贵州普定后寨地下河流域地下水脆弱性评价与土地利用空间变化的关系

【摘要】： 地下水脆弱性及其污染风险分析与制图是目前国际水文地质研究的热点和前沿课题，也是防治地下水污染问题工作的前导，地下水的脆弱性评价主要应用于地下水保护和管理和土地利用规划。 本文首先对地下水脆弱性研究领域从其概念、含义、发展与趋势进行了系统的综述，全面分析了研究区贵州普定县后寨地下河流域的自然地理地貌、岩溶地质与水文地质条件。在此基础上，提出了适合流域特点的地下水脆弱性评价指标体系与REKST模型，利用GIS技术ArcView3.2软件进行了流域地下水脆弱性评价，并充分利用1980年—2002年地下水水化学系列资料进一步探讨了区域地下水脆弱性与土地利用变化的关系，提出了一些基于地下水脆弱性评价的土地利用规划建议。 研究区后寨地下河流域，距贵阳市约103km，流域面积约81km~2。在云贵高原具有广泛的代表性。自1970年代以来一直是我国岩溶研究的重点地区之一。在岩溶水资源和开发利用方面积累了丰富的资料和研究成果。 流域内碳酸盐岩出露地层为三叠系中统关岭组(T_2g)，岩性为灰岩、白云岩、泥质灰岩及页岩夹泥质白云岩。地层褶皱宽缓，岩层倾角缓(7°～25°)，构造简单。地下河主要在T_2g~2灰岩中形成，明暗交替，明流段为(T_2g~(3-(1+2)))白云岩。 首先，考虑到建立一套客观、系统、易操作的指标体系是地下水脆弱性评价的关键。作者在充分论述前人对地下水脆弱性研究所考虑的各种因素后，结合研究区的地质水文地质特点，从众多影响因素中，选择岩石、岩溶发育程度、表层岩溶、土壤覆盖层和地形变化作为评价指标，建立了REKST模型。利用岩溶发育程度表征入渗条件，同时考虑点状入渗，即洼地、落水洞、地下河天窗等的作用，及农业灌溉入渗的影响。土层中考虑土地利用变化的影响。用表层岩溶来表征包气带的特征。因而，评价过程中即有含水层固有脆弱性成份，也有一些特殊脆弱性成份。本文所涉及的地下水脆弱性研究主要是基于区域地下水固有脆弱性研究，即着重考虑岩溶水文地质内部本身因素，部分考虑污染源特征和人类活动特征。结合后寨河流域的具体情况提出如下评价指标体系(表1)。 REKST模型参数的权重是根据研究区实际情况来分配的。其地下水脆弱性指标由下式确定(数字为各指标的对应权重)：REKST=2×R+5×K+3×E+4×S+1×T 在评价过程中，充分利用GIS技术，对各指标数据层的数字化、图层的叠加，各指标参数的权重、定额赋值、综合脆弱性指标进行计算。实现脆弱性评价与GIS技术的集成，十分有利于对指标参数等空间数据的处理和管理，包括数据采集和编辑、建立空间数据库、进行图形分析及空间分析。可为决策和管理者提供直观可视、直接有用的信息。 从地下水脆弱性等级(共分五级)划分图统计结果(表2)可知，流域多数区域地下水脆弱性程度较低，较高与高脆弱性区域面积为2.69km~2，仅占流域总面积的2.5％。主要分布于流域上游峰丛洼地区的一些洼地和地下河天窗附近(5级)及中游陇脚(老黑潭地下河出口附近)至六谷一带。总体上看，沿地下河主河道，中游六谷—老黑潭一带脆弱性最高，以3、4级为主，上游母猪洞—打油寨一带次之，以2、3级为主，下游后寨最低，以1、2级为主。水化学分析资料证明了这一点。高脆弱性区域，地下水离子浓度均增高。 此外，大面积二级水稻田分布区(大新、六谷、阿良寨一带)脆弱性较高，原因可能是它位于地下河主河道中游地段，土壤层较薄和存在泡田期，受上游污水和农业活动影响数因共同作用所致。 从脆弱性等级与土地资源现状关系分析，可看出低脆弱性区域主要分布于流域北部青山水库—陈家老坟一带，是流域内主要的旱耕地分布区。下伏岩石为岩溶化程度较低的白云岩，说明白云岩分布区地下水脆弱性与灰岩区相比，地下水脆弱性低。峰丛洼地与峰林盆地接触带脆弱性也相对较低，且这一带多落入峰丛洼地一侧。是溶蚀强度中等的中厚层灰岩(T_2g~(2-3))分布区，说明在裸露灰岩区岩石性质是决定其脆弱性程度的重要因素。 大多一级水稻田分布区和峰丛洼地补给区(分水岭地带)处于中等脆弱性等级，分水岭地带为溶蚀强度较大的灰岩、泥灰岩(T_2g~(2-1))，一级水稻田尽管存在泡田期，但土层厚，有机质含量高，具有较高的抗污染性能。 其次，在评价的基础上，通过大量水化学取样分析和历史资料，验证、分析、对比和论证了地下水脆弱性与土地利用变化之间的关系。发现无论是农业(工业)活动的加强，土地利用方式的变化，还是灌溉系统的改变，都会造成流域内地下水水质空间和时间的改变。其中既有不利的一面，如乡镇的快速发展，生活和工业污水的直接排放，农药和化肥的过度使用；也有有利的一面，如地表地下水库的联合调度灌溉，植被的种植(农用地恢复为林地)。因而土地利用规划过程中，必须考虑到地下水脆弱性因素，树立可持续发展的资源观。从资源大系统高度，地下水保护的角度，依靠科技发展生态农业、改善灌溉系统、植树造林、控制污水排放，有效合理利用水土资源，以发挥其整体效益，使资源与环境得到协调发展。 如母猪洞位于流域上游峰丛洼地区，九十年代初实施开发利用水资源与生态建设相结合，发展经济水源涵养林(意杨树)后，母猪洞地下河硫酸根离子含量下降，次生林环境使得表层岩溶作用条件改善，钙离子含量有较大幅度的增加，生态环境发生了明显的变化。 从母猪洞灌溉期矿化度与6—9月矿化度差值看，在八十年代末期开始有显著的减小，其后有逐年减小的趋势。也说明土地利用变化(从农用地到林地)，农业活动减少对矿化度的季节分配有显著影响。 土地利用变化引起的水质污染，既是资源问题，也是环境问题。它们之间是紧密关联的，与其它资源共同构成资源大系统。因而需从系统高度提高土地资源的有效合理利用特点的认识，发展生态农业，防止污染，使人类活动与自然资源环境谐调发展。建立如后寨地下河流域上游母猪洞二十世纪九十年代初所走的资源系统的良性循环。 水资源的合理利用和保护已提到可持续发展的高度。可以预见21世纪人们将为保护水资源而斗争，肯定会普遍重视水质问题，积极开展地下水脆弱性调查评价与编图，重视地下水保护技术(特别是治理技术)的开发研究。 地下水脆弱性评价是对含水层进行保护的主要手段。本文的研究区在西南岩溶区具有代表性，又是针对目前最普遍、最难于控制和治理的地下水非点状污染问题(农业活动造成)。其评价结果(图件形式)，可以了解土地利用活动和地下水污染之间的关系，识别地下水易于污染的高风险区，从而帮助决策者和管理者制定地下水保护的管理战略和方针。同时，本文研究获得的含水层三维数据图，配合地质图及其它图件、数据，可为水资源短缺和环境保护等决策制定提供关键要素。2000年我国开始实施新一轮大地调计划。通过填绘实用性较强的主题图件，向规划者提供基本事实和解释，为环境规划和土地利用作出明智决策提供依据。从而为岩溶区地调工作服务。

【学位授予单位】：中国地质科学院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：P641.8