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江汉平原浅层地下水防污性能模糊综合评价与验证

张钧帅 汪丙国 刘天奇

张钧帅, 汪丙国, 刘天奇. 江汉平原浅层地下水防污性能模糊综合评价与验证[J]. 地质科技通报, 2020, 39(6): 154-164. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0617
引用本文: 张钧帅, 汪丙国, 刘天奇. 江汉平原浅层地下水防污性能模糊综合评价与验证[J]. 地质科技通报, 2020, 39(6): 154-164. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0617
Zhang Junshuai, Wang Bingguo, Liu Tianqi. Fuzzy comprehensive evaluation and its validation for shallow groundwater vulnerability in Jianghan Plain[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2020, 39(6): 154-164. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0617
Citation: Zhang Junshuai, Wang Bingguo, Liu Tianqi. Fuzzy comprehensive evaluation and its validation for shallow groundwater vulnerability in Jianghan Plain[J]. Bulletin of Geological Science and Technology, 2020, 39(6): 154-164. doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0617

江汉平原浅层地下水防污性能模糊综合评价与验证

doi: 10.19509/j.cnki.dzkq.2020.0617
基金项目: 

中国地质调查局项目 DD20190263

中国地质调查局项目 2019040022

国家自然科学基金项目 41772268

详细信息
    作者简介:

    张钧帅(1996-), 男, 现正攻读地质工程(环境)专业硕士学位, 主要从事地下水资源与评价方面研究工作。E-mail:445459769@qq.com

    通讯作者:

    汪丙国(1973-), 男, 副教授, 主要从事饱和-非饱和水流与溶质运移方面研究工作。E-mail:bgwang@cug.edu.cn

  • 中图分类号: X523

Fuzzy comprehensive evaluation and its validation for shallow groundwater vulnerability in Jianghan Plain

  • 摘要: 为开展江汉平原浅层地下水防污性能评价,以江汉平原沙洋-旧口地区浅层地下水为研究对象,针对传统DRASTIC模型评价指标存在关联性、权重主观性强、评分值缺乏连续性以及评价结果缺乏实测数据验证等缺点,考虑研究区实际条件,建立了基于改进DRASTIC模型的模糊综合评价模型,并利用研究区浅层地下水关键污染因子Cl-、NO3-和NH4+实测数据验证了模型的准确性和可靠性。该模型使用包气带黏性土厚度代替包气带介质指标,含水层厚度代替含水层介质指标、土壤饱和渗透系数代替土壤介质指标,采用全定量评价指标体系,评价指标更加客观、合理;采用三标度层次分析方法确定各评价指标权重,减少了传统DRASTIC模型人为确定权重的主观性;在改进的DRASTIC模型基础上,引入模糊数学理论,以隶属度函数代替传统DRASTIC模型固定评分值,克服了传统DRASTIC模型使用定额评分带来的不连续性。模糊综合评价结果表明:研究区浅层地下水防污性能整体表现为差-较差,占研究区总面积的76.53%。研究结果可为平原地区开展浅层地下水脆弱性评价提供方法参考,为江汉平原浅层地下水污染防治工作提供科学依据。

     

  • 图 1  研究区第四系地质及地理位置图

    Figure 1.  Quaternary geological map and location map of the study area

    图 2  研究区水文地质剖面图(根据文献[15]修改)

    Figure 2.  Hydrogeological profile of the study area

    图 3  改进的DRASTIC模型各指标分区图

    Figure 3.  Partition map of each estimation factor for improved DRASTIC model

    图 4  地下水防污性能评价结果验证图

    a.改进的DRASTIC模型;b.模糊综合评价模型

    Figure 4.  Verification of groundwater vulnerability estimation

    表  1  改进的DRASTIC模型各指标分级及评分

    Table  1.   Ranges and scoring of each estimation factor for improved DRASTIC model

    评分 地下水位埋深/m 包气带黏性土厚度/m 土壤饱和渗透系数/(cm·s-1) 净补给量/mm 含水层厚度/m 含水层渗透系数/(cm·s-1) 地形坡度/(°)
    1 > 6 > 9 (10-11, 10-8] (0,55] > 45 (10-4, 5×10-4] > 18
    2 (5,6] (8,9] (10-8, 5×10-6] (55,110] (40,45] (5×10-4, 10-3] (16, 18]
    3 (4,5] (7,8] (5×10-6, 10-4] (110,147] (35,40] (10-3, 3×10-3] (14, 16]
    4 (3,4] (6,7] (10-4, 5×10-4] (147,184] (30,35] (3×10-3, 5×10-3] (12, 14]
    5 / (5,6] (5×10-4, 10-3] (184,220] (25,30] (5×10-3, 10-2] (11, 12]
    6 (2,3] (4,5] (10-3, 3×10-3] (220,249] (20,25] (10-2, 5×10-2] (9, 11]
    7 / (3,4] (3×10-3, 5×10-3] (249,278] (15,20] (5×10-2, 10-1] (8, 9]
    8 (1,2] (2,3] (5×10-3, 10-2] (278,308] (10,15] (10-1, 5×10-1] (6, 8]
    9 / (1,2] (10-2, 1] (308,330] (5,10] (5×10-1, 1] (5, 6]
    10 (0,1] (0,1] > 1 > 330 (0,5] > 1 [0, 5]
    参考依据 文献[19] 文献[22] 文献[18] 文献[20] 文献[24]
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    表  2  三标度层次分析法比较矩阵K{ij}及间接判断矩阵D{ij}

    Table  2.   Comparison matrix K{ij} and indirect judgment matrix D{ij} of tri-scale analytic hierarchy process

    地下水位埋深 包气带黏性土厚度 净补给量 含水层厚度 含水层渗透系数 土壤饱和渗透系数 地形坡度
    地下水位埋深 1(1) 1(1) 2(2.091) 2(3.182) 2(3.182) 2(4.273) 2(5)
    包气带黏性土厚度 1(1) 1(1) 2(2.091) 2(3.182) 2(3.182) 2(4.273) 2(5)
    净补给量 0(0.478) 0(0.478) 1(1) 2(2.091) 2(2.091) 2(3.182) 2(3.909)
    含水层厚度 0(0.314) 0(0.314) 0(0.478) 1(1) 1(1) 2(2.091) 2(2.818)
    含水层渗透系数 0(0.314) 0(0.314) 0(0.478) 1(1) 1(1) 2(2.091) 2(2.818)
    土壤饱和渗透系数 0(0.234) 0(0.234) 0(0.314) 0(0.478) 0(0.478) 1(1) 2(1.727)
    地形坡度 0(0.2) 0(0.2) 0(0.256) 0(0.355) 0(0.355) 0(0.579) 1(1)
    注:括号外数值为比较矩阵K{ij},括号内为间接判断矩阵D{ij}
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    表  3  三标度层次分析法指标权重

    Table  3.   Index weight of three-scale analytic hierarchy process

    指标 地下水位埋深(D) 包气带黏性土厚度(I) 净补给量(R) 含水层厚度(A) 含水层渗透系数(C) 土壤饱和渗透系数(S) 地形坡度(T)
    权重 0.282 0.282 0.138 0.089 0.089 0.066 0.054
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    表  4  平均随机一致性指标RIn关系

    Table  4.   Relationship between average random consistency index RI and n

    n 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    RI 0 0.58 0.90 1.12 1.24 1.32 1.41 1.45 1.49
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    表  5  标准值矩阵及相对隶属度矩阵

    Table  5.   Standard value matrix and relative membership matrix

    级别 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
    地下水位埋深/m 9(1) 8(0.889) 7(0.778) 6(0.667) 5(0.556) 4(0.444) 3(0.333) 2(0.222) 1(0.111) 0(0)
    包气带黏性土厚度/m 9(1) 8(0.889) 7(0.778) 6(0.667) 5(0.556) 4(0.444) 3(0.333) 2(0.222) 1(0.111) 0(0)
    净补给量/(mm·a-1) 0(1) 55(0.833) 110(0.667) 147(0.555) 184(0.442) 220(0.333) 249(0.245) 278(0.158) 308(0.067) 330(0)
    含水层厚度/m 45(1) 40(0.889) 35(0.778) 30(0.667) 25(0.556) 20(0.444) 15(0.333) 10(0.222) 5(0.111) 0(0)
    含水层渗透系数/(cm·s-1) 0.000 1(1) 0.000 5(0.999) 0.001(0.999) 0.003(0.997) 0.005(0.995) 0.01(0.990) 0.05(0.950) 0.1(0.900) 0.5(0.500) 1(0)
    土壤饱和渗透系数/(cm·s-1) 10-11 (1) 10-8 (0.999) 5×10-6 (0.999) 10-4 (0.999) 5×10-4(0.999) 10-3(0.999) 3×10-3(0.997) 5×10-3(0.995) 10-2(0.990) 1(0)
    地形坡度/(°) 18(1) 16(0.889) 14(0.778) 12(0.667) 11(0.611) 9(0.500) 8(0.444) 6(0.333) 5(0.278) 0(0)
    注:括号外数据为各指标对于10个级别的标准值,括号内数据为各指标对极难污染级别的相对隶属度
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    表  6  地下水防污性能评价结果

    Table  6.   Results of groundwater vulnerability estimation

    模型 防污性能分区 较好 较差
    改进的DRASTIC模型 DI < 5.4 [5.4, 6.7) [6.7, 8.0) ≥8.0
    分布面积/km2 0.5 53.88 334.31 484.61
    分区面积占比/% 0.06 6.17 38.28 55.49
    模糊综合评价模型 F < 5.4 [5.4, 6.7) [6.7, 8.0) ≥8.0
    分布面积/km2 0 204.99 473.12 195.19
    分区面积占比/% 0 23.47 54.18 22.35
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    表  7  地下水防污性能评价分区水质点分布统计

    Table  7.   Distribution of water quality points for each partition in groundwater vulnerability estimation

    模型 分区统计/防污性能 较好 较差
    改进的DRASTIC模型 未污染类点数量及比例/% 1(100) 5(83.3) 12(17.1) 5(7.6)
    轻度污染点数量及比例/% 0 1(16.7) 12(17.1) 21(31.8)
    重度污染点数量及比例/% 0 0 46(65.8) 40(60.6)
    污染点数量及比例/% 0 1(16.7) 58(82.9) 61(92.4)
    模糊综合评价模型 未污染类点数量及比例/% / 13(81.3) 10(13.5) 0(7.9)
    轻度污染点数量及比例/% / 0 29(39.2) 5(9.4)
    重度污染点数量及比例/% / 3(18.7) 35(47.3) 48(90.6)
    污染点数量及比例/% / 3(18.7) 64(86.5) 53(100)
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    表  8  地下水防污性能评价分区水质点分布密度统计

    Table  8.   Density distribution of water quality point for each partition in groundwater vulnerability estimation

    模型 分区统计/防污性能 较好 较差
    改进的DRASTIC模型 分布面积/km2 0.5 53.88 334.51 484.61
    未污染点分布密度/(个·km-2) 2 0.093 0.036 0.010
    污染点分布密度/(个·km-2) 0 0.019 0.138 0.083
    模糊综合评价模型 分布面积/km2 / 204.99 473.12 195.19
    未污染点分布密度/(个·km-2) / 0.063 0.021 0
    污染点分布密度/(个·km-2) / 0.015 0.135 0.272
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  • [1] Aller L, Bennet T, Lehr J, et al.DRASTIC: A standardized system for evaluating groundwater pollution potential using hydrogeologic setting[R].U.S.EPA Report, 1987.
    [2] 乔萌萌, 杨洁, 周芮, 等.基于DRASTIC模型的地下水脆弱性研究综述[J].苏州科技大学学报:工程技术版, 2017, 30(2):3844. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SZCJ201702007.htm
    [3] 鄂建, 孙爱荣, 钟新永.DRASTIC模型的缺陷与改进方法探讨[J].水文地质工程地质, 2010, 37(1):103-107. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SWDG201001023.htm
    [4] 杨贵芳, 姜月华, 李云.基于DRASTIC模型的城市地下水脆弱性评价综述[J].地下水, 2012, 34(1):5-8. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DXSU201201003.htm
    [5] 张川, 唐蕴, 唐克旺.呼伦贝尔高平原地区浅层地下水脆弱性评价[J].水资源保护, 2016, 32(3):19-32. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SZYB201603004.htm
    [6] Zhou H C, Wan G L, Yang Q.A Multi-objective Fuzzy pattern Recognition Model for Assessing Groundwater Vulnerability Based on the DRASTIC System[J].Hydrological Sci., 1999, 44(4): 611-618. doi: 10.1080/02626669909492256
    [7] 袁建飞, 郭清海.湖北省钟祥市汉江河谷平原区浅层孔隙水的脆弱性评价[J].地质科技情报, 2009, 28(4):113-116. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/dzkjqb200904020
    [8] Balal O.Groundwater vulnerability assessment with using GIS in Hamadan-Bahar plain, Iran[J].Applied Water Science, 2019, 9(8):1-13. doi: 10.1007/s13201-019-1082-x
    [9] 贾晓青, 刘建, 罗明明, 等.基于改进的DRASTIC模型对香溪河典型岩溶流域地下水脆弱性评价[J].地质科技情报, 2019, 38(4):256-261. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DZKQ201904027.htm
    [10] Mohammadi K, Niknam R, Majd V J.Aquifer vulnerability assessment using GIS and fuzzy system:A case study in Tehran-Karaj aquifer, Iran[J].Environmental Geology, 2009, 58(2):437-446. doi: 10.1007/s00254-008-1514-7
    [11] Hallaq A H A, Elaish B S A.Assessment of aquifer vulnerability to contamination in Khanyounis Governorate, gaza strip—Palestine, Using the DRASTIC model within GIS environment[J].Arabian Journal of Geosciences, 2011, 5(4):1-15.
    [12] Edet A.An aquifer vulnerability assessment of the Benin Formation aquifer, Calabar, Southeastern Nigeria, Using DRASTIC and GIS approach[J].Environmental Earth Sciences, 2013, 71(4):1747-1765. doi: 10.1007/s12665-013-2581-y
    [13] Abdullah T O, Ali S S, Al-Ansari N A.Groundwater assessment of Halabja Saidsadiq Basin, Kurdistan region, NE of Iraq using vulnerability mapping[J].Arabian Journal of Geosciences, 2016, 9(3):1-16. http://smartsearch.nstl.gov.cn/paper_detail.html?id=8cbd5651e3139246e022fe7d18089e21
    [14] Neshat A, Pradhan B, Pirasten S, et al.Estimating groundwater vulnerability to pollution using a modified DRASTIC model in the Kerman agricultural area, Iran[J].Environmental Earth Sciences, 2014, 71(7):3119-3131. doi: 10.1007/s12665-013-2690-7
    [15] 马腾, 邓亚敏, 梁杏, 等.旧口-沔阳段地球关键带1: 5万环境地质调查报告[R].武汉: 中国地质大学(武汉)环境学院, 2018.
    [16] 童晨, 冯予诚, 尚睿华, 等.江汉平原地下水中铁的分布特征及其成因研究[J].水文地质工程地质, 2019, 42(7):197-205. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-FJKS201907031.htm
    [17] 蔡玲, 胡成, 陈植华, 等.江汉平原东北部地区高铁锰地下水成因与分布规律[J].环境科学与技术, 2019, 46(4):18-25. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SWDG201904004.htm
    [18] Ramos Leal J A, Noyola Medrano C, Tapia Silva F O, et al.Assessing the inconsistency between groundwater vulnerability and groundwater quality: The case of Chapala Marsh, Mexico[J].Hydrogeology Journal, 2012, 20(3):591-603. doi: 10.1007/s10040-011-0823-1
    [19] 张泰丽, 冯小铭, 刘红樱, 等.基于DRASTIC的丽水市地下水防污性能评价[J].地球与环境, 2012, 40(1):115-120. http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical/dzdqhx201201017
    [20] 付素蓉, 王焰新, 蔡鹤生, 等.城市地下水污染敏感性分析[J].地球科学, 2000, 25(5):482-486. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DQKX200005007.htm
    [21] 苏贺, 康卫东, 曹珍珍, 等.潜水含水层水动力弥散实验研究[J].水土保持通报, 2014, 34(2):84-85. http://www.cnki.com.cn/article/cjfdtotal-sttb201402018.htm
    [22] 刘长礼, 张云, 叶浩, 等.包气带黏性土层的防污性能实验研究及其对地下水脆弱性评价的影响[J].地球学报, 2006, 27(4):349-354. http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/dqxb200604010
    [23] 雷静, 张思聪.唐山市平原区地下水脆弱性评价研究[J].环境科学学报, 2003, 23(1):95-99. http://d.wanfangdata.com.cn/periodical/hjkxxb200301019
    [24] 王松, 管后春.基于MAPGIS和AHP的DRASTIC模型的合肥市地下水防污性能评价[J].西部资源, 2018(6):92-96. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-XBZY201806036.htm
    [25] 周惠成, 王国利.基于DRASTIC模型含水层易污染性模糊综合评价[J].大连理工大学报, 2001, 41(3):213-215. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DLLG200102025.htm
    [26] 许小薇, 马魁红, 邹上.基于AHP的模糊综合评价模型在地下水脆弱性评价中的应用研究[J].地下水, 2018, 40(5):1-4. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DXSU201805001.htm
    [27] 左军.层次分析法中判断矩阵的间接给出法[J].系统工程, 1988, 10(6):56-63. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFD1988-GCXT198806013.htm
    [28] 孟宪萌, 束龙仓, 卢耀如.基于熵权的改进DRASTIC模型在地下水脆弱性评价中的应用[J].水利学报, 2007, 38(1):94-99. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SLXB200701013.htm
    [29] 李绍飞, 孙书洪, 王勇.基于DRASTIC的含水层脆弱性模糊评价方法与应用[J].水文地质工程地质, 2008, 35(3):113-117. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SWDG200803025.htm
    [30] Seyedeh M J, Mohammad R N.Developing a fuzzy optimization model for groundwater risk assessment based on improved DRASTIC method[J].Environmental Earth Sciences, 2019, 78(109):1-16.
    [31] 廖启鹏, 陈茹, 黄士真.基于模糊综合评判与GIS方法的废弃矿区景观评价[J].地质科技情报, 2019, 38(6):242-250. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DZKQ201906029.htm
    [32] 郝静, 张永祥, 丁飞, 等.改进的DRASTIC模型在地下水易污染性模糊评价中的应用[J].水文地质工程地质, 2013, 40(5):35-39. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-SWDG201305010.htm
    [33] Ghazavi R, Ebrahimi Z.Assessing groundwater vulnerability to contamination in an arid environment using DRASTIC and GOD models[J].International Journal of Environmental Science and Technology, 2015, 12(9):2909-2918. doi: 10.1007/s13762-015-0813-2
    [34] Shirazi S M, Imran H M, Akib S, et al.Groundwater vulnerability assessment in the Melaka State of Malaysia using DRASTIC and GIS techniques[J].Environmental Earth Sciences, 2013, 70:2293-2304. doi: 10.1007/s12665-013-2360-9
    [35] 何军, 彭轲, 曾敏.江汉平原东北部浅层高铁锰地下水环境特征[J].华南地质与矿产, 2016, 32(3):258-264. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-HNKC201603008.htm
    [36] 邬建勋, 余倩, 蒋庆肯, 等.江汉平原高砷地下水与含水层沉积物的地球化学特征[J].地质科技情报, 2019, 38(1):250-257. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DZKQ201901028.htm
    [37] 於昊天, 马腾, 邓娅敏, 等.江汉平原东部地区浅层地下水化学特征[J].地球科学, 2017, 42(5):686-692. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-DQKX201705003.htm
    [38] 张婷, 陈世俭, 傅娇凤.四湖地区地下水"三氮"含量及时空分布特征分析[J].长江流域资源与环境, 2014, 23(9):1296-1299. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-CJLY201409016.htm
    [39] 沈帅, 马腾, 杜尧, 等.江汉平原东部浅层地下水氮的空间分布特征[J].环境科学与技术, 2018, 41(2):47-56. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-FJKS201802008.htm
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