岩溶水系统含水层水量脆弱性与保护区分区评价
随着农业用地的扩张和大量使用化肥农药，引起地下水中硝酸盐、硫酸盐浓度升高和杀虫剂、六六六、DDT等含量显著增加，造成地下水水质恶化。工业化和城市化发展产生的“三废”，引起岩溶水的酸化以及水中氮、磷酸盐、氯化物、硫酸盐、重金属、有机溶剂、大肠菌群等污染物增加，造成污染。地下水污染问题早已引起了全世界的关注，同时也推动了地下水脆弱性概念的发展。在寻求解决地下水污染的方法的过程中，1968年Margat首次提出地下水脆弱性的概念，最初的定义称为“地下水对污染的脆弱性”[14]。之后许多学者从不同的角度给“地下水脆弱性”以新的定义。
Albinet与Margat(1970年)认为地下水脆弱性是在自然条件下，污染源从地表渗透与扩散到地下水面的可能性。Olmet与Rezac(1974年)则认为地下水脆弱性是地下水可能遭受危害的程度，这种危害程度由自然条件决定，而与现有污染源无关。
Vrana(1981年)则这样定义地下水脆弱性：地下水脆弱性是影响污染物进入含水层的地表与地下条件的复杂性。Villumsen等于1983年给予地下水脆弱性这样的定义：地下水脆弱性是应用中的或废弃于地表的化学物质对地下水的危害性。关于定义地下水脆弱性所应该考虑的因素，许多学者都提出了自己的看法。Vierhuff等于1981年认为定义地下水脆弱性离不开以下两方面：一是包气带的保护能力；二是饱水带的净化能力。他们进一步提出定义地下水脆弱性应着重考虑以下3个因素：含水层类型，含水层在水文地质循环中的位置，包气带性质。Gppsens与Vandamme于1987年在定义地下水脆弱性时，以同等重要的程度看待静态与动态因素。Klauco于1987年认为描述地下水流的变量是影响地下水脆弱性最重要的因素，而Friesel于1987年则认为补给量是至关重要的。Johnston于1988年认为地下水的脆弱性由地下水流系统，水文地质结构和气候3个要素确定。在1987年的“土壤与地下水脆弱性国际会议”上，专家们结合影响地下水脆弱性的内外因素提出了不少定义方式。一些学者给出了直接定义，一些学者则只是提出了定义地下水脆弱性应该考虑的因素。Foster认为地下水污染是由含水层本身的脆弱性与人类活动产生的污染负荷造成的。在此基础上，他提出了“含水层脆弱性”这一术语。
近十年来，大多数学者主张在定义地下水脆弱性时应该结合考虑含水层本身的易污染性和人类活动与污染源的影响。Bachmat与Collin认为地下水脆弱性是地下水质对现在或将来有害于地下水使用价值的人类活动的敏感性。他们进一步建议地下水脆弱性应该用特定化学成分相对于特定人类活动的浓度变化来表示。Sotnikova与Vrba则从水文地质的角度来考虑脆弱性问题，他们指出水文地质系统的脆弱性是这个系统对从时间和空间上影响它的状态与性质的外部(天然与人类活动)冲击的处理能力。Vrba于1991年将时间尺度引入到地下水脆弱性定义中。他认为地下水脆弱性相对人文历史时期来说是地下水系统的一个不变的本质特征，它依赖于这个系统消化自然演化和人类活动影响的能力。Plamquist于1991年这样定义地下水脆弱性：地下水脆弱性是人类活动或污染源施加于地下水的一种危险性度量。他同时指出，如果没有污染源与人类活动存在，即使最易污染的地下水也不可能受到污染，因而脆弱性就无从谈起。美国审计署于1991年应用“水文地质脆弱性”来表达含水层在自然条件下的易污染性，而用“总脆弱性”来表达含水层在人类活动影响下的易污染性。美国国家科学研究委员会于1993年给予地下水脆弱性如下定义：地下水脆弱性是污染物到达最上层含水层之上某特定位置的倾向性与可能性。但与此同时，这个委员会将地下水脆弱性分为两类：一类是本质脆弱性，即不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内部因素的脆弱性；另一类是特殊脆弱性，即地下水对某一特定污染源或污染群体或人类活动的脆弱性。
国内关于地下水脆弱性的研究开始于20世纪90年代中期，因而“地下水脆弱性”这一术语在国内出现的较晚。目前，国内学者引用水源地卫生防护条件评价的经验，多从水文地质本身内部要素的角度来研究地下水的脆弱性，因而多是研究地下水的本质脆弱性，至今尚没有明确的“地下水脆弱性”定义，定义多引用外文资料[15]。
本书所研究的也着重是岩溶水的本质脆弱性，主要由水文地质内部因素和其他相关的地质环境因素所决定。
岩溶地区由于存在地下空间及水文网，大气圈、水圈、生物圈都具有地表、地下双层结构特征。随着人口的快速增长，人类不合理的活动带来了一系列特殊的环境地质问题，如：石漠化、水土流失、旱涝交替、地面塌陷、矿坑突水等。以上不同类型的环境地质问题，均从不同侧面反映出了岩溶地块的高度渗透性。这种特性，使得地表的各种物质能够顺畅地进入到岩溶水赋存空间中，引起岩溶水的污染，这是岩溶水系统脆弱性较高的本质原因。
岩溶水的脆弱性，除了与岩溶含水层本身的固有水文地质属性有关，上覆岩土层地质特征(岩性、结构、厚度、透水性能等)、含水介质特征、地形地貌、岩溶水补给量以及植被覆盖度等也是起决定作用的自然因素。同时，不合理的人类活动对岩溶水脆弱性的影响也不容忽视。
岩溶含水层的盖层条件对岩溶水脆弱性的影响非常显著。岩溶含水层的上覆盖层通常为以下几种类型：一是固结的岩层；二是松散土层；三是处于裸露状态的岩溶包气带多空隙岩层。另外还有介于三者之间的过度类型。在岩溶含水层裸露情况下，大气降水、地表水容易通过落水洞、漏斗、竖井等通道集中灌入地下，在岩溶水获得补给的同时，当有污染源存在，也易造成岩溶水的直接污染。20世纪80年代，人类对工业“三废”随意排放，有的固体废弃物堆放场就选择于裸露的岩溶洼地中，而落水洞往往成为废水排泄口。如昆明化工厂，酸碱废渣、废水堆放场位于地表溶沟、洼地、落水洞发育的岩溶水补给区，对距堆放场最近的开采井取样分析，其水化学类型为SO4·HCO3-Ca·Na型， 含量最高达236.07mg/L，是该地区浅循环岩溶水平均含量的16倍，Na+含量为88mg/L，远远高于该地区浅循环岩溶水的化学背景值。而表层泉域多处于裸露或半裸露的岩溶石山区，岩石、水、生物和大气四圈的密切交互带，表层岩溶水与外界环境联系最为密切。所以它们都与外界水交替迅速，对外界影响非常敏感，水质变化频繁。岩溶含水层上覆岩层或松散土层，且它们的渗透性差的地区，岩溶系统的开放程度较低，地表水、大气降水对岩溶水系统的垂向入渗补给量减少，并且上覆盖层能够通过过滤、吸附等物理、化学作用，降解渗流污染物的浓度，有利于保护岩溶水。很多国家和地区的地下水脆弱性评价工作中，将含水层上覆土层和其他弱透水地层的厚度作为评价地下水脆弱性的重要特征参数，认为土层越薄，地下水的脆弱性越高。如：爱尔兰把岩溶分布区上覆土层厚度小于30m的区域都划为脆弱性极高的类型。我国西南岩溶石山地区是我国岩溶塌陷灾害重点发育区，仅广西、云南、贵州、四川和重庆5个省市区就发生岩溶塌陷859次，占全国的78%。研究表明：可溶岩中的岩溶发育情况、覆盖层性质以及水动力条件是控制岩溶地面塌陷形成的主要地质环境因素，而其中覆盖层的厚度和物理性质是关系到是否发生岩溶塌陷的关键因素。通常情况下，上覆盖层愈厚，透水性愈弱，则塌陷发生率愈低。塌陷一般都分布于上覆土层厚度小于30m的地段，在昆明地区的翠湖、海口、大板桥发生的岩溶塌陷，塌陷区上覆土层厚度一般为 0～10m。据对广西地区 614 处岩溶塌陷调查，76.55%的塌陷点位于上覆土层厚度为0～6m的岩溶区，94%的塌陷点出现在上覆土层厚度小于10m的地段。当然，岩溶塌陷的产生与否，还与土层的物理性质有很大的关系，有的地区尽管土层不厚，并未因此出现塌陷。岩溶塌陷不仅毁坏农田、公路和建筑物等，造成巨大经济损失，还可能使地表污染物直接进入地下，造成岩溶水的严重污染。岩溶塌陷造成的突发性岩溶水污染事故，如果不能被及时发现和处理，将会很快地造成岩溶含水层的大面积污染。如昆明肉联厂，因岩溶塌陷，位于塌坑旁排污沟中的废水，通过岩溶管道直接灌进岩溶水中，造成岩溶水中总硬度、细菌、三氮、Fe、Mn、COD等物质超标，污染了饮用水水源。因此，岩溶含水层上覆的土层和其他弱透水地层的厚度对岩溶水脆弱性影响最大，上覆一定厚度的土层和其他弱透水地层既能对污染物起到阻隔和过滤作用，还会降低岩溶塌陷产生的可能，从而保护下伏岩溶含水层。如果上覆盖层渗透性好，往往容易与下伏岩溶含水层发生水力联系，脆弱性也随之增高。
岩溶含水层的赋水空间类型及透水性对岩溶水脆弱性的影响也很显著。暗河、大泉系统岩溶含水层分异溶蚀突出，岩溶发育不均匀，地下溶洞、管道发育。降水既可以通过溶隙成面状入渗补给散流层，再汇入溶洞管道流；也可以通过落水洞、天窗、脚洞形成点状补给，直接灌入补给溶洞管道流。溶洞管道流流速极快，岩溶水的净化能力弱。如开远南洞暗河，其水中的细菌总数、大肠菌群以及Fe、Mn等污染指标，雨季含量明显高于旱季，与地表水相似。反映出溶洞管道流与大气降水、地表水联系密切，降水和地表水极易将地表的各种污染物带入到岩溶水中。溶隙扩散流主要分布于岩溶含水层被非可溶土(岩)层覆盖或埋藏、均匀溶蚀为主的岩溶盆地、槽谷、大型洼地底部和平原区，岩溶发育相对均匀，网状管道、溶隙为岩溶水的赋存及径流空间。岩溶水主要从裸露型岩溶含水层侧向径流及其他含水层(带)的越流获得补给，以二维平面渗透流的形式运动为主，岩溶水往往以泉、渗流带的形式排泄。由于溶隙扩散流岩溶水系统的开放程度远不及溶洞管道流系统，与大气降雨等自然和人为的环境因素联系相对较弱，卫生防护条件较好，不易受各类污染源的影响，其水化学组分较稳定，季节变化不明显，岩溶水的自净能力也较强，水质普遍较好。此外，一般往往随着岩溶水埋藏深度增大，水化学环境条件趋于封闭，水交替逐渐迟缓，其脆弱性会有所下降。
岩溶水的脆弱性与地形地貌条件有一定的关系。一般而言，地表水容易汇集的地区，同样易于聚集污染物，岩溶水容易形成污染；地表水快速径流的地区，污染物不易下渗污染岩溶水。此外，由岩溶山区到盆地、河谷底部，一般岩溶水从补给、径流区向排泄区运移，随着水力坡度减小，岩溶水径流沿程排泄，径流速度逐渐减缓。补给区水交替强烈，污染物能够很快被淡化和带走，岩溶水化学成分含量较低。而岩溶水的排泄区，往往是地形较平坦或较低洼的地带，岩溶径流逐渐汇集，水交替较缓慢，随着各种化学成分的积累，岩溶水中大部分化学成分含量往往较高。如云南泸西岩溶盆地，周围裸露型岩溶山地补给区，岩溶水水质较好，多为良好和较好级；盆地底部平坝覆盖型岩溶排泄—径流区，水质以良好为主，少部分为较好；下游裸露型岩溶河谷集中排泄带水质较差，主要因为地表水大量转化为地下水，受污染严重，大部分岩溶水已不适宜饮用。反映出在岩溶水的溶解与搬运作用下，污染物质逐渐向下游累积的趋势。
岩溶水补给量对其脆弱性也有一定的影响。大气降水是西南地区岩溶水的主要补给源，年降水量一方面决定着岩溶水系统中水及其溶解组分的输入和输出量，引起水质的变化；另一方面也影响岩溶水的开采量，一般情况下，丰水年岩溶水的人工开采量会减少，而枯水年由于岩溶水天然排泄量减少，人工开采量增加，水位降幅增大，受污染的机会也相应增大。
植被覆盖情况对岩溶水脆弱性的影响主要表现在两个方面：一方面，植被系统能够拦截滞留大气降水，减少地表径流，增加大气降水对岩溶水的有效补给，且与植物相关的根系通道、动物通道、结构性孔隙等在岩土体中形成的相对稳定的大孔隙系统还可以显著优化岩溶水的补给条件，增加渗入补给量[16]；另一方面，植被生态系统养分循环的各个过程能够过滤、吸收或吸附各种营养元素及污染物质，减少细菌数量，保护和改善水质，并减轻因水土流失造成的岩溶水污染。
不合理的人类活动对岩溶水脆弱性的影响主要是通过破坏生态地质环境来实现的。如：西南岩溶石山地区生态环境脆弱，有约25.03%的面积属于石漠化地区，从20世纪80年代至90年代末，西南岩溶石山地区的石漠化平均每年净增1650.26km2。岩溶生态环境的恶化，对岩溶水的脆弱性影响主要表现在以下几个方面：①植被涵养水源能力下降，地下径流变化幅度增大，表层岩溶泉流量减少或枯竭；②水土流失加剧，导致土壤颗粒及其所吸附的营养元素和农药易于转移到水中，既污染了水质又造成土壤肥力下降；③破坏土壤层，土壤层中的植物根系能够通过微生物、化学或物理作用有效的吸收和分解污染物，缺失土壤层，损坏了能够缓解和降低污染物浓度的过滤层，使岩溶水容易遭受污染。
张永忠 马振兴 杨永革 刘细元 陶木金 吕少俊 秦岩 王道英
（江西省地质调查研究院，向塘330201）
摘要：通过采用DRpASTIC评价模型对南昌市地下水脆弱性进行了评价，得出结论：南昌市赣江、抚河沿岸砂滩脆弱性高，防污性能极差；红谷滩新区、莲塘及八一桥的赣江分支地区，脆弱性较高，防污性能差；朝阳洲、扬子洲的河间地块，脆弱性中等，防污性能中等；凤凰洲、蒋巷及西北部冲沟地带，脆弱性较低，防污性能较好；老抚河以东地区和北西部岗间地带脆弱性低，防污性能好。对形成地下水脆弱性高－较高区的主要因素进行了阐述和分析。根据南昌市地下水脆弱性分区特点及污染源特征，对南昌市地下水污染防治提出了建议和对策。
关键词：地下水；脆弱性评价；南昌市
地下水具有水质好，水温稳定，不易受污染等特点，因此，它作为城市供水水源之一，显得越来越重要，尤其是在城市面临水质型缺水和季节性缺水时，它的作用显得尤为重要，然而，由于工业三废及生活废弃物的大量排放、农业区化肥和农药的大量使用，致使部分区域地下水受到不同程度的污染。有关资料显示：在南昌市老城区和人口稠密地区，其污染源主要为生活废水、生活垃圾和粪便污染物，污染物质主要是“三氮”有机污染和各种病毒细菌。区内第四系松散岩类孔隙水在南昌乳品厂、南昌农药厂和化工原料厂、外洲水文站一带已有不同程度的污染，主要污染因子有pH值、 Zn2＋、Fe、Mn2＋。红层地下水受污染地段主要分布在罗家集和外洲水文站，污染因子为 Fe、Mn2＋、Cl－、pH值、总硬度和溶解固形物，污染程度为中度－轻度污染。因此，开展南昌市城市地下水脆弱性进行评价，并在分析评价结果的基础上，识别地下水污染的潜在危险，可为科学制定地下水污染防治方案和有效实现地下水资源的可持续利用提供重要依据，具有重要的现实意义。
1 城市自然地理及环境地质背景
1.1 自然地理及研究区范围
南昌是江西的省会城市，地处赣（江）抚（河）下游冲积平原，北临我国最大的淡水湖－鄱阳湖。地势总体西北高、南东低，依次发育低山丘陵、岗地、平原，呈现层状地貌特征。以赣江为界，赣江西北部为构造剥蚀低山丘陵、岗地，赣江以东为河流侵蚀堆积平原，河湖港汊密布，辫状水系发育。本次研究区范围为南昌市城市规划区［1］范围：东起麻丘镇，西至梅岭；北起昌北机场，南至银三角（南昌县以南3km）。东经：115°46′27″～116°06′04″；北纬：28°30′48″～28°51′54″。总面积1248.0km2。
1.2 地层岩石构造特征
研究区地层有前震旦系、白垩系上统、古近系和第四系；出露有晋宁期、喜山期岩浆岩。南昌地处扬子地块与华南地块接合带北侧、扬子地块的南缘，地质构造复杂，断裂及其裂陷盆地均很发育。褶皱构造：区内基岩仅出露于赣江以西地区。除由前震旦系千枚岩组成一系列北东东至北东走向的次级紧密线状同斜褶皱外，白垩系上统—古近系，褶皱宽缓，呈近东西走向。区内断裂甚为发育，以北东、北北东，北西及北北西四组断裂为主，次为北东东和东西断裂。
1.3 含水岩组划分
根据含水岩（层）组的岩性特征，组合关系，贮水空间的形态及水力联系等划分为4个含水层：(1)第四系松散岩类孔隙含水层：第四系孔隙含水层由全新统、上更新统和中更新统冲积的砂、砂砾石层组成，三者水力联系密切，构成统一的含水层，水量丰富，补给来源有河水侧向补给，大气降水垂向补给和红层地下水越流补给。(2)古近系、白垩系“红层”溶隙裂隙含水层：以大气降水补给为主，富水性中等－弱。(3)前震旦系变质岩裂隙含水层组：地下水赋存于风化裂隙中，地下水以大气降水补给为主，富水性弱。(4)岩浆岩裂隙含水层：地下水以大气降水补给为主，富水性弱。
2 南昌市地下水脆弱性评价［2］
2.1 评价方法及评价因子的选取
根据南昌市的自然地理及环境地质背景条件等具体情况，我们采用DRpASTIC评价模型。选取地下水埋深（D）、降雨入渗补给量（Rp）、含水层介质（A）、土壤介质（S）、地形坡度（T）、非饱和带介质（I）、含水层渗透系数（C）7个参数作为南昌市地下水脆弱性的评价因子。
2.2 地下水脆弱性评价因子评分
（1）地下水埋深：地下水埋深决定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，并且提供了污染物与大气中的氧接触致使其氧化的最大机会。通常，地下水位埋深越大，地表污染物达到含水层所需的时间越长，污染物在途中被稀释的机会越大，污染物进入地下水的可能性就越小，
含水层被污染的程度也就越小。因此，根据地下水埋深对地下水污染程度的影响，结合地下水埋深，给出埋深范围及评分（表1）。
表1 地下水埋深评分表
（2）降雨入渗补给量：污染物可以通过降雨入渗补给垂向传输至含水层，并且在含水层内水平运移扩散。因此，补给量是污染物向地下水运移的主要载体，补给量越大，地下水受污染的可能性也就越大，地下水脆弱性越强。具体评分标准见表2。
表2 降雨入渗补给量评分表
（3）含水层介质：这里含水层介质指的就是含水层的岩性特征，含水层不同的岩性对污染物的降解能力不同，相同岩性的裂隙和层面的发育及岩石固结程度、颗粒大小、分选程度不同对污染物的降解能力也不同。一般来说，裂隙越发育越易污染；固结越好越不易污染；颗粒越大并较易冲刷越易污染；颗粒含量减少且分选性越好越易污染。具体评分标准见表3。
表3 含水层介质类型评分表
注：典型评分值为缺乏详细资料时使用。
（4）土壤介质：土壤介质通常为地表层（岩石风化带）岩性，其平均厚度为2m或＜2m。具体评分标准见表4。
表4 土壤介质评分表
（5）地形：地形控制着污染物被冲走或较长时间滞留于某一地表区域或渗入地下，它不但影响着土壤的形成，而且还影响着污染物的稀释程度。对于有利于污染物渗入的地形，其相应地段的地下水的脆弱性越高。当坡度0～2％时，污染物渗入地下的机会最大。反之，当地面坡度＞18％时，易于形成地表径流，而此时污染物渗入地下的可能性很小。其具体评分标准见表5。
表5 地形坡度评分表
（6）非饱和带介质类型：非饱和带介质的选择遵循如下原则：(1)选择对脆弱性程度最显著的介质；(2)对于多层介质存在时，应考虑各层介质的相对厚度，选择厚度最大的一层作为非饱和带介质；(3)须考虑各层介质脆弱性程度的大小，如当灰岩上层覆盖一层粘土和一层等厚度的较大的砂砾层时，从地下水污染的角度考虑，粘土是显著的控制层，因为粘土层限制污染物向含水层迁移，此时选择粘土层作为非饱和介质最恰当。承压含水层不考虑其上的覆盖层，其赋值为1；对于基岩介质，应考虑裂隙、层理和岩溶管道的发育程度，对于溶洞非常发育的灰岩介质，可赋10分；对于岩溶发育不好或连通不好的灰岩介质，评分应低一些，如9或8。具体评分标准见表6。
表6 非饱和带介质类型评分表
注：典型评分值为缺乏详细资料时使用。
（7）含水层渗透系数：渗透系数由含水层内孔隙的大小和连通程度所决定，渗透系数越大，地下水越易受污染，其脆弱性越高。具体评分标准见表7。
表7 含水层渗透系数评分表
2.3 地下水脆弱性评价因子的权重
在应用DRpASTIC法进行地下水脆弱性评价时，对于每一个评价因子均分别给定了一个相对的权重，其范围为1～5，它反映了各个评价因子的相对重要程度。对于地下水污染影响最显著的因子的权重为5，影响程度最小的因子的权重为1。
对于DRpASTIC模型中的各评价因子，其对应的权重数值为5、4、3、2、1、5、3。各评价因子权重见表8。
表8 DRpASTICa指标体系中各评价因子权重表
2.4 地下水脆弱性评价单元网格划分
根据南昌市的具体情况，我们采用网格法对其进行评价单元划分。我们采用的网格（评价单元）为0.5km×0.5km，这样，研究区（水域除外，以下类同）总共可以划分为3900个网格。同时结合已有各种图形资料，对评价因子状态有突变的单元进行人工调控，以确保单个评价单元中各评价因子状态具有相对均一性。
2.5 地下水脆弱性指数计算及脆弱性评价结果
根据地下水脆弱性各评价因子的权重，确定DRpASTIC地下水系统脆弱性指数由下式计算：DRpASTIC＝5×D＋4×Rp＋3×A＋2×S＋1×T＋5×I＋3×Ca，其中，D、Rp、A、S、T、I、C分别为单元网格中各评价因子的评分值。
根据以上地下水脆弱性评价方法，首先利用GIS软件生成各评价因子的评分图，然后按各个评价因子的相对权重值进行图层间的叠加分析和统计计算（利用DRpASTIC地下水系统脆弱性指数计算公式），得到各评价单元的地下水脆弱性指数（即各评价因子的加权和，在22～200之间），南昌市地下水脆弱性单元网格评价结果见表9。再结合DRpASTIC脆弱性的划分原则，将评价区划分为5个脆弱性等级（表10）。
表9 南昌市地下水脆弱性（评价单元）网络统计结果表
从表9及表10可以得出脆弱性评价结论为：南昌市赣江、抚河沿岸砂滩脆弱性高，防污性能极差，面积为36.0km2，占研究区面积的3.7％；红谷滩新区、莲塘及八一桥的赣江分支地区，脆弱性较高，防污性能差，面积32.75km2，占3.4％；朝阳洲、扬子洲的河间地块，脆弱性中等，防污性能中等，面积287.0km2，占29.4％；凤凰洲、蒋巷及西北部冲沟地带，脆弱性较低，防污性能较好，面积115.75km2，占11.9％；老抚河以东地区和北西部岗间地带脆弱性低，防污性能好，面积503.50km2，占51.6％。另外，表10还可以表明：脆弱性指数越小，含水层越不易被污染，即脆弱性程度越低；反之，脆弱性指数越大，则越容易被污染，即脆弱性程度越高；
表10 南昌市地下水脆弱性评价表
3 形成地下水脆弱性高－较高区的主要因素分析
从表10可以看出：南昌市地下水脆弱性高区主要分布在赣江、抚河沿岸砂滩一带，地下水脆弱性较高区主要分布在红谷滩新区、莲塘及八一桥的赣江分支地区一带。以下在充分分析这些区域的地质背景前提下，从七个方面剖析了其形成的具体原因：(1)地下水埋深：通过调查发现，这些区域的地下水埋深均较浅，2004年地下水位调查结果显示：红谷滩新区、莲塘（汇仁制药厂）及八一桥的赣江分支地区（桃花乡）三地的地下水位埋深分别为4m、4.5m、3.9m，均在2～5m范围之内，地下水埋深这么浅，不容质疑，地表污染物达到含水层所需的时间较短，污染物在途中被稀释的机会较小，其进入地下水的可能性很大，其单因子评分为8。(2)降雨入渗补给量：根据已有资料显示，这些区域的降雨入渗补给量一般都在150～200mm/a范围之内，作为污染物向地下水运移的主要载体，其补给量算是比较大的，地下水受污染的可能性也就较大，其单因子评分为8。(3)含水层介质：这些区域均处在赣江下游的冲积平原区，其含水层介质（岩性）均为古河道或现代河流冲积所形成的砂砾石层，它们均为松散沉积物，且一般分选性较好，颗粒间的孔隙连通性也较好，故容易造成地下水污染，其单因子评分为4～9，典型评分为8。(4)土壤介质：这些区域中有很大部分是没有土壤层覆盖的，呈裸露状态，如赣江、抚河沿岸砂滩，其直接由松散的砂砾石层覆盖；有土壤层覆盖的地方，其土壤层也较薄，其岩性一般为未压实的砂质亚粘土等。故从土壤介质方面来说，这些区域都属防污性能极差的区域。(5)地形：这些区域属赣江下游冲积平原区，其地形坡度为0～2°之间，地表水难以形成地表径流把污染物迅速带走，而是使污染物滞留于这些区域，让其不断的渗入地下，最终造成地下水污染，其单因子评分为10。(6)非饱和带介质类型：这些区域的非饱和带介质一般以砂、砂砾或含粉砂和粘土的砾石为主，其颗粒之间空隙的连通性较好，使污水能轻易地穿过它而顺利地到达含水层，最终使地下水受到污染，其单因子评分为6～9之间。(7)含水层渗透系数：前面已述，这些区域地下水的含水层介质（岩性）均为古河道或现代河流冲积所形成的砂砾石层，它们的渗透系数受含水层岩性条件、位置及形成地质时代的不同而有所差异。如赣江、抚河沿岸砂滩一带的渗透系数为260～360m/d，其防污性能较差，其单因子评分为6～8之间；而红谷滩新区、莲塘及八一桥的赣江分支地区一带的渗透系数为53～160.9m/d，其防污性能相对前者较好，其单因子评分为2～3之间。
由于以上7个方面其防污性能都比较差，这些区域地下水污染防不胜防，据2004年取样分析结果显示：莲塘（汇仁制药厂附近）超标组分为
华东地区地质调查成果论文集:1999~2005
，其实测含量为25mg/L，为国家地下水质量Ⅲ类标准的1.25倍。红谷滩王家一带超标组分为NH4＋，其实测含量为0.7mg/L，为国家地下水质量Ⅲ类标准的3.5倍。另外，莲塘（小兰工业园区）地下水有机污染分析结果显示：地下水有机氯农药中δ六六六为23.87ng/L，P，P′－DDT为108.3ng/L；多环芳烃检出率为56％，综合污染指数为0.9，达到警戒线。地下水污染在此带已经产生了一定的危害，如果不及时防治，它将产生更进一步的不良后果，如：这些受污染的区域都分布在赣江两岸，且都在南昌市城区的上游位置，它们均分布着上、中更新统或全新统冲积砂砾石层，渗透性好，与赣江水力联系密切，一般情况下由于地下水水位高于赣江水位，地下水排泄于赣江，这时，受污染的地下水将污染物不断地带进赣江水中，使赣江水体受到污染，受污染的赣江水体向南昌市城区中下游流去，污染了所有的取水口（工业和生活供水水源），造成不可估量的损失。以上表明，对地下水污染防治，已显得十分迫切和需要，尤其是对那些地下水脆弱性较高的区域，更需要采取有效的措施，控制地下水污染的进一步发展和蔓延。
4 南昌市地下水污染防治建议
如前所述，由于南昌市部分区域防污性能差，已经造成很多地方地下水严重污染，甚至有可能进一步污染赣江水源。为了防止地下水污染的进一步发展和蔓延，对地下水进行污染防治已成了当务之急。据调查资料，南昌市地下水污染源大致可归为4种：工业三废排放的点源污染；农业化肥及农药的施用，污水灌溉的非点源污染；生活废弃物排放的非点源污染；被污染地表水体的侧向渗透补给。根据南昌市地下水脆弱性分区特点及污染源特征，建议建立以下地下水卫生防护带，以防止含水层污染。
（1）一级防护带：主要分布于赣江、抚河沿岸漫滩，此带对应于脆弱性高区，其防污性能极差，含水介质渗透性极强，与赣江水力联系密切，其地下水一旦遭受污染，还会进一步将污染物带入赣江水源。所以此带为严禁活动带，应禁止在此带的一切农业种植活动，严禁生活垃圾及生活污水的排放，总之，应禁止一切可能引起地下水污染的活动。
（2）二级防护带：分布于红谷滩新区、青云谱、莲塘一带，此带对应于脆弱性较高区，其防污性能较差，含水介质渗透性较强，一般情况下地下水排泄于赣江，2004年通过取水样查证，其部分区域地下水已经遭受污染，有可能还会进一步将污染物带入赣江水源。此带已有一些污染企业，如莲塘小兰工业园一带的汇仁制药厂及一些化工厂已使地下水产生了污染，对这些污染企业应进行治理，治理不了的应关、停、并、转、迁，应尽量避免修建各种大型污染企业，积极发展技术、资金密集型企业，逐步转向以第三产业和高新技术为主导的产业结构，由资源型转向效益型。另外也可建设居民区。
（3）三级防护带：主要分布于朝阳洲、扬子洲地带农业地区，其对应于脆弱性中等区，防污性能一般。建议在此带建立居民生活区、娱乐场所，以及轻业区，不得兴建有污染的企业，发展生态农业，集约经营，提倡科学使用化肥、农药，提高使用效率，减少面源污染，提倡多用有机肥，特别应该杜绝污水灌溉。消灭污染源，对污染物进行科学处理，确保所有污染物达标排放。
（4）四级防护带：位于老抚河以东广大地区，北西部的岗间冲沟、八一桥北端—凤凰洲、赣江南支蒋巷镇地区。此带对应于脆弱性低～较低区，建议此带建立农业活动区、重工业区、制造业及食品工业区。该带的东部区域为地下水资源主要分布区。因此，应进行保护，消灭污染源，不得随意倾到工业废渣及生活垃圾，禁止污水灌溉。
5 结论
（1）对南昌市地下水脆弱性进行了评价，得出结论：南昌市赣江、抚河沿岸砂滩脆弱性高，防污性能极差；红谷滩新区、莲塘及八一桥的赣江分支地区，脆弱性较高，防污性能差；朝阳洲、扬子洲的河间地块，脆弱性中等，防污性能中等；凤凰洲、蒋巷及西北部冲沟地带，脆弱性较低，防污性能较好；老抚河以东地区和北西部岗间地带脆弱性低，防污性能好。为南昌市地下水污染防治工作提供了科学的依据。
（2）对形成地下水脆弱性高－较高区的主要因素进行了详细阐述和分析。
（3）根据南昌市地下水脆弱性分区特点及污染源特征，对南昌市地下水污染防治工作提出了建议和对策。
参考文献
［1］南昌市城市规划设计研究总院.南昌市2002～2005年城市总体规划
［2］地矿部水文地质工程地质研究所选编.地下水资源评价理论与方法的研究.北京：地质出版社，1982
Groundwater Vulnerability Assessment in Nanchang
Zhang Yongzhong, Ma Zhenxing, Yang Yongge, Liu Xiyuan, Tao Mujin,Lu Shaojun, Qin Yan, Wang Daoying
(Jiangxi Institute of Geological Survey, Xiangtang 330201)
Abstract: DRpASTIC assessment model is put forward to assess the groundwater vulnerability in Nanchang city. The result shows that the area of Ganjiang River and along the sand beach Fu River in Nanchang City is high in the groundwater vulnerability and very poor in antipollution ; that of Honggutan New Zone, Liantang and the regional branch of the Ganjiang River of Bayi Bridge, the higher vulnerability,antipollution worse; that of Chaoyang Island, interfluve block of the Yangtze Island, Medium vulnerability, antipollution Medium; that of Fenghuang Island, Jiangxiang and gully zone in Northwest, the lower vulnerability, antipollution better; that of the east area and the interridge of north-western areas in the former Fu River, the low vulnerability, antipollution good。 The paper expounds and analyzes the main factors which forms high-higher area of the Groundwater vulnerability. According to pollution source features and characteristics of groundwater vulnerability district of Nanchang City, the article puts forward proposals and measures of groundwater pollution prevention.
Key words: Groundwater; Vulnerability assessment; Nanchang
与岩溶地下水水量相关的水文地质环境问题都是由水位或水量不合理变动所致。地下水动力学的非稳定流解析法、数值法、野外测试方法以及一些统计学方法能够计算刻画地下水对施加外力的响应，并以此可以评价水量脆弱性问题。对于非均质各向异性的区域性岩溶水流系统，数值法更能详细地描述整个流场的变化响应。
一、数值模型的建立
1.水文地质概念模型
如前所述，娘子关泉域岩溶水系统除泉口附近有少量潜流外，四周为相对封闭的“自产自流”型全排系统。含水层的介质结构表现为以溶蚀裂隙及溶孔为主导，局部地段存在有溶洞的非均质各向异性含水岩体。从地下水的流场上，总体表现为一从北、西、南向东边娘子关泉口径流的扇形汇流体，进一步可分为南北两大补给区、阳泉至巨城的汇流区及泉口排泄区。对应前三区分别发育了三条强径流带，其一是从盂县县城沿温河至巨城的北部岩溶地下水位强径流带，其二是南部从昔阳沿中奥陶统与石炭系、二叠系接触带至平定五矿至阳泉一带的南部岩溶地下水位强径流带，其三是阳泉至巨城至泉口汇流区的中部岩溶地下水位强径流带。流态上根据北方岩溶介质特征，可以认为服从达西定律的二维平面流运动。娘子关泉水流量的衰减系数介于n·10-3～n·10-8之间，也表明岩溶发育以溶隙、溶孔为主，在局部大的溶洞发育地段不排除存在非达西流的情况，计算中对这些特殊地段未作特别处理。此外在模型中忽略了地下分水岭的移动，以隔水边界处理，对地下水中的垂向运动也未加以考虑。
2.数学模型及其求解
根据上述娘子关泉域岩溶水的水文地质概念模型，其水量运移数学模型表达式为
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
考虑到地下水位的变化幅度相对于含水层厚度很小，可忽略不计，故含水层厚度可近似认为一定值，则其运移模型为
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：H为含水层的水头；Tx、Ty为x方向及y方向的导水系数；Q为含水层的水量垂直交换量；H0（x，y）为岩溶地下水初始流场；H1（x，y，t）为第一类边界点水头；μ为储水系数；q（x，y，t）为二类边界单宽补给量。
3.数学模型的离散
对上列岩溶地下水计算区的定解问题，采用不规则有限差分法分割，由众多的小三角面元去逼近地下水位曲面，整个泉域共分出597个三角面元、343个结点，剖分区对上列地下水渗流的定解问题离散成：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：β为i结点均衡域组成的β面元；p为i结点均衡域组成的面元数；、为β面元j结点顶点t时及t-1时的水位；Δt为时间步长；D为导水矩阵；
=(×Ai×Al+×Bi×Bl)/(8×Δβ)
E为储水矩阵；E0i=-1/（16×Δβ）[（Ai×Aj+Bi×Bj）×（+）+（Ai×Ak+Bi×Bk）×（+）]
Δβ为β面元的面积；
Ai=Yj-YK,Aj=YK-Yi,Ak=Yi-Yj
Bi=Xj-Xk,Bj=Xk-Xi,Bk=Xi-Xj
X、Y为β面元三顶点的横纵坐标。
4.数学模型的校正与解算
受观测资料限制，模拟计算期选在1982年6月到1983年12月，计算时间单位以月进行。
模拟计算过程中对具有线状渗漏特征的河流入渗量，首先按河流所跨面元将河流自然分割，所割线段的中点作为入渗点，近似代替线状入渗；而后按等效入渗点所在面元内的位置，将入渗量以三角形平板集中荷载对各个支撑点（三角面元顶点）的分配原则，加到三个顶点上进行计算。开采井以及其他垂向点状交换量均采用该方法处理。
对各地降雨量的差异，计算中分出了四个降雨量分区，大致是以河系为基础分出温河中上游区、桃河中上游区（包括南川河）、松溪河区和桃河温河下游区。不同区由于包气带因厚度出现的滞后效应，根据降雨及地下水位动态关系对比，分别作了从排泄区、汇流区到补给区降雨量滞后1～3个月的处理。
通过岩溶水文地质分区调参，对地下水流场及11个地下水位长观孔与泉水流量进行模拟计算，最后求得33个参数分区（表8-5、图8-13）和如图8-14的拟合曲线。
表8-5 娘子关泉域水文地质参数分区表 单位：m2/d
二、响应矩阵的求算
20世纪70年代，从地下水管理的角度出发，为追求具有统一流场的地下水最佳开发状态的目标，人们把地下水数值渗流模型与优化技术结合起来，形成了地下水系统的管理模型。为确保管理模型中水位约束条件与开采量之间服从地下水流渗流方程，前人提出了建立二者关系的“嵌套法”（Aguado、Remson，1974）和“响应矩阵法”（Heidari，1982）。水量脆弱性评价的本质是系统内各点进行水量开采引起对特定目标点在水量（或水位）影响程度的一种表达，是一个计算不同点间开采量与水位（或流量削减量）的关系问题，因此本次解算中采用了响应矩阵法进行二者间的连接。对于（8-2）式中所描述的泉域岩溶地下水量渗流模型可分解为以下两个定解问题：
图8-13 娘子关泉域岩溶水系统数值模拟参数分区图
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
图8-14 娘子关泉域岩溶水系统数值模拟曲线汇总图
和
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：Q=ε+p；ε为系统降雨入渗量、河流渗漏量、水库等垂向补给量；p为系统岩溶地下水的开采量。
（8-4）式代表给定的初始及边界条件下，在管理区内无地下水开采的天然水位场；而（8-5）式则是描述不考虑初始及边界值，单纯在开采条件下所产生的水头变化场。容易证明：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
当开采量p控制在不足以引起系统参数产生较大变化的一定范围内时，（8-5）式所描述的水文地质特征体为平稳的、边界和初始方程为齐次的线性时不变系统，水位降深可用开采量的单位脉冲响应函数来表征，并以此可获得系统输入-输出的数学关系表达式。根据线性时不变系统的性质，地下水的降深可由其开采量与系统单位脉冲响应的卷积来表达：
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：Q（t）为开采量；b（t）为系统单位脉冲响应函数；5（t）为由于开采所产生的降深。
对（8-7）式离散则有
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
据叠加原理，对（8-8）式的线性系统，由i个水源地在n时段末k结点上产生的降深为
中国北方岩溶地下水环境问题与保护
式中：S（k，n）为k结点在n时段末的降深；q（i，j）为i水源地在j时段的开采量；β（k，i，n-j+1）为响应矩阵。
响应矩阵所代表的物理意义可理解为：i水源地以单位抽水量在第一时段内抽水，在以后时段内停抽时各时段末在k结点上所产生的剩余降深。
给定单位脉冲开采量，通过解算（8-5）式，即可获得任意一点或多个点抽水时系统内任意点在各时段的水位响应矩阵。
三、岩溶水系统含水层水量保护区划分
娘子关泉水目前是阳泉市自来水提水工程、平定县提水工程的水源，规划的最大提水能力（扣除娘子关电厂提水，已关闭）5.09m3/s，再加娘子关镇当地用水量0.5m3/s，总水量将达到5.59m3/s（表8-6）。根据2000年以后的泉水实测平均流量为6.452m3/s，达到最大提水量后的剩余流量不足1.0m3/s，泉水下游还有河北绵河灌区以及冶河沿岸的生态用水，泉水流量继续衰减后必然威胁到泉水的持续利用，因此保持6.0～6.5m3/s的最低泉水流量应该作为岩溶水保护的一个重要目标。为达到该目标，需要以娘子关泉水流量为保护核心，对系统内岩溶含水层抽水所引起的泉水流量的削减量，即娘子关泉水对系统内岩溶含水层抽水在时空的敏感性响应进行分区，评价泉水流量对系统含水层的脆弱性。
表8-6 娘子关泉水提水工程现状调查统计表
1.含水层水量脆弱性评价
通过系统岩溶水数值渗流模型基础上的响应矩阵可以获得系统含水层在任意一点或多点抽水时，其他任意点在任何时间的水位响应值。平面空间上可通过改变数值法结点号（或组成面元的结点）获得，时间上可通过调整时间步长获得。对于时间步长给定，需要结合岩溶水系统的动态特征具体分析来给出。
娘子关泉域岩溶水系统的岩溶水动态特征主要受系统大气降水的补给制约，以此在脆弱性评价的时间段选取上我们采用以下几种情况：
1）泉水排泄区。相对于直接抽取泉水，瞬时削减量为100%的水量极高敏感区。
2）1年期内对泉水削减在80%以上的地区的水量高敏感区。由于系统降水在年内分配不均一，泉水流量与岩溶地下水位都在一年期内表现出规律性变化。
3）最长连续枯水期泉水削减在80%以上的水量中等敏感区。对水量而言、连续干旱年份的出现对岩溶水动态特征的影响以及相关水文地质环境问题出现的影响最为重要。因此将降水量连续出现低于多年平均值的最长时期作为脆弱性评价期。根据系统内降水量系列动态分析，历史上出现有两次连续5年低于多年降水量平均值的时段，为此，选择5年期作为评价期。
4）整个系统剩余的水量低敏感区。美国佛罗里达州Suwannee River Water Management District已开展的5个岩溶水系统保护区划定中，将20年到达排泄区的范围岩溶含水层范围作为保护区来确定。这种界定具有一定的人为因素，扩大到泉域整个范围更为合理。
2.系统岩溶含水层水量保护区划分
维持娘子关泉水最小流量在是6.0m3/s以上应作为系统含水层水量保护的重要目标之一。要达到这一目标，需要根据脆弱性评价的结果制定系统岩溶水的整体开发方案。在目前几乎没有剩余可动用的流量情况下，特别要对泉水流量影响较大的一级、二级保护区的岩溶地下水开采应加以较为严格的限制。按照第七章第四节水量保护区划分方案（图7-3），共划分出4级岩溶含水层水量保护区（图8-15），分别是：
图8-15 娘子关泉域岩溶水系统岩溶含水层水量脆弱性（保护区）分区图
1）泉源保护区，面积为13.87km2。
2）岩溶含水层水量一级保护区，面积为20.73km2。
3）岩溶含水层水量二级保护区，面积为137.12km2。
4）系统水量准保护区，面积7024.47km2。
济南泉域岩溶地下水系统特征
答：岩溶水系统动态是岩溶水系统含水层结构、性质、边界条件和岩溶水补给、排泄及运动的综合反映,是研究岩溶水各级系统、功能和特征的重要信息。在目前环境状态下,济南泉域岩溶水水位动态主要受岩溶水系统自身结构、功能、气象水文因素及人工开采的控制与影响。 岩溶水系统的结构、功能决定了济南泉域岩溶水系统在不同空间的...
岩溶地质环境及水文地质特征
答：相应地在不同类型的岩溶地质环境条件下,岩溶水的资源特征及生态环境功能,岩溶水源地的类型、水文地质特征,开发技术条件与脆弱性,供水需求等都有所差异。因此,岩溶水资源的开发利用,只有与岩溶地质环境条件相适应,做到因地制宜,才能够实现可持续发展。 服务于岩溶水运动和赋存规律、岩溶水开发技术条件研究的需要,也...
岩溶水资源调查与规划
答：岩溶水源地勘查的目的在于查明岩溶水的赋存特征、岩溶水资源、岩溶水开发技术条件及脆弱性，为岩溶水源地开发工程建设提供技术和施工设计依据。勘查重点是：圈定水源地范围；探明含水层(带)的埋藏分布情况，富水性及均匀性；含水层(带)与隔水层(体)的空间组合形式，以及含水层中导、储水空隙的形态、...
岩溶水水质恶化的原因分析
答：分布的中奥陶统含水层(尤其是吕梁山西侧中段的柳林泉域岩溶水系统、临汾的龙子祠泉域岩溶水系统等中奥陶世古膏盐湖沉积区)岩溶水的普遍偏高;岩溶水循环深度大(例如,晋祠泉、山东巨野-嘉祥系统、扶风-礼泉域岩溶水系统、中条山岩溶水系统)、埋藏深的滞流区水质也较差(表5-7),这些都是气候、水动力条件、地球...
岩溶水的水化学特征
答：岩溶含水层的富水性总体来说是较强的，但分布不均。由于岩溶水并非均匀分布于整个可溶岩区域，而是存储在溶蚀裂隙和溶洞中，因此在同一标高范围内或相距几米的地点，富水性可能相差数十倍至数百倍。例如，在广西拔良附近，两个相距1000m左右的点，一个点的出水量为15600m³/d，而另一个点出...
岩溶水系统的水化学、同位素特征
答：2)分布在中奥陶统中无石膏的地区(山西、河北北部)、寒武系岩溶含水层或中新元古界岩溶含水层的系统(山东东西崖泉域岩溶水系统、河南临汝岩溶水系统、北京甘池-高庄泉域岩溶水系统、天津公乐亭泉域岩溶水系统等)。 图4-11 岩溶水系统排泄区代表性样水化学类型与TDS关系图 3)汇水面积较小的系统(鄂尔多斯盆地西南...
岩溶含水层组类型及赋水特征
答：碳酸盐岩岩溶含水层与非碳酸盐岩相对隔水层的不同的组合方式,会导致碳酸盐岩在岩溶作用方面的明显差异,从而构成具有不同水文地质特征的多种岩溶含水层组类型。对于同一岩溶含水层组类型,其整体的岩溶水赋存特征及富水性与均匀性是相近的。划分含水层组类型是水文地质测绘与编图的基础工作,含水层组类型是野外填图...
主要岩溶水环境问题
答：另一方面，区内相当多矿井已闭坑或处于闭坑阶段，闭坑以后大面积的采空区必然由水充填，由于在充填过程中缺乏采煤期间的循环交替速度，必将成为劣质“老窑水”。这些水一部分将通过突水通道进入下伏岩溶含水层，另一部分则待采空区充满后通过坑道排出地表，进入河道，再次补给岩溶水，形成岩溶水的“永久性...
岩溶水系统生态环境重建与水资源有效利用模式
答：岩溶水流域的分水岭地段,是峰林、峰丛发育的地下水补给区和峰林谷地向峰林平原过渡的地下水径流区。就岩溶含水介质条件来看,具有水流循环交替迅速、资源分布不均一的特征,提高地下水资源的供水功能,必须增强水循环系统的调蓄功能,改变岩溶山地补给区降水快速下渗、形成径流快速排泄的状况。研究表明,当前该地区植被衰退十分...
济南泉域岩溶地下水环境演化及保泉对策研究
答：岩溶水总体流向由南向北径流,受北部燕山期岩浆岩及石炭系、二叠系地层阻挡,在其接触地带形成岩溶水富集区,单井涌水量一般大于5000m3/d,天然条件下岩溶水以泉水排泄为主,目前,人工开采是泉域岩溶水系统的最主要排泄方式。 2 岩溶地下水资源开发利用现状 奥陶系裂隙岩溶含水层作为济南工农业用水和城市生活用水的主要取...
