特殊脆弱性 s p e c i f i cv u l n e r a b ∞ t y ，本质脆弱性是指在天然状态下含水层对污染所 表现的内部固有的敏感属性。它不考虑污染源或污 染物的性质和类型，是静态、不可变和人为不可控制 的。 综上所述，到目前，一个明确统一的地下水脆弱 性的定义尚未形成，但由于地下水脆弱性评价是地 下水环境保护工作的基础和环境规划与决策的有力 工具，国外提出了3 0 多种计算脆弱性指数模型，如 V i e r h u f f ，D R A S T I C ，G O D ，S I G A ，L e g r a n d ，S I N T A C S ， S E P P A G E ，E P I K 模型等旧“o 。总结的评价地下水脆 弱性时应选用的指标和参数“ 。10 | ，本质脆弱性的评 价因子主要侧重于地貌因素、地质因素和水文地质 因素，如表1 所示，从不同评价方法所选取的评价因 子可以看出，地下水脆弱性评价普遍主要是针对污染 和含水层的保护而言。因此，地下水脆弱性可以定义 为地下水系统对于污染物的防护能力。 表l地下水脆弱性评价因子 T a b l e 】F a c l o r sf o rg r o u n dw a t e r v u l n e r a b i l i t va s s e s s m e n t 参数评价因子 土壤 含水层 包气带 补给量 地形 下伏地层特征 与地表水联系 成分、结构、厚度、有机质含量、黏土矿物含量、岩 性、透水性、含水量 固结特征、岩性、有效孔隙度、导水系数、流向、富 水性、地下水年龄与驻留时间、流速、水力梯度、厚 度 厚度、岩性、水运移时间、垂向渗透性 净补给量、年降水量、补给强度 地面坡度变化 透水性、结构与构造、隔水层厚度、岩性、连续性 河流渗漏、溢出、咸淡水界 万方数据 第3 期邢立亭等岩溶含水层脆弱性评价的c 0 P 法及其应用 1 3 9 D R A S T I c 模型是目前国内外应用最为广泛的 方法，在美国、尼日利亚、以色列、中国、欧盟等地均 有成功实例“ “’“““，但是，D R A S T I C 模型还有许 多缺陷4 ““，其他地下水脆弱性评价方法由于考虑 的评价因子相对较少而没有得到推广。总之，这些 模型主要适用于孔隙水地区，对岩溶地区的适应性 差⋯。国内对于岩溶区地下水脆弱性研究涉及更 少Ⅲ。。岩溶地区生态地质环境十分脆弱，与孑L 隙水 相比，岩溶水具有高度的不均一性，既有贫水的荒漠 石山又有著名的大泉景观和众多特大型水源地，岩 溶水污染成为研究的难点“。为了提高我国岩溶 水脆弱性的研究，以济南泉域岩溶水系统为例，应用 C O P 法评价岩溶地区地下水脆弱性能。 2C O P 方法及其应用 岩溶水含水层脆弱性评价欧洲模式 E u r o p e a n A p p r o a c h 是欧盟科学技术委员会最新研究成 果石灰岩含水层保护的易污性及风险性图示法 的评价体系⋯。欧洲模式是基于起源．路径一目标模 型 O r i g i n P a t h w a y T a r g e tm o d e l 的概念模型，利用 上覆岩层因子D O v e r l y i n gl a y e r s 、径流因子C c o n c e n t r a t i o no fn o w 、大气降水因子P P r e c i p i t a t i - o nr e g i m e 和岩溶系统的发育程度因子K K a r s tn e t - w o r kd e v e l o p m e n t 四种因子来评价含水层本质的脆 弱性。欧洲模式具体有五种评价方法，分别为P I 法、V U L K 法、L E A 法、C O P 法、T i m e - I n p u t 法。C O P 法基于汇流C c o n c e n t r a t i o nn o w 、上覆岩层D 0 - v e r l y i n gl a y e r s 和降水P P r e c i p i t a t i o n 三种内在地 下水易污性的评价因子。2 ⋯。因子D 是非饱和带对 污染的阻挡保护能力，C 和P 因子作为对由上覆岩 层提供的保护级别的适当的修正，P 因子的主要意 义在于揭示不同地区降雨量具有较大的不同。P 和 0 因子可以用来评价任何类型的地下水污染的易污 性，而c 因子是专门用于对石灰岩含水层脆弱性的 评价。 2 ．1上覆岩层D 因子 D 因子主要考虑的是非饱和带的保护功能，欧 洲模式引建议将非饱和带细分为表层土、次表层 土、非卡斯特岩石和非饱和带的石灰岩4 层。基于 对济南地层的分析以及所掌握的钻孔资料心1 | ，确定 评价0 因子如下。 1 土壤 0 。 。土壤层对地下水具有自净处理 功能。D 。取值由土层的质地和厚度决定，见表2 。 表2土壤参数D 。取值表 T a b l e2D e t e r m i n a t i o no fs o i l0 。f a c t o r 2 非饱和带岩性指标 D ， 。非饱和带岩性及 厚度指标 D 。 取三个参数对其进行量化岩性和裂 隙 z ， 、厚度 m 、含水层的承压性 c n 。D 。值由 式 1 获得，其中Z 。用于评价岩石类型和裂隙发育 的级别评分，见表3 ；锄为含水层赋存条件指标评 分，见表4 ；L ，为岩层指标，￡， [ 三 Z ，m ] 。D 。评 分见表5 。 D ￡， L ，C 乃 1 表3 岩性与裂隙因子‘评分 T a b l e3G r a d eo fl i t h o l o g ya n df i s s u r eZ ，f a c t o r 表4 含水层赋存条件指标踟评分 T a b l e4D e t e r m i n a t i o no fC nf a c t o r 表5非饱和带岩性指标D 。评分表 T a b l e5G r a d eo fL i t h 0 1 0 9 yo fu n s a t u r a t e dz o n eD L 上覆岩层因子 0 按式 2 计算，分级表如表6 所示。依据表6 绘制D 因子分区图，见图1 。 D [ D 。] [ O 。] 2 表6 上覆岩层因子D 因子分级表 T a b l e6D e t e H n i n a t i o no fO v e r l y i n gl a y e r sOf a c t o r 评分 1 22 44 ～88 ～1 5 防护级别很低低中等高很高 2 ．2 汇流因子 C 汇流因子是对0 因子的修正‘20 c ，c 因子主要考虑 万方数据 1 4 0 有色金属第6 l 卷 四种变量到落水洞的距离砒 D i s t a n c et os w a l l o w h o l e 、到渗漏河道的距离出 D i s t a n c e t o s i n k i n g s t r e a m 、地形坡度s S l o p e 、植被勘 V e g e t a t i o n 。 落水洞距离与保护能力呈线性关系，即距离落 水洞越远其保护功能越强，砒取值见表7 。对于大 沙河及玉符河等渗漏河道，随着渗漏河道的距离加 大，其保护功能倍增，见表8 。 表7 落水洞距离衲评分表 T a h l e7G r a d eo f d is t a n c et 0s w a l l o wh 0 1 ed 危f a c t o r 距离／m评分 ≤5 0 0O 5 0 0 一1 0 0 0O ．1 1 0 0 0 一1 5 0 0O ．2 1 5 0 0 2 0 0 00 ．3 2 0 0 0 ～2 5 0 0O ．4 2 5 0 0 ～3 0 0 00 ．5 3 0 0 0 ～3 5 0 0O ．6 3 5 0 0 ～4 0 0 00 ．7 4 0 0 0 ～4 5 0 00 ．8 4 5 0 0 一5 0 0 0O ．9 5 0 0 0 1 表8 渗漏河流距离幽评分表 T a b l e8G r a d eo fd i s t a n c et os i n k i n g 出 评分 0 0 ．5 l 图l泉域岩溶水非饱和带保护性能分区 F i g ．1 S u b a r e am 8 po fu n s a t u r a t e dz o n ep r o t e t i v e c a p a b i l i t yi nJ i n a ns p “n gr e g i o n 植被的缺失及其密度对地表径流以及垂直入渗条件 起重要作用。植被变量 v e g e t a t i o n 主要考虑植被 的缺失与否。地形坡度 s l o p e 能够明显影响降水 携带物的入渗速度以及入渗量，坡度采用T I N 数据 采集而得，单位为百分数。将植被分布和地形坡度， 按照表9 赋值S v 并分类，得出坡度和植被叠加图 层。C 因子的值按式 3 计算。 C d d s S 。 3 表9 植被与坡度评分值S 。 T a b l e9 G r a d eo fs l o p ea n dv e g e t a t i o nS 。 根据济南泉域的特征，直接补给区石灰岩分布 范围内，常年有水河流少心“，因此，远离河道、落水 洞地段，按照岩溶发育程度表1 0 、植被与坡度表1 1 修正式 3 ‘20 ‘为式 4 。 C J s ，- s 。 4 表l O 裂隙岩溶发育程度S ， T a b l el oG r a d eo fs u r f a c ef e a t u r e sSf a c t o r 表1 1 植被与坡度评分值S 。 T a b l e11G r a d eo fs l o p ea n dV e g e t a t i o nS 。 依据式 3 和式 4 ，得到G 因子分区值，依据 表1 2 分区绘制c 图，见图2 。C 值越高，其保护能 力越差。 表1 2c 因子与保护能力分级表 T a b l e12G r a d eo fCf a c t o ra n dp r o t e c t i v ec a p a b i l i t y 2 ．3 大气降水 P 因子 P 因子主要反映降水特征，由多年平均降水量 m m ／a 和降水强度 m m ／d 两个次级因子来评估。， 济南泉域多年平均降雨量6 4 6 m m 。“1 ，由表1 3 知降 雨量参数J P 。 0 ．3 。降水强度由多年平均降水量除 以多年平均年降水天数，济南多年平均年降水天数 等端 万方数据 第3 期邢立亭等岩溶含水层脆弱性评价的c O P 法及其应用 1 4 】 与文献[ 2 1 ] 比较分成5 个等级。含水层脆弱性很 高等级区和高等级区呈条带状分布在泉域中部及东 部的广大地区，基本分布在岩溶裂隙非常发育的、裸 露的下奥陶～上寒武的石灰岩地区，即泉域的直接 补给区。另外在玉符、北沙河等河谷地带也为脆弱 性很高区。脆弱性很高区占泉域面积的2 3 ．4 ％，脆 弱性高区占泉域面积的3 ．4 ％，说明济南泉域的含 水层整体易污性强，很容易受到地表的污染。脆弱 性中等区主要分布在泉域南部山涧谷地，占泉域面 积的1 0 ．2 ％。脆弱性低区主要分布在寒武纪地层 图2济南泉域汇流分区图 C 图 分布区，占泉域面积的7 ．6 ％。脆弱性很低区主要 F i g 28 “b 8 “m 8 p 。‘。。n 。。吣8 ‘i 。“。‘n 。”ch 。衙 分布地形平坦的第四系及闪长岩覆盖区，占泉域面 7 7 d ，降水强度为9 2 3 m m ／d ，由表1 4 知降水强度参 积的2 0 ．4 ％。 数P ， 0 ．6 。P 因子的值则由降水量参数和降水强 度参数相加得到，即J P ⋯。 0 ．9 。由表1 5 可知，P 因 子保护性能属于非常低级别。 表1 3年降水量因子P Q 分级 T a b l e1 3G r a d eo fr a i n f a l lq u a n t i t yP Qf a c t o r 表1 4降水强度P j 分级 T a b l e14 G r a d eo fr a i n f a l li n t e n s i t y 尸，f a c t o r 降雨强度／ m m d “ ≤l O 1 0 ～2 0 ] 2 0 J p ，取值 0 ．60 ．4O ．2 表1 5P 因子与保护能力分级 2 ．4 脆弱性指标值 C D P 计算 地下水系统脆弱性评价指标C O P 采用0 ，c ，P 因子的乘积，即式 5 表示。依据c O P 脆弱指标分 级表1 6 ，绘制济南泉域岩溶水脆弱性评价分区c 0 P 图，见图3 。 C D P CD P 5 表1 6脆弱性指标C o P 分级表 T a b l e16D e t e r m i n a t i o no fg r o u n d w a t e r v u l n e r a b i l i t vf a c t o rC O Pi n d e x C O P 指标 0 0 ．5O ．5 1l ～22 44 ～1 5 脆弱性级别非常高 高中等低非常低 3 评价结果分析 应用A R C G I S9 ．o 软件叠合，C O P 法评价结果 图3济南泉域岩溶水脆弱性分区图 F i g ．3 S u b a r e am a po fg r o u n d w a t e r v u l n e r a b i l i t yi nJ i n a n 4 讨论与展望 1 c 0 P 法可以区别不同地区地下水的脆弱程 度，进而为岩溶水保护提供依据。 2 c 0 P 法浓缩了岩溶地区诸多水文地质信 息，所选取的评价指标具有代表性强、易可获取、可 数量化的特点，评价方法具有可操作性，适合于含水 层本质脆弱性的评价。 3 济南泉域岩溶水系统应用表明，在评价指 标体系确立之后，G I s 技术是脆弱性评价重要工具， 未来G I s 技术与地质统计学、地下水运移模型结合 将使地下水脆弱性评价方法进一步完善。 4 C O P 法评价体系未涉及人类活动影响和地 下水动力场等指标，由于不同地区水文地质条件的 差异，如何解决定性与定量指标之间的关系以及定 性指标的量化标准问题，尚无较好的办法，这些问题 尚进一步研究。 万方数据 1 4 2 有色 金属 第6 1 卷 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] D o e m i g e rNJ ，E a n n i nPY ，Z w a h l e nF ． W a t e rv u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n ti nk a r s te n v i 阳n m e n t san e wm e t h o do fd e f i n i n gp r o t e c t i o n a r e a su s i n gam u l t i a t t r i b u t ea p p r o a c ha n dG I St o o l 8 [ J ] ．E n v i r o n m e n t a lG e o l o g y ，1 9 9 9 ，3 9 2 1 6 5 1 7 6 ． F o s t e rssD ，H i r a t aR ． G I D u n d w a t e ‘p o l l u t i o nr i s ka s s e s s m e n tam e t h o d o l o g yu s i n ga v a i l a b l ed a t a [ M ] ． L i m a ， P e r u P a n A m e “c a nC e n t r ef b rS a n i t a r yE n g i n e e r i n ga n dE n v i r o n m e n t a lS c i e n c e s C E P I S ，19 8 8 81 ． A l l e rL ，B e n n e tT ，L e h rJ H ， e ta 1 ． D R A S T I C as t a n d a r ds y s t e mf b re v a l u a t i n gg r o u n d w a t e rp o l l u t i o np o t e n t i a lu s i n g h y d r o g e o l o g i c a ls e t t i n g s [ M ] ． u sE n v i r o n m e n t a lP r o t e c t i o nA g e n c y ，A d a ，0 K ，E P A P ／6 0 0 ／2 8 7 一0 3 6 ，19 8 7 4 5 5 ． F us u r o n g ，w A N GY a n x i n ，c A IH e s h e n g ，e ta 1 ． V u l n e r a b i l i t yt oc o n t a m i n a t i o no fg r o u n dw a t e ri nu r b a nr e g i o n s [ J ] ． E a r t h S c i e n c e ，2 0 0 0 ，2 5 5 4 8 2 4 8 6 ． I B EKM ，C o l l i nML ，M e l l o u l aJ ．A s s e s s m e n to fg r o u n dw a t e rv u l n e r a b i l i t ya n di t sa p p l i c a t i o nt ot h ed e V e l o p m e n to fp r o t e c t i o n s t r a t e g yf o rt h ew a t e rs u p p l ya q u i f e ri nO w e r r is o u t h e r nN i g e r i a [ J ] ． E n v i r o n m e n t a lM o n i t o r i n ga n dA s s e s s m e n t ，2 0 0 1 ，6 7 6 3 2 3 3 3 6 ． [ 6 ]G o g uRc ，D a s s a r g u e sA ． c u r r e n tt r e n d sa n df h t u r ec h a l l e n g e si ng r o u n d w a t e rV u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n tu s i n go V e r l a ya n di n d e x m e t h o d s [ J ] ．E n v i r o n m e n t a lG e o l o g y ，2 0 0 0 ，3 9 6 5 4 9 5 5 9 ． 7 ] 孙才志，林山杉．地下水脆弱性概念的发展过程与评价现状及研究前景[ J ] ．吉林地质，2 0 0 0 ，1 9 1 3 0 3 3 8 ] 姜桂华．地下水脆弱性研究进展[ J ] ．世界地质，2 0 0 2 ，2 l 1 1 3 3 3 6 ． [ 9 ] 贺新春，邵东国，陈南祥，等．几种评价地下水环境脆弱性方法之比较[ J ] ．长江科学院院报，2 0 0 5 ，2 2 3 1 7 2 1 ． [ 1 0 ] 李志萍，许可．地下水脆弱性评价方法研究进展[ J ] ．人民黄河，2 0 0 8 ，3 0 6 5 2 5 4 ． [ 11 ] s e c u n d as ，c o l I i nML ，M e U o u lAJ ． G r o u n dw a t e rv u l n e r a b i l i t ya s s e s 8 m e n tu s i n gac o m p o s i t em o d e lc o m b i n i n gD R A s T l Cw i t h e x t e n s i v ea g r i c u l t u r a ll a n du s ei nI s r a e l ’sS a r o nr e g i o n [ J ] ． E n v i r o nM a n a g e m e n t ，19 9 8 ，5 4 1 3 9 5 7 ． [ 1 2 ] 中国地质调查局．地下水污染调查评价规范[ S ] 征求意见稿 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ta 1 ．M a i nc o n c e p t so ft h eE u r p e a nA p p r o a c hf o r k a r s t g r o u n d w a t e rV u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n t a n dm a p p i n g [ J ] ．H y d r o g e o l o g i c a lJ o u r n a l ，2 0 0 2 ，1 0 2 3 4 0 3 4 5 ． [ 2 1 ] 山东省地矿工程勘察院．济南地区水资源调蓄及生态环境地质调查评价[ R ] ．济南山东省地矿局，2 0 0 5 6 7 7 1 ． E v a l u a t i O nO fG r o u n d w a t e rV u l n e r a b i l i t yi nK a r s tA r e a sU s i n gC o PM e t h o d X ，ⅣG “一f 跏9 1 一，L y 日M 口2 ，G A 0Z o n d D ，1 9 3 ，Z 日O UR M i 2 1 ．| s c o o Z 矿R e s o “，℃e so n dJ s 咖秒E n g i n e e r i ，l g ，C 九i n nu n i 创e r s 由yo ，M i n i n g ＆丁毫c n o Z o g y ，B e 巧妇l g1 0 0 0 8 3 ，C i n o ；2 ．￡ eS c o o z 吧r C i 钞 D e 秽e Z o P ，，l e 凡f ，U n i 口e r s i 砂q 厂‘，i n Ⅱn ， n n 凡2 5 0 0 0 2 ，C 讥n ；3 ．S 矗Ⅱn d o ，t gG e o E n ”i r o n ，n e n f f o n i t o r i n gS ￡n ￡i o n ，．，i n 口n2 5 0 0 1 3 ，C i 儿n A b s t r a c t E v a l u a t i o no fg r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t yi st h er e l i a b l em e t h o dt op r o t e c tw a t e rs u p p l ys o u r c e s ． T h ec o n n o t a t i o n s o ft h eg r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t ya r ea n a l y z e d ，a n dt h eg r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n ta r ed i s c u s s e d ．T h e C O Pm e t h o di si n t r o d u c e di nd e t a i la n db r o u g h tf b l w a r da sas t u d yc a s eo fJ i n a nk a r s ts p r i n gr e g i o n ． T h e g r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t y i st h e p r o t e c t i n ga b i l i t y o fg r o u n d w a t e rs y s t e mt oc o n t a m i n a t i o n ． T h ed e V e l o p m e n t t e n d e n c yo ft h es t u d yo ng r o u n d w a t e rv u l n e r a b i l i t ya s s e s s m e n ta n ds o m ed e f i c i e n c yo fC O Pm e t h o da r ea l s op o i n t e d O U t ． K e y w O r d s e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g ；k a r s tw a t e r ； C0 Pm e t h o d ；V u l n e r a b i l i t y ；e V a l u a t i o ni n d e x 万方数据