AHP在地下水防污性能評價中的應用—以江蘇淺層孔隙地下水為例

黃曉燕，李 朗，姚炳魁

(江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院，江蘇 南京 210018)

由于人類活動的長期影響，在全世界范圍內(nèi)地下水環(huán)境均表現(xiàn)出不同的惡化趨勢。江蘇省也不例外，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，部分地區(qū)地表水環(huán)境污染嚴重。淺層地下水與地表水聯(lián)系密切，一旦被污染，其水質(zhì)恢復將極為困難且成本高昂［1］。因此，開展地下水防污性能評價可為相關職能部門保護地下水資源提供參考，防患于未然。DRASTIC評價模型是目前較為通用的地下水防污性能評價方法，但傳統(tǒng)的DRASTIC模型的指標專家賦權重值過于主觀化，且指標存在功能重疊的弱點，其評價結果不甚客觀［2］。因此，本次研究引入相對客觀的層次分析法(Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP法)進行權重計算［3］，并對DRASTIC模型評價指標體系進行改進，提高了評價的精確度和科學性。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)江蘇省橫跨東經(jīng) 116°18'～121°57'，縱跨北緯30°45'～ 35°20'，總面積約 10.26 萬 km2。松散巖類孔隙水是江蘇省的主要地下水類型，主要分布于長江三角洲平原、淮河下游蘇中平原、淮北平原和南四湖平原等地區(qū)的松散堆積層中，具有分布廣泛、含水層次多、厚度變化大、水質(zhì)復雜、富水性較好等特點。根據(jù)含水砂層的成因時代、埋藏分布、水力聯(lián)系及水化學特征等，自上而下可依次劃分為孔隙潛水、第Ⅰ、第Ⅱ、第Ⅲ、第Ⅳ、第Ⅴ承壓六個含水層(組)，埋深在60m以淺水力聯(lián)系緊密的潛水含水層和第Ⅰ承壓含水層所組成的淺部孔隙含水層是本次研究對象。

2 防污性能評價

基于DRASTIC評價方法，提出了符合研究區(qū)水文地質(zhì)特征的地下水防污性能評價模型—DRAVT模型。

2.1 評價指標選定及影響機理

地下水天然防污染性能反映了在一定的地質(zhì)、水文和水文地質(zhì)條件下，人類活動產(chǎn)生的所有污染物進入地下水的難易程度，因此其與水文地質(zhì)本質(zhì)因素如土壤介質(zhì)、包氣帶介質(zhì)、含水層介質(zhì)、水動力條件、地下水補給條件、地形等有關。

水位埋深(Depth to water－table):淺層地下水水位埋深決定了包氣帶厚度，即地表水進入含水層所經(jīng)歷的下滲距離。地下水水位埋深越大，污染物與土層介質(zhì)的接觸時間越長，污染物經(jīng)歷的各種反應(吸附、降解等)充分，防污性能越好，可作為對防污性能影響較大的因子。

降雨入滲補給強度(Recharge):是指來自大氣降水以及人工補給的，能夠到達地下水面的水量。降雨入滲強度愈大，攜帶污染物進入地下水愈多，防污性能愈差。由于該指標易受包氣帶巖性影響，因此其作對防污性能影響較小的因子。

含水層富水性(Aquifer water－abundance):主要考慮淺層含水層對污染物的稀釋能力，富水性越大稀釋能力越強，可作為對防污性能影響影響較大的因子。

包氣帶巖性(Vadose lithology):包氣帶顆粒越細污染物遷移越慢，污染物與介質(zhì)接觸時間越長，吸附容量大，污染物經(jīng)歷的各種反應(吸附、降解等)充分，防污性能越好。包氣帶介質(zhì)影響是對防污性能影響最顯著的因子。

地形坡度(Topography):地形坡度大的地段地下水不易下滲，污染物易隨雨水流走而不易下滲，防護性能較好。該因子是對防污性能影響影響最小的因子。

2.2 指標評分及單元格劃分

參照 DRASTIC模型評分標準［4］，對指標不同分級進行評分(表1)。利用MapGIS軟件，對研究區(qū)按10 km×10 km網(wǎng)格大小進行單元剖分，每個單元作為獨立的評價單元，并對網(wǎng)格單元進行了編號，對5個評價指標項目按5個圖層進行單元格賦值，將評價指標依據(jù)各自的評分標準在其各圖層上賦予相應的評分，并形成各評價指標的評分。

2.3 基于AHP的指標權重確定

層次分析法是一種多方案或多目標的決策方法。本文結合江蘇松散孔隙地下水特征，提出了基于 AHP的權重層次分析圖?；?AHP的求解方法為［5］:(1)將5個評價指標進行對比，建立評價指標之間相對重要性的5階比較判別矩陣(表2);(2)計算判別矩陣的特征值，求出對應特征向量，進而求出各參數(shù)的權重(表3);(3)進行一致性檢驗。求得λmax=5，RI=1.12，CL=1.6 × 10－5，CR=1.4 × 10－5，CR ＜0.10，判斷矩陣具有滿意的一致性［6］，層次單排序結果有效可靠。

表2 指標重要性判別矩陣

表3 AHP判別的參數(shù)權重

2.4 防污性能計算

應用各評價因子評分及權重體系進行圖層間的疊加分析，可得到每個評價單元的地下水防污性能綜合指數(shù)，即防污性能綜合指數(shù)為各評價因子評分的加權和。

式中的各字母代表的評價因子如前所示，下標w表示權重，r表示評分。

表1 DRAIT參數(shù)等級評分表

運用建立的DRAVT評價模型，計算得到的研究區(qū)防污性能綜合指數(shù)為 1.1 ～8.79。

3 防污性能分區(qū)及結果分析

根據(jù)計算結果，將防污性能共分為4級:Ⅰ級，1.0～2.2，防污性能良好;Ⅱ級，2.2 ～ 3.0，防污性能較好;Ⅲ級，3.0≤V ＜3.6，防污性能一般;Ⅳ級，V≥3.6，防污性能較差。

3.1 防污性能良好區(qū)

分布于地勢較高、坡度較大、包氣帶巖性顆粒較細的丘陵崗地區(qū)，面積約0.13萬 km2。主要位于:盱眙南部丘陵區(qū)，該區(qū)淺層地下水富水性雖差(單井涌水量多小于100m3/d)，但包氣帶巖性為粉質(zhì)粘土，水位埋深3～10m，污染物即使入滲，遷移速度慢，與介質(zhì)接觸時間長，衰減顯著，故防污性能良好;泗洪天崗湖－歸仁崗地區(qū)，該區(qū)包氣帶巖性為粘土，且淺層地下水富水性較好(單井涌水量100～500m3/d)，稀釋能力較強，加之水位埋深大(北部為2～3m，南部地勢較高，水位埋深加深至3～7m)，地下水不易被污染。

3.2 防污性能較好區(qū)

分布面積約4.47萬 km2，該區(qū)主要特征是包氣帶巖性顆粒較細，富水性一般－較好。主要位于:徐州－連云港北部丘陵及山前平原區(qū)，該區(qū)包氣帶巖性為粉質(zhì)粘土，除連云港濱海平原水位埋深較淺(1～2m)，其它地區(qū)多在2m以上，淺層地下水單井涌水量多在100～500m3/d，沭陽、邳州等局部地區(qū)達500～1 000m3/d;環(huán)洪澤湖－高郵湖－里下河平原區(qū)，包括泗洪、洪澤、盱眙、金湖、高郵、興化、及寶應南部地區(qū)，包氣帶巖性為粉質(zhì)粘土，水位埋深1～2m左右，淺層地下水單井涌水量以100～500m3/d為主，洪澤湖東岸達500～1 000m3/d;寧鎮(zhèn)丘崗及山前平原區(qū)，該區(qū)包氣帶巖性為粉質(zhì)粘土，水位埋深在2m以上，單井涌水量多小于100m3/d;太湖平原區(qū)，該區(qū)包氣帶巖性為粉質(zhì)粘土，水位埋深多在1～2m，淺層地下水單井涌水量多在100～5 00m3/d。

3.3 防污性能一般區(qū)

分布面積約2.66萬 km2，主要特征是包氣帶巖性顆粒較粗，富水性一般－較好。主要分布于:蘇北廢黃河主河道高漫灘兩側區(qū)，呈東西向條帶狀，淮安以下呈喇叭口狀展開，北側擴至連云港，南側擴至鹽城，面積約1.68萬 km2，該區(qū)包氣帶巖性為粉質(zhì)粘土與粉土互層，多屬河流泛濫沉積，顆粒明顯細于高漫灘相，水位埋深在宿遷以西地區(qū)為2～3m，以東地區(qū)以1～2m為主(連云港地區(qū)僅有0.7～1m)，淺層地下水富水性較好，單井涌水量多在100～500m3/d，豐沛、淮安－建湖－漣水等局部地段達500～1 000m3/d;長江北部三角洲平原區(qū)，區(qū)內(nèi)包氣帶巖性以粉土為主(南通局部地區(qū)為粉質(zhì)粘土與粉土互層)，水位埋深2～3m，但富水性好，單井涌水量多在500～1 000m3/d，江都－泰州南部達1 000m3/d以上。此外，寧鎮(zhèn)山前平原滁河、秦淮河等河漫灘區(qū)，單井涌水量多在10m3/d左右，水位埋深多在2～3m，但包氣帶巖性較粗(以粉土為主)，防污性能一般。

3.4 防污性能較差區(qū)

主要位于廢黃河兩側高漫灘區(qū)、鹽城射陽－東臺沿海地區(qū)及儀征以上、揚中以下沿江兩岸，面積約1.61萬 km2。區(qū)內(nèi)富水性變化較大，單井涌水量在100～1 000m3/d不等，包氣帶巖性主要為粉土、粉砂，泗陽以西地區(qū)水位埋深以2～3m為主，其它地區(qū)多在1～2m，阜寧－射陽局部地段水位埋深小于1m。該區(qū)包氣帶巖性較粗，污染物下滲容易，是地下水防污性能較差的主要原因。

4 結語

針對DRASTIC方法在實際應用中存在的問題和研究區(qū)的實際情況，提出基于AHP的 DRAVT評價模型，該模型能夠真實地反映研究區(qū)地下水防污性能的主要影響因素及其權重，降低了評價指標間的干擾度以及人為主觀因素的影響，評價結果能較為客觀地反映區(qū)內(nèi)地下水的防污性能。

［1］黃曉燕，張素英，王曉梅，等.江蘇省地下水污染防治規(guī)劃［R］.南京:江蘇省地質(zhì)調(diào)查研究院.2008.

［2］鄂建，孫愛榮，鐘新永.DRASTIC模型的缺陷與改進方法探討［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì).2010，37:(1)，102 －107.

［3］Hendry Raharjo，Min Xie，Aamout C.Brombaeher.On modeling dynamic priorities in the analytic hierarchy proeess using compositional data analysis［J］.European Journal of operational Researeh，2008，194:(3)，834 －846.

［4］Linde Aller，Truman Bennett，Jay H，et al.DRASTIC:A Standardized System for Evaluating Ground Water Pollution Potential Using Hydrogeologic Settings.EPA/600/s2 －87/036，SEPT 1987.

［5］許樹柏.層次分析法原理［M］.天津:天津大學出版社.1986.

［6］李艷華.基于層次分析法的地下水脆弱性評價指標權重的確定［J］.山西水利.2010，6，79－80.