地下水脆弱性评价进展与存在问题探讨

地下水脆弱性评价进展与存在问题探讨摘要：本文对地下水脆弱性概念做了初探，并针对目前对地下水脆弱性评价方法、指标选择与评价体系做了系统的归纳与综述。

就目前该研究方法存在问题做了深入研究剖析并指出了该方法未来研究方向。

关键词：地下水脆弱性；概念；进展中图分类号：q81 文献标识码：a1前言世界淡水总量中有21%为地下淡水。

近年来由于人类活动引起的与地下水有关的环境问题日益严重，尤其是在城市和工矿地区，由于人口剧增，城市建设发展，工业废水的排放以及农业中大量使用农药化肥所引起的地下水质恶化，地下水超采致使不洁的地表水入侵，已严重影响到地下水的水质，并危及人类的健康。

污染物进入地下水系统这一过程相对缓慢，地面污染物对地下水的污染要经过较长时间才能显示出来，所以地下水的影响也相对迟钝且比较隐蔽。

虽然在污染物通过土壤入渗的过程中存在各种自净效应，但是地下水一旦被污染，其水质的恢复将极为困难。

当今世界，防治保护地下水资源是十分重要和必要的，地下水环境工作的重中之重就是地下水脆弱性的科学合理评价。

在地下水脆弱性评价中，不但可以区别不同地区地下水的脆弱程度，还能确定地下水脆弱范围，这样可以提前预警预告地下水资源，也可以提前做到防治保护及时采取保护措施。

通过文献检索，发现对地下水污染脆弱性评价的方法诸多，例如数值模型法、参数系统法、水文地质背景值法等等。

应用效果较好和比较广泛的方法是drastic 方法，该方法简便、易于操作。

比如，在drastic指标体系基础上，选取了地下水埋深、补给量、包气带岩性、含水层渗透系数、含水层厚度、地下水开采量这六个因子作为评价依据。

应用arcgis空间分析工具，将上述参数分区根据每个指标因子权重进行叠加分析，从而能够得到各个指标因子评分的加权和，这就是地下水污染脆弱性指数。

得到的地下水污染脆弱性分区，能够比较好地反映出研究区地下水系统实际情况，可以根据评价结果将地下水系统分为极度脆弱性区、严重脆弱性区、一般脆弱性区和相对脆弱性区几个等级。

对于严重或极度脆弱性的地区正是地下水污染已经比较严重或亟待预警防护的地区。

关于脆弱性的评价还是一个比较新的领域，不管是评价因子的确定还是评价方法的选择都有很大的研究前景。

2地下水污染脆弱性评价的相关理论2.1 地下水污染脆弱性概念及含义首次提出地下水脆弱性研究的学者是marget，他在一篇关于地下水脆弱性研究的文章提到地下水脆弱性的概念。

不过，通过研究，可以这样说：是人类社会对日益加重的水质污染成为了“地下水脆弱性”的驱动力之一。

特别是近几十年来，在环境污染日益严重的今天，环境问题已成为制约人类社会发展的三大问题之一。

随着人类社会的发展，地下水脆弱性概念也在不断改变，丰富，完善以及发展。

例如，学者foster和hirate提出：地下水的脆弱性是含水层上覆的土壤和包气带的自然属性的函数，与地下水的危险性有区别，地下水的危险性是含水层天然脆弱性和人类活动产生的污染负荷的函数。

还有学者将地下水脆弱性定义为“防污性能”，即地下水抵御人为污染的能力。

而国际水文地质协会和美国环保局给出的定义则是：地下水脆弱性即为地下水系统对于人类干扰和自然变化表现出的敏感性(sensibility)。

直至目前，被普遍公认的地下水脆弱性概念为1993年美国国家科学研究委员会提出的：地下水脆弱性是污染物到达最上含水层顶板的某特定位置之可能性和倾向性。

他们还将地下水的脆弱性划分为两大类，即为本质脆弱性和特殊脆弱性。

本质脆弱性就是在未收到人为扰动（人类活动及污染）的情况下，仅仅考虑地下水系统的水文地质条件时所表现出的脆弱性强弱；特殊脆弱性则是当地下水系统受到某种污染或人类干扰活动之后表现出的脆弱性。

两者的差别就是在于是否受到扰动。

截至目前，尚未能提出一个明确统一的地下水脆弱性定义，我们可暂时将地下水脆弱性理解为，受到人类扰动干预情况下，地下水表现出的抗击污染的能力，即地下水污染脆弱性。

其实，提到评价地下水脆弱性评价，不但要考虑水质也要考虑到水量的多少问题。

水质方面能够反映地下水系统对于人为干扰和污染而表现出的抗污能力；而在水量方面，能够反映出由水量变化而带来的一系列水环境方面变化的负效应问题，如地面沉降、海水入侵等，这是地下水开发利用脆弱性问题。

本次研究主要针对污染脆弱性进行研究的。

地下水脆弱性不是绝对属性量，换句话说，并非地下水脆弱地区就是一定会在地下水环境上产生不良后果。

同理，即便不是脆弱地区，当人为干扰或污染达到一定强度时，地下水系统必然也会随着遭受破坏的程度而变得脆弱起来。

通过以上概念的解析，我们可以把地下水脆弱性初步定义为：地下水脆弱性是地下水系统的一个固有特性，它是指地下水由于自然条件变化和人类活动影响遭受破坏带来一系列环境问题的敏感程度，它综合反映地下水系统面对自然和(或) 人类活动影响的应变能力，是一个不可衡量的相对属性值。

同生态和环境系统相类似，不稳定性和对外界干扰的敏感性是地下水系统脆弱性的最显著特征，突出表现为系统在受到外界干扰时朝着不利于系统自身和人类开发利用的方向发展。

脆弱性与稳定性是相互矛盾的两个方面，所谓稳定性是指，当地下水系统受到干扰的情况下，地下水系统所表现出的靠近平衡点的能力和经干扰后的恢复能力。

根据上述理解，地下水系统脆弱性的内涵应四个方面，其中包括：（1）反映地下水系统的结构、功能、受变和受变量，即变性的难易性；（2）当地下水系统遭受外界干扰条件下，其结构、功能反应强度和速度，即其敏感性；（3）是受到干扰后，地下水系统本身能够恢复初始状态的能力，即地下水系统的恢复力和对外界胁迫的承受能力（弹性）；（4）是地下水系统受外界胁迫后其功能或自然生产变动状态，即系统响应外界胁迫的破坏能力。

2.2 地下水污染脆弱性评价指标及评分体系的确定2.2.1 地下水污染脆弱性评价指标体系由于地下水系统为一套开放系统，因此地下水系统与人类活动等外部因素的关系即密切又复杂，地下水脆弱性评价是一个较为复杂的问题。

地下水脆弱性评价分为本质脆弱性和特殊脆弱性两类。

本质脆弱性评价是地下水脆弱性评价的基础，它与地下水系统本身内部因素紧密而不可分，是地下水系统本身属性。

在评价本质脆弱性时，主要考虑自然因素指标，如含水层厚度、包气带岩性、埋藏深度、水力条件等等，考虑特殊脆弱性时主要需要考虑到人为因素指标，如土地利用、人口密度、污染负荷等等。

脆弱性评价指标体系如图1所示。

图1 地下水脆弱性评价指标体系值得一提的是，由于涉及指标涵盖过多，工作量巨大，有些指标（如土壤的成分、黏土矿物含量）在区域性评价中取值比较困难，因此以上所列的庞大指标体系，在实际应用中缺乏可操作性。

此外，当评价体系所涉及的指标越多，指标之间的内在关联越复杂，这样很容易造成指标之间相互重叠考虑或存在相互包容现象（如含水层的渗透系数、给水度、弹性释水系数、越流系数与含水层岩性密切有关）。

与此同时，评价系统中涉及指标过多，势必会屏蔽或弱化一些主要指标因子的影响。

因此，地下水系统脆弱性评价指标体系应该针对研究区的自然地理背景、地质及水文地质条件、研究目的、范围以及特殊的污染和人类活动方式等方面来选取针对本区自身的一套评价指标，必须考虑到指标体系系统性和可操作性，从而能够建立起一套具有针对性的客观、系统、易操作的指标体系，有关数据数量和质量也是不得不考虑进去的。

地下水脆弱性评价的关键正在于此。

2.2.2地下水脆弱性评价方法在脆弱性评价方法上多层次、多指标、大系统的评价方法有很多，它们都可以用来计算地下水系统开发利用的脆弱性强度，其中，比较成熟的方法是背景值法、参数系统法、关系分析法、过程数学模拟法等。

例如，参数系统法是一种常用的方法，是在选定具有代表性参数的基础上来建立一个参数系统，每个参数被赋各自权重，该权重直接反映出各参数与地下水脆弱性的关联程度。

背景值方法是选取与目标研究区条件相当，且对地下水脆弱性已经评价完毕的地区来进行比较，以此来对目标研究区进行脆弱性评价的方法，该法多为定性或半定量化评价。

数值模型法和相关分析法需要依靠数学公式，比较适用于具有足量可靠数据的研究区域。

相对而言，以上评价方法中，参数系统法简单易于掌握，指标数据易获取，是目前最常用的一种方法。

但存在的缺陷是，缺乏统一的评价标准，对于指标分级和评分以及脆弱性分级尚无统一的规范，受到主观随意性影响，对于应用此方法的评价结果往往缺乏地区之间的可比较性。

对于过程数学模拟法也存在其弊端，主要在于需要充分认识污染质在地下环境的行为的机理，并且需要掌握研究区域足量水文地质数据和水位运移方面相关数据，方可以发挥过程数学模拟的潜力和优势。

近些年来，随着gis技术的广泛应用，诸多学者开始利用基于3s技术的污染过程模型对地下水的脆弱性评价展开研究。

这也是未来地下水脆弱性评价的发展研究方向和趋势。

drastic评价方法是集成了40多位水文地质学专家的经验，由美国水井协会（nwwa）和美国环保局（usepa）于1985年合作开发而成的。

drastic评价方法是近来在国内外使用比较普遍广泛的方法。

基于gis技术，该方法已经被比较广泛的应用于对地下水系统的保护与决策。

如，利用gis进行地下水监测网的规划与设计，进行废弃物填埋场地的选址，对地下水系统污染方面的评价与控制以及饮用水水源地保护等。

drastic 评价方法作为一种指标体系中，每个字母代表分别代表着地下水埋深（depth to the watertable）、含水层的净补给(recharge)、含水层的岩性(aquifer material)、土壤类型(soil type)、地形(topography)、包气带的影响(impact of aeration)、含水层渗透系数(conductivity of aquifer)。

此评价方法是根据其中各个参数对地下水脆弱性影响的相对重要程度，结合研究区的特殊性给予一个固定的权重而构成权重体系，再根据每个参数的变化范围或其内在属性划分为若干的范围，每个范围给予一定的评分构成评分体系。

最后由各参数评分加权和表征地下水脆弱性指数。

脆弱性指数越大，相应区域的相对地下水脆弱性就越高，该区域的地下水相对越容易遭受污染。

如果借助gis工具来输入、储存、处理和显示地理参数，过程比较简单，具体操作过程可参看图2。

图2 借助于gis的drastic指标图计算示意图（椐姜志群）drastic指标=d指标值*权重+r指标值*权重+a指标值*权重+s 指标值*权重+t指标值*权重+i指标值*权重+c指标值*权重3存在问题及未来发展方向目前，国内外对地下水脆弱性研究已经进行了大量的研究工作，目前仍然存在如下几方面问题：首先，对地下水脆弱性概念缺乏明确统一的概念；其次，受到可获数据数量和质量的限制，很难对定性和非定性两方面信息的表征方法，从而导致评价方法本身具有的非确定性；第三，难以对地下水脆弱性评价有效性的方法。