岩溶地区地下水脆弱性评价方法研究

岩溶地区地下水脆弱性评价方法研究汇报人：张昕导师：何江涛——以淮北地区为例一研究背景二国内外研究进展三研究目标和研究内容四技术路线五实际工作进展六下步工作计划七预期成果研究背景近20年来，由于城市生活垃圾和工业“三废”的不合理处置，农业生产活动中农药、化肥的大量使用，全国地下水污染状况日趋严重。随着地下水污染的各种研究的深入，人们意识到地下水污染的复杂性、难以恢复性和高昂的治理成本。科学评价和保护地下水资源的意识逐渐深入人心。地下水系统脆弱性评价是为保护地下水资源免受污染或尽可能地少受污染这一目的的所进行的基础性工作,它根据不同的水文地质条件,结合人类的各种活动因素,选择适宜的评价理论和方法,编制地下水系统脆弱性分区图,规划地下水功能分区,为各级决策部门进行合理的开发利用,并有效地保护地下水资源提供科学依据。本项目依托于大调查项目《淮河流域平原地区典型污染场地调查及有关评价方法综合研究》国内外研究进展地下水脆弱性的概念：比较公认的有美国国家研究理事会定义：污染物自顶部含水层以上某一位置到达地下水系统中某一特定位置的趋势和可能性。美国环保署和国际水文地质学家协会的定义:“地下水脆弱性是地下水系统对人类和(或)自然的敏感性”。地下水脆弱性评价方法早期，地下水脆弱性评价方法主要有统计方法、迭置指数法。随着研究的深入、近几年陆续出现了过程数值模拟法、模糊数学综合评价法。与计算机技术结合，形成了基于GIS技术的脆弱性评价方法。也有部分学者采用多方法综合评价，重新分级的方式进行脆弱性评价。国外研究进展1999年，R.C.Gogu介绍了用迭置指数法进行脆弱性评价，并重点介绍了其中的GOD方法、DRASTIC方法、SEEPAGE方法、SINTACS方法和评价岩溶区的EPIK方法。2000年，TODDG.FRITCH等人在美国德克萨斯州进行脆弱性评价时，采用GRASS4.1软件编制脆弱性评价图，在评价方法的选取上采用了修改的DRASTIC方法。由于降水入渗量的难获取性和其重要性，根据评价区域的径流数据修改了补给量因子；综合考虑含水层上覆介质厚度、埋深和含水层本身的岩性确定了包气带影响因子。2001年，D.Daly等人在系统的阐述了欧洲方法和脆弱性图的概念，在此基础上用该方法评价岩溶含水层。2003年，RaduConstantinGogu等人在比利时的研究中，采用五种脆弱性评价方法（DRASTIC、GOD、EPIK、德国方法、ISIS）进行脆弱性评价，最终制作的脆弱性评价图结果各不相同。通过对上述五种评价方法的结果进行重新分级，得到了最终的脆弱性评价结果。作者认为并且只有基于物理的方法才可以检验其可靠性，未来的脆弱性评价方法应该合并这些方法。国外研究进展2005年，InsafS.Babiker在日本岐阜进行研究中采用基于GIS的脆弱性评价方法，对图件的移动敏感性和单因子敏感性进行分析，得出了适合该地区的评价权值分配。同年，B.Dixon运用基于GIS的建模技术进行了脆弱性评价。2007年，ChristophNeukum在德国南部做脆弱性评价的过程中，采用GLA、EPIK、DRASTIC、PI四种方法分别进行了脆弱性评价，编制脆弱性评价图。并对四种方法采用标准化分级的方式对脆弱性评价结果进行标准化，取得了良好的效果。2008年，PedroMartínez-Santos在西班牙开展工作的时候就选取了数学建模的办法进行脆弱性评价。2009年，XiaohuWen和DhundiRajPathak采用基于GIS技术的脆弱性评价方法分别在张掖盆地和加德满都山谷进行了研究。国内研究进展钟佐燊提出了评价潜水的DRTA模型和评价承压水的DLCT模型。宋峰在冀东平原进行研究时，采用土壤有机质替代了DRASTIC方法中的S（土壤介质类型）因子；同时在考虑地下水中的咸水体的影响下，加入了距咸淡水分界线的距离因子；由于全区地势平坦，地形变化不大而舍去了地形因子。最终形成了新的方法。雷静和姚文峰分别于2003年和2009年在唐山地区进行过程数值模拟法的脆弱性评价。雷静利用HYDRUS模型进行数值模拟确定因子评分体系，然后利用多元统计分析中的主成分分析和因子分析方法确定评价因子权值进行综合评价。姚文峰选择Monte-Carlo随机模拟结合过程模拟模型LEACHM进行包气带范围内的脆弱性评价。采用三维数值模型结合BP神经网络的方式进行饱和带范围内的地下水脆弱性评价。最后将二者联合起来，完成整个地下水系统的脆弱性评价。贺新春、杨维等人进行了运用层次分析法进行了脆弱性评价的权值确定研究；刘仁涛、姜蕊云、孟宪萌等人进行了运用熵权法的脆弱性因子权值确定的研究。姜桂华、方樟等人进行了模糊数学综合评判的研究。脆弱性评价小结1.迭置指数法低成本、数据易获取、结果表达直观。区域性的脆弱性评价研究中可以很好的表现出评价区域的脆弱性分区趋势。但该类方法往往概化描述一些因子来反应脆弱性。这种粗线条的描述影响了评价结果的准确性。2.过程数值模拟法的精度较高，能够客观真实的反应出地下水系统本身的脆弱性，但是运用过程数值模拟法所需要的数据量很大，限制了其发展。在未来的研究中，应寻求建立一套对数据依赖性较低的模型，以提高该类方法的推广程度。3.模糊数学综合评价法避免了主观人为因素，使评价结果更符合客观实际，是一类比较好的评价方法。但其评价结果的准确性依赖于各种数学模型的建立。这类方法要求在未来工作中加强污染物运移的数学模型方面的研究，使评价方法选取的数学模型更符合水文地质条件。脆弱性评价小结4.基于GIS技术的评价方法结合了当今比较先进的计算机技术，取得了一些成果。但是在方法研究中往往未能形成一套通用的评价方法，因而限制了GIS技术在方法研究中的作用。在今后的研究中应该侧重于从基本理论出发，研究出具有推广意义的脆弱性评价方法。5.目前做脆弱性评价结果验证的研究并不多见。RaduConstantinGogu和ChristophNeukum研究的结论应得到足够的重视。个人认为针对同一地区，可以用上述二人的研究手段进行脆弱性评价验证。这一做法虽然繁琐，却有利于获得更加符合实际的评价结果，值得尝试。研究目标选取淮北地区为典型实验场地，在系统总结国内外地下水脆弱性评价方法的基础上，研究改进提出适合我国水文地质条件和数据资料基础的地下水脆弱性评价方法、评价模型和评分体系。进行脆弱性评价结果验证的研究，提出脆弱性评价验证的方法。研究内容1、在淮北地区进行基本的脆弱性评价：分别采用DRASTIC方法和PI方法进行评价，以此作为下一步验证工作的基本素材。2、建立简单迭置模拟法的基本理论模型：只考虑吸附作用，分垂向和水平向进行公式推导并迭置，得到最后评价结果。3、将理论模型代入淮北地区进行评价，制作脆弱性评价图。4、方法验证：以基本脆弱性评价结果为素材，对评价结果进行重新分级，以分级结果作为最终的验证结果，进而验证并修订简单迭置模拟法。本次研究方案设计：简单迭置模拟法评价方法的基本理论评价方法的基本假设及理论模型评价方法的因子选择及模拟过程简述评价方法的验证研究研究流程图评价方法的基本理论质量守恒定律：用来描述污染物在固相和液相分配的基本等式。吸附理论：用来描述污染物在包气带和含水层中的吸附行为，确定某一点某一时刻污染物的固相和液相含量。达西定律：描述含水层中地下水的流动，是污染物在含水层中运移的基本动力条件。越流理论：描述承压水和潜水的水力联系。评价方法的基本假设1、污染物从地表随降雨入渗进入地下水系统。2、污染物随水迁移，并在迁移的过程中只受吸附作用的影响。3、物染污在地表分布均一。理论模型评价方法的因子选择及模拟过程简述简单迭置模拟法的影响因子即为数值模拟时的各种边界条件。因子以资料易于获取作为前提，对于难以获取的因子可以采用替换或者提出经验值对照表以供参考。简单迭置模拟法的数值模拟过程分为水平向和垂向两部分进行。在垂向是以质量守恒定律为基本等式，迭加污染物的吸附理论，最终得出污染物到达评价目标层位的具体时间或含量。而含水层间的越流作用则根据水头差作为一个正向或者负向的影响因子存在，同时在垂向模拟中进行考虑。在水平向则是达西定律与吸附理论的迭加，得出的最终结果同垂向。最终的评价结果则是垂向和水平向的迭置结果。具体的迭置手段正在思考中，尚未形成有效的迭置手段。评价方法的验证研究本次项目还在方法的有效性验证的方面进行一些研究。由于缺乏淮北地区的深层岩溶水的氮元素污染数据和氮元素本底值，本项目从客观上无法采用氮元素分布作为评价方法是否有效的验证。本项目将根据国内外的研究成果，采用多方法之间的对比验证的方式进行脆弱性评价的方法验证。针对典型差异区，为保证验证的可靠性，采用污染物数值模拟的对比验证方式评判评价方法的优劣。研究流程图模型推导过程结果验证过程收集资料DRASITC评价PI方法评价评价结果标准化分级制作最终评价结果图模型结果对比验证确定理论模型、假设条件垂向理论公式推导水平理论公式推导根据收集资料进行计算迭加两个方向的结果根据计算结果成图研究区范围及交通位置N：33°44′53″-34°00′17″E：116°44′21″-116°59′38″研究区属淮北平原一部分：除北部低山丘陵外，其余为广阔平原。西北高，东南低，自然坡降为五千分之一左右。平原河网发育，河流流向与地形坡降一致。属于季风暖温带半湿润气候多年平均降雨量857.40mm，年平均温度14.5℃。区内地表水体是一些过境河流和采煤塌陷集水区。河流属于淮河水系。较大的河流有新沱河（新汴河）、新濉河、王引河、岱河。研究区的地质情况地层：区域地层隶属于华北准地台鲁西地层分区、徐宿构造小区。全区缺失前震旦系、震旦系上统栏杆群、上奥陶统、下石炭统、上三叠统、侏罗系等，区内共划分36个组、段级地层单元，总厚度约5710-7514m。水文地质区包括淮北东北部低山丘陵和淮北平原两个水文地质区的一部分。低山丘陵岩石裸露，主要由寒武-奥陶系碳酸盐岩构成；平原和谷地由第四系组成。第四系及下伏上第三系松散层堆积物，沿山麓和谷底主要为残坡积及洪坡积成因，以粘性土为主，夹有薄层砂。在平原区以洪积、冲击湖积成因类型为主，砂层重叠，具有多层结构特征。厚度自几十米至百余米不等，最厚约200米。研究区的水文地质情况现阶段工作进展目前基本完成淮北地区资料收集工作。收集资料:近两年项目组的取得的工作成果水文钻孔资料27孔、基岩地质剖面4条、水文地质剖面8条、水文地质报告2份、相关图件8张当地20年降水资料和2008年水力专报、淮北市统计年鉴（2000年-2007年）获得了淮北地区的地下水埋深、补给、含水层性质、土壤、包气带等数据。基本脆弱性评价情况进行了基本脆弱性评价。目标层位为碳酸盐岩裂隙岩溶水，采用DRASTIC方法，编制了淮北地区地下水脆弱性图。因子选择如下：地下水埋深D：根据收集的水文钻孔柱状图读出，分级采用DRASTIC方法的分级进行。选取地下水埋深40米为承压界限，埋深大于40米按照承压水处理。净补给量R：根据收集的淮北市统计年鉴和2008年水利专报计算得出降雨量，然后按照区域报告中给定的经验降雨入渗系数（10%）进行计算。针对承压水，净补给量选取最小值为1。含水层介质A：统一选取为碳酸盐类含水层，取值为10。土壤S：根据收集的水文钻孔柱状图读出，分级采用DRASTIC方法的分级进行。基岩裸露区按照缺失对待，取值为10。脆弱性评价过程简述地形T：现有的资料缺乏地形因子，无法计算，因而忽略不计。包气带影响I：根据收集的水文钻孔柱状图读出，分级采用DRASTIC方法的分级进行。针对承压水，统一取值为1。渗透系数C：根据方法给定的经验值给定参数，统一为10。最终得出的计算结果：根据DRASTIC方法的公式求取DI值，然后对DI值进行百分化处理成图。单因子图埋深土壤包气带影响包气带影响（承压）脆弱性评价图脆弱性评价图（承压）下步工作计划本次研究计划进行一年，共