2008_大型新生代断陷盆地的浅层地下水的脆弱性评价_以山西太原盆地为例_蒋方媛

大型新生代断陷盆地的浅层地下水的脆弱性评价以山西太原盆地为例*蒋方媛a,郭清海b(中国地质大学a.研究生院;b.环境学院,武汉430074)摘 要:为开展山西太原盆地的地下水环境保护工作,在GIS平台上利用DRASTIC模型采用地下水位埋深、含水层净补给量、含水层介质、土壤介质、地形、包气带、水力传导系数7个指标评价了盆地浅层孔隙地下水的脆弱性。

结果表明:太原市与介休市是盆地内地下水脆弱性最高的地区,同时也是山西省工农业最发达的地区。

为解决工农业发展带来的高污染风险性与地下水环境脆弱性这一对明显的矛盾,应加强以上地区的地下水污染防治工作,在开展工作时应坚持以预防为主,防、治结合!的原则。

关键词:地下水;脆弱性;污染;DRAST IC模型;太原盆地中图分类号:P641.13;X143 文献标识码:A 文章编号:1000 7849(2008)02 0097 06地下水脆弱性研究对于地下水环境保护与地下水资源可持续利用具有非常重要的意义。

近几年来,地下水脆弱性评价在国外发展极快,多种新技术、新方法被引入到地下水脆弱性的评价过程中。

GIS技术已经成为脆弱性评价最常用的平台[1 6],此外还有遥感技术、随机理论[7]、统计方法[8 9]、环境同位素与水化学方法[10]。

在国内,自杨庆等[11]利用DRAST IC评价模型对大连沿海地区的地下水脆弱性进行评价以来,国内多侧重于含水层的内在脆弱性研究[11 15]。

目前国内也开展了地下水系统对特殊污染物的脆弱性研究,如王焰新等[16]利用改进的迁移能力指数模型评价了大同盆地浅层地下水系统对砷与镉的脆弱性;Guo等[17]利用DRARCH模型评价了太原盆地地下水对砷污染的特殊脆弱性。

太原盆地属于我国北方的半干旱地区,同时也是山西省工农业最发达与人口最集中的地区,因而浅层孔隙地下水资源在该区是最重要的供水水源。

但近年来,盆地浅层孔隙地下水已经受到了不同程度的污染。

为加强盆地的地下水资源管理、有目的地控制地下水污染,我们在GIS平台上对盆地地下水的脆弱性进行了评价,以确保该区地下水资源的可持续利用。

1 研究区概况太原盆地位于山西省中部,北起阳曲,南达介休,东依太行山,西抵吕梁山,地理坐标东经111∀36#~112∀53#、北纬37∀00#~38∀02#。

盆地总体上呈北东向展布,到小店以北变为南北向;地形总趋势为北高南低,四周高,中间低,自山区向盆地中心呈阶梯状下降,地面标高735~830m。

盆地位于暖温带的半干旱区,属大陆性季风气候,多年平均气温为9.8∃。

区内年均降雨量(1951 ~2000年)为259.8~655.0m m,年均蒸发量(1956 ~2000年)为1774.9m m。

盆地的地表水系较发育,受地形控制区内河流自北、东、西三面流入,其中汾河贯穿整个盆地,并将其分为东、西两部分。

盆地及其边山地区地下水种类齐全,岩溶、裂隙、孔隙地下水系统均有分布。

其中孔隙水系统位于盆地内,在结构上可概化为浅层孔隙水子系统与中深层孔隙水子系统,上述两个子系统之间被弱透水层(为不连续的粉土和粉质黏土,厚3~30m)分隔,有越流通过。

中深层孔隙水子系统的底界为新近系、古近系、石炭系、二叠系的隔水地层。

此次研究的主要对象为盆地浅层孔隙水,浅层孔隙水的主要补给来源为大气降水、地表及地下灌溉水回渗和盆地周边的侧向补给;主要排泄途径为开采、蒸发及向深层越流,而向区外的侧排量则很小,可忽略不计。

在天然条件下,区内浅层孔隙水的运动方向与地形基本一致,由盆地四周向中心汇流,最后流向盆地南部的排泄区一带。

目前,整个盆地内的地下水位变幅并不一致,一般中部平原区的水位变幅大于盆地四周和北部。

盆地浅层孔隙水的水第27卷 第2期2008年 3月地质科技情报Geolog ical Science and Technolog y InformationVol.27 No.2M ar. 2008*收稿日期:2007 09 24 编辑:刘江霞基金项目:国家自然科学基金项目(40702041);湖北省自然科学基金项目(2007ABA312);中凯矿业西藏矿产资源研究基金项目作者简介:蒋方媛(1977 ),女,现正攻读环境工程专业博士学位,主要从事地下水污染与防治方面的研究。

化学类型包括H CO 3 Ca 、H CO 3 Ca %M g 、H CO 3 Ca %Na 、H CO 3 M g %Ca 、H CO 3 M g %Ca %Na 、H CO 3 Mg %Na %Ca 、H CO 3 Na %M g 、H CO 3 Na 、H CO 3%SO 4 Ca %M g 、H CO 3%SO 4 Ca %M g %Na 、H CO 3%SO 4 M g %Ca %Na 、H CO 3%SO 4 Na %Ca %M g 、H CO 3%SO 4%Cl N a 、SO 4%H CO 3 Ca 、SO 4%H CO 3 Ca %M g 、SO 4 Ca 、Cl %H CO 3 Na %Mg 、Cl %SO 4 Ca %M g 、Cl %SO 4 Ca %Na 等,一般为总矿化度(TDS )小于1.5g /L 的H CO 3型或H CO 3 SO 4型水。

Guo 等[18]的研究表明,盆地浅层孔隙水为pH =6.0~8.8的中性水,其宏量组分中SO 2-4、Cl -、Ca 2+、Na +质量浓度变幅较大,分别为7.2~1257.0,9.8~1613.0,32.1~790.0,7.1~548.0mg/L 。

近年来,在工农业生产及人类生活排污的影响下,太原盆地某些地区的浅层地下水已经出现了污染。

典型的污染区处于太原市和介休市一带。

调查表明太原市浅层地下水在近20年来TDS 、总硬度、SO 2-4、Cl -、NO -3质量浓度均呈上升趋势。

介休市浅层地下水的TDS 、SO 2-4、Cl -、NO -3、F -等组分的最高质量浓度分别达8007.7,2132.0,2588.0,478.6,3.65mg/L,均大大超过饮用水标准。

2 研究方法此次研究拟采用DRAST IC 模型对太原盆地浅层孔隙水的脆弱性进行评价。

DRA ST IC 模型的使用应符合以下4个前提:&污染物从地表介入地下;∋污染物与入渗水(雨水)一起进入地下水;(污染物能溶于水;)评价区面积在4km 2之上。

发生在大型新生代断陷盆地的浅层地下水污染过程一般都符合以上条件,研究区太原盆地也是如此。

因此在此次研究中采用DRAST IC 模型。

DRAST IC 方法是最早的基于参数系统的地下水脆弱性评价模型,该方法于1987年由Aller 等为美国环境保护局(EPA )开发[19],已用于美国哥伦比亚、怀俄明等地区的40个县区的地下水脆弱性评价中,并被加拿大、南非等国采用。

DRAST IC 方法考虑以下7个指标:地下水位埋深、含水层净补给量、含水层介质、土壤介质、地形、包气带、水力传导系数。

以上各指标的评分范围均为1~10[19]。

每个指标可根据其对地下水脆弱性影响的重要性赋予相应的权重。

脆弱性得分D i 为以上7个指标的加权总和,可以用下式表示:D i =∗7j =1(Wj%R j )式中:D i 为DRAST IC 指数;W j 为因子j 的权重;R j 为因子j 得分。

DRAST IC 提供了两组权重系列,一组适用于普通条件下的地下水脆弱性评价,另一组则适用于强烈的农业活动区的地下水脆弱性评价。

根据DRAST IC 指数可以进行地下水脆弱性分区,DRA ST IC 指数越大,地下水脆弱性越高。

为便于脆弱性评价结果的展示,DRAST IC 模型的评价结果一般分为5个等级:极低脆弱性、低脆弱性、中等脆弱性、高脆弱性和极高脆弱性。

3 地下水脆弱性评分3.1地下水位埋深地下水埋深决定了污染物与包气带介质的接触时间,并控制着地表污染物到达含水层之前所经历的各种水文地球化学过程及物理化学过程,因而,它与污染物进入地下水系统的可能性密切相关。

通常地下水位埋深越大,地表污染物到达含水层所需时间越长,污染物在运移过程中被稀释的机会也越大,到达地下水系统的可能性越小,则地下水脆弱性越低。

在太原盆地,浅层孔隙含水层的地下水位埋深一般在30m 内(图1)。

在盆地边缘,地下水位埋深较大,一般在10~20m 间或大于20m;而在盆地中心,地下水位埋深较小,一般小于10m,局部地区仅2~4m 。

根据DRASTIC 模型的评分原则,盆地内孔隙水埋藏深度的最终得分在2~10间(图2)。

图1 地下水位埋深等值线图(单位:m)Fig.1 Contour map of groundw ater depth3.2含水层净补给量在DRASTIC 模型中,净补给量是指单位面积内从地表渗入到地下的水量。

补给水是污染物向含水层运移的主要载体,它不但在包气带中垂向传输98地质科技情报2008年图2 地下水位埋深评分图Fig.2 M apping for vuln erability scores of groundw ater depth污染物,还控制着污染物在包气带及饱和带中的弥散和稀释作用。

因此净补给量越大,地下水受污染的可能性也越大。

但当净补给量大到一定程度以致污染物被稀释时,地下水受污染的可能性将会减小。

对于太原盆地,净补给量主要由3部分组成:大气降水入渗量、地下水灌溉回渗量、地表水灌溉回渗量。

其中大气降水入渗量采用长系列降水资料(1951~ 1995年)按照地貌分区进行计算[20](结果见表1),地下水灌溉回渗量采用2004年的数据按照行政分区进行计算[20](结果见表2)。

太原盆地主要地表水灌区包括汾河灌区、潇河灌区、文峪河灌区、昌源河灌区。

但限于资料,此次研究仅考虑最大的灌区 汾河灌区。

汾河灌区的地表水灌溉回渗量同表1 盆地19个地貌分区的大气降水入渗量T able1 Recharg e induced by r ainfall in19mor pho log ic r egio ns o f the basin地貌分区大气降水入渗量/mm太原北郊汾河冲积扇96.8文峪河洪积扇88.5汾阳孝义冲积、洪积扇裙92.2龙凤河洪积扇及冲积平原95.6潇河洪积扇83.9昌源河洪积扇84.9太原西山倾斜平原63.7太原、清徐、交城西边山62.9汾阳、孝义倾斜平原46.1太原东山25.5榆次太谷祁县倾斜平原25.2祁县、平遥、介休倾斜平原24.5太原南郊汾河、潇河冲积平原63.7清徐冲积平原62.9太谷榆次清徐冲积平原51.9文水祁县汾河冲积平原53.1汾阳孝义冲积平原69.2平遥冲积平原61.3表2 盆地12个行政分区的地下水灌溉回渗量T able2 Recharg e induced by g ro undwater ir rig atio nin12administrat ive divisions of the basin行政分区回渗量/(104m3%a-1)行政分区回渗量/(104m3%a-1)太原市579.58孝义市269.66榆次市425.91太谷县707.02清徐县627.81祁 县402.70交城县250.44平遥县585.26文水县924.26介休市446.41汾阳县461.33阳曲县22.52样采用2004年的数据进行计算。