地下水脆弱性评价技术要求GWID31112.docx
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地下水脆弱性评价技术要求GWID31112
GWI-D3
地下水脆弱性评价技术要求
中国地质调查局
2004年11月
1主要内容与适用范围
1.1本技术要求为中国地质调查局地质调查实施项目《全国地下水资源及其环境问题调查评价》（以下简称“项目”）专门制定。
1.2本技术要求界定了地下水脆弱性的基本概念，论述了地下水脆弱性评价的基本方法和步骤。
1.3本技术要求适用于“项目”地下水脆弱性评价。
1.4本技术要求可供相关评价工作参考。
2引用标准及规范
区域水文地质工程地质环境地质综合勘查规范（1︰50000）
GB/T14158-93
供水水文地质勘察规范
GB50027-2001
水文地质术语
GB/T14167-93
地下水质量标准
GB/T14848-93
水环境监测规范
SL219-98
水文调查规范
SL196-97
城市地区区域地质调查工作技术要求
ZB／TD10004
城市环境水文地质工作规范
DZ55
水质监测规范
SD127-84
水质采样技术规程
SL187-96
3术语
3.1地下水脆弱性Groundwatervulnerability
地下水脆弱性是指地下水系统对人类和（或）自然的敏感性。
地下水脆弱性一般分为固有脆弱性和特殊脆弱性。
3.2地下水固有脆弱性Groundwaterintrinsicvulnerability
固有脆弱性是指在天然状态下含水层对污染所表现的内部固有的敏感属性。
它不考虑污染源或污染物的性质和类型，是静态、不可变和人为不可控制的。
3.3地下水特殊脆弱性Groundwaterspecificvulnerability
特殊脆弱性是含水层对特定的污染物或人类活动所表现的敏感属性。
它与污染源和人类活动有关，是动态、可变和人为可控制的。
4总则
4.1目的与任务
（1）为合理利用土地、有效保护地下水资源，防止地下水污染，开展地下水脆弱性评价；
（2）在资料收集、野外调查测试、资料整理分析的基础上，开展我国主要城市地下水脆弱性评价工作，区别不同地区地下水的脆弱程度，判定研究区地质环境对人类生存与发展的适宜性，为地下水可持续利用和环境保护提供决策依据；
（3）从地下水固有脆弱性和特殊脆弱性两个方面评价，进行地下水脆弱性分级分区，为各级政府在土地利用和地下水保护的决策和规划上提供合理建议。
4.2基本原则
（1）地下水脆弱性评价以定性分析为主、定量化为辅，并阐明脆弱性分区情况；
（2）地下水脆弱性评价以评价单元为基础，借助计算机程序进行脆弱性评价，得出评价单元的脆弱性，进而编制脆弱性图件；
（3）由于各个地区气候条件，地下水形成、分布、埋藏和补给条件，地下水循环系统空间结构等都各具有地域特点，对所涉及的参数的获取方法和计算方法的选择要充分考虑各个地区的实际情况，做到因地制宜；而且地下水脆弱性评价的指标体系及权重需要通过各自的典型区示范研究和专家经验确定。
本技术要求所提供的只是通用性例证；
（4）为证明地下水脆弱性评价正确与否，应选择典型地区进行野外验证；
（5）地下水脆弱性评价成果力求通俗易懂，简洁美观，并结合地方政府需求与经济社会发展规划提出合理、有效的污染防治建议和水资源保护措施；
（6）地下水脆弱性评价应在研究程度较高的城镇及主要工农业基地进行，比例尺不小于1/10万；
（7）本技术要求只规定地下水固有脆弱性评价。
5地下水脆弱性的分类
5.1地下水固有脆弱性
5.1.1影响地下水固有脆弱性的主要因素
（1）补给量
补给量作为地下水固有脆弱性评价的主要赋值指标，通过野外调查、水均衡方法或遥感图像来计算。
影响补给量的气象参数主要有降水量、蒸发量、温度。
（2）土壤介质
主要考虑土壤的结构、构造、厚度和有机质、粘土含量和土壤含水量等。
（3）包气带
包气带的特征和它的潜在吸附、降解能力对确定地下水脆弱性程度起决定性作用。
评价中涉及到的主要参数为厚度、岩性和垂直渗透性。
（4）饱和带
主要考虑含水层的类型和形状、孔隙度、渗透系数、储存特性、传递系数、地下水流方向等。
尤其要特别强调渗透系数的重要性。
5.1.2影响地下水固有脆弱性的次要因素
次要因素包括地形、地表水和下伏含水层特性。
5.2地下水特殊脆弱性
特殊脆弱性是根据污染物对地下水系统的危害来评价的。
主要包括的参数有污染物在非饱和带的运移时间、在含水层中的滞留时间以及相对于单一污染物性质的土－岩－地下水系统的稀释能力。
地下水的特殊脆弱性评价主要是进行系统的污染风险评价。
5.2.1影响地下水特殊脆弱性的首要要素
影响地下水特殊脆弱性的首要要素是土壤、包气带和含水层降解单一污染物的能力。
5.2.2影响地下水特殊脆弱性的次要要素
影响地下水特殊脆弱性涉及的次要要素是土地利用（人为作用）和人口密度。
在人为影响下的农业、工业、居住区及天然状态下的林地、未开垦的草场、无人山区区域存在着重要的差异。
人口越密、经济技术活动强度越大的地区，地下水遭受污染的可能性越大。
6地下水脆弱性评价步骤
6.1评价单元的划分
6.1.1评价单元划分方法
（1）按照自然地理单元、行政区划单元或经济开发（土地利用）单元等一定的标准将整个评价区划分成有限数量的自然评价单元；
（2）抛开自然边界，将之剖分成数量众多但形状和大小都相同的网格单元。
剖分单元间距可根据评价区域的大小、数据资料丰富程度、评价区的复杂程度以及评价精度要求来确定，并可根据实际情况在复杂地段加密。
6.1.2评价单元编号原则
（1）同一区域单元编号应该连续；
（2）评价单元编号不能重复。
6.2数据获取及预处理
6.2.1所涉及的参数及相关要求
本技术要求推荐采用基于DRASTIC的模糊评价模型来评价地下水脆弱性。
基于DRASTIC的模糊评价模型是将以下每个参数分成几个区间，每个区间都赋以一个分值，而每个参数赋以一个权重，运用模糊评价模型评价地下水的脆弱性。
评价单元各指标特征值的选取按照附件1执行。
6.2.1.1含水层埋深D（DepthtoWater）
如果是潜水含水层，由地下水位确定含水层埋深；如果是承压含水层，则取承压含水层顶板为含水层埋深。
单位统一为m。
6.2.1.2净补给量R（NetRecharge）
净补给量主要来源于降雨量，可用降雨量减去地表径流量和蒸散量来估算净补给量，或者用降水入渗系数计算。
单位统一为mm。
6.2.1.3含水层介质类型A（AquiferMedia）
本技术要求中将含水层介质分为以下10类：
✧块状页岩
✧裂隙发育非常轻微变质岩或火成岩
✧裂隙中等发育变质岩或火成岩
✧风化变质岩或火成岩
✧裂隙非常发育变质岩或火成岩，冰碛层
✧块状砂岩、块状灰岩
✧层状砂岩、灰岩及页岩序列
✧砂砾岩
✧玄武岩
✧岩溶灰岩
6.2.1.4土壤介质类型S（SoilMedia）
本技术要求所指土壤层通常为距地表平均厚度2m或小于2m的地表风化层。
在此，土壤介质分为以下10类：
✧非胀缩和非凝聚性粘土
✧垃圾
✧粘土质亚粘土
✧粉砾质亚粘土
✧亚粘土
✧砾质亚粘土
✧胀缩或凝聚性粘土
✧泥炭
✧砂
✧砾
6.2.1.5地形坡度T（Topography）
单位统一为‰。
6.2.1.6渗流区介质类型I（ImpactoftheVadoseZoneMedia）
渗流区是指潜水水位以上或承压含水层顶板以上土壤层以下的非饱和区或非连续饱和区。
分为以下10种类型：
✧承压层
✧页岩
✧粉砂或粘土
✧变质岩或火成岩
✧灰岩、砂岩
✧层状灰岩、砂岩、页岩
✧含较多粉砂和粘土的砂砾
✧砂砾
✧玄武岩
✧岩溶灰岩
6.2.1.7含水层渗透系数C（ConductivityoftheAquifer）
影响渗透系数大小的因素很多，主要取决于含水层中介质颗粒的形状、大小、不均匀系数和水的粘滞性等，通常可通过试验方法或经验估算法来确定k值。
单位统一为m/d。
6.2.2数据的预处理
数据的处理方法视数据类型的不同而不同。
（1）对通过测量不能直接得到的3项指标：
含水层介质类型（A）、土壤介质类型（S）和渗流区介质类型（I），分别按照附件1的要求进行分级（分类）并给出相应的定额（参照表6、7、8）；
（2）对通过测量可以直接得到的4项指标：
含水层埋深（D）、净补给量（R）、地形坡度（T）和含水层渗透系数（C），直接选取实际测量值。
举例说明：
选取5个备选的水文地质单元，将7项评价指标特征值按照下图格式要求在Excel中输入并保存。
6.3权重的确定
本技术要求中提供两种确定权重的方法，用户可以根据自己对研究区的了解程度及需求选择不同的方法，目的是使所取的权重更加合理。
6.3.1参考DRASTIC中给定的权重
由国内外大量实验综合，并借鉴DRASTIC方法提供给定的7项指标不同的权重，见如下表1所示：
表1DRASTIC方法中各指标的权重
指标
D
R
A
S
T
I
C
正常
5
4
3
2
1
5
3
权重
农药
5
4
3
5
3
4
2
按照
=（w1,w2,…，w7），
的要求归一化后得到固有脆弱性和特殊脆弱性的指标权向量。
正常情况下脆弱性的归一化权重wi为
=（0.22，0.17，0.13，0.09，0.04，0.22，0.13）
有农药污染的情况下脆弱性的归一化权重wi为
=（0.19，0.15，0.12，0.19，0.12，0.15，0.08）
6.3.2方根法确定权重
在DRASTIC中，根据指标的相对重要性给7项指标赋予1～5大小不等的权重。
但是，实际上影响含水层污染的实际水文地质条件情况相当复杂，应根据实际水文地质条件，运用经验知识确定指标权重。
本技术要求推荐采用方根法确定7项指标的权重。
（1）根据项目特点构建判断矩阵，矩阵中各元素为相对重要性标度。
如表2所示。
表2构建判断矩阵
D
R
A
S
T
I
C
D
b11
b12
b13
b14
b15
b16
b17
R
b11
b22
b23
b24
b25
b26
b27
A
b31
b22
b23
b34
b35
b36
b37
S
b41
b42
b43
b44
b45
b46
b47
T
b51
b52
b53
b54
b55
b56
b57
I
b61
b62
b63
b64
b65
b66
b67
C
b71
b72
b73
b74
b75
b76
b77
对于某地区的脆弱性，其评判指标集合为：
T＝{D,R,A,S,T,I,C}
按各个指标的影响大小，把集合内的评判指标进行两两比较，并赋予一定的确定值，用bij表示bi对bj的重要性，根据心理学家的研究结果，人们定性区别信息等级的极限为７±２。
故采用如表3所示的１～９比例标度规则。
评判矩阵具有如下性质：
bij＞0；bij＝1/bji；i＝j时，bij＝1。
其取值见表3。
表3评判规则
标度
含 义
１
表示两因素相比，因素i与因素j具有同样重要性
３
表示两因素相比，因素i比因素j稍微重要
５
表示两因素相比，因素i比因素j明显重要
７
表示两因素相比，因素i比因素j非常重要
９
表示两因素相比，因素i比因素j极端重要
2,4,6,8
上述两相邻因素判断的中值
倒数
i与j比较时，则因素j与因素i比较的倒数bij＝1/bji
（2）针对指标相互比较得到的判断矩阵，计算指标权重。
这些权重反映了这些互相联系的指标的相对重要性。
基本思路是：
求判断矩阵的最大特征值和特征向量（即指标的权重）。
判断矩阵的最大特征值和特征向量采用方根法计算。
其计算步骤为：
①计算矩阵各行各元素乘积Mi＝
bijn=7
②计算7次方根Xi＝
i=1,2,3,4,5,6,7；n＝7
③对向量进行规范化
将上述7次方根所得的7个向量组成矩阵，并对其进行规一化。
X=（x1,x2,…，x7），
归一化方法如下：
Wi＝Xi/
Xi
得到
=（w1,w2,…，w7）为所求特征向量近似值，即各指标的权重。
④计算矩阵的最大特征值λmax
其中：
⑤由于客观事物的复杂性或对事物认识的片面性，通过所构造的判断矩阵求出的特征向量（权值）是否合理，需要对判断矩阵进行一致性和随机性检验。
矩阵的随机一致性比例
检验公式为：
式中：
为判断矩阵的随机一致性比率；
为判断矩阵一致性指标；它由下式计算：
＝（λmax－n）/（n－1）
式中：
为最大特征根；
n为判断矩阵阶数；
为判断矩阵的平均随机一致性指标。
由表8查出。
由大量试验给出，对于低阶判断矩阵，
取值列于表4。
对于高于12阶的判断矩阵，需要进一步查资料或采用近似方法。
表4平均随机一致性指标
阶数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
RI
0
0
0.58
0.90
1.12
1.24
1.32
1.41
1.45
当阶数≤2时，矩阵总有完全一致性；当阶数大于2时如果
<0.1，即认为判断矩阵具有满意的一致性，说明权数分配是合理的；否则，就需要调整判断矩阵，直到取得满意的一致性为止。
对于通过一致性检验的最大特征根所对应的特征向量，按照如下的格式保存在Excel中，以备运行评价程序时调用。
6.4基于DRASTIC的模糊评价模型
本技术要求要求使用基于DRASTIC的模糊评价模型进行脆弱性评价。
由于该方法运算量大，考虑其可操作性，技术要求中提供程序对定量的评价进行计算。
在此只说明使用程序的基本步骤，基于DRASTIC的模糊评价模型的理论方法在附件2中具体说明。
6.4.1加载元数据
运行基于DRASTIC的模糊评价模型的程序，读入保存好的excel格式的数据。
如果操作成功，会返回相应的内容；反之则会提示操作失败的原因；
6.4.2开始评价
从模型中读入权重，在6.3中提到两种方法确定权重，故应用程序时存在两种情况：
（1）默认权重。
读入基础数据提示成功之后，选择默认权重，会提示读入权重成功，点击开始评价，评价成功则会显示评价结果；如果失败，则会提示失败的原因。
（2）自定义权重。
读入基础数据提示成功之后，选择自定义权重，会提示读入权重成功，点击开始评价，评价成功则会显示评价结果；如果失败，则会提示失败的原因。
评价者根据确定权重的方法选择读入权重的类型。
6.4.3评价结果显示与输出
评价程序计算出来的评价结果，是按照本技术要求提出的地下水脆弱性的10个级别及对应的脆弱性描述显示。
此评价程序提供评价结果的输出，在“文件”中点击“保存”则自动以Excel的格式保存。
此表的设计与脆弱性评价成果表紧密结合，利于操作（注：
由于版面大小限制，以上图片显示的结果并不是全部结果）。
7极端气候地区地下水脆弱性
7.1极度干旱
在干旱地区，含水层的补给速度非常低。
在这种地区有天然的胶结地表土层，它能阻止污染物向下的快速移动，污染物被排放到地表或者地下，因此下移速度非常缓慢。
人们认为补给量和储存量的比值比净补给量更适合于评价干旱半干旱地区地下水的脆弱性。
总之，干旱地区需要评价的主要因素为补给量、土壤介质类型、含水层渗透系数、水力梯度及地形。
7.2极度潮湿
降雨量较大的地区会有较大的潜在补给量。
伴随着地下水流的快速横向流动，就会出现污染物快速向下移动。
根据地下水和污染物混合的能力，污染物可能会有较高稀释速度，同时，污染物渗透进入地下水时与岩土接触时间较少。
7.3极度炎热
炎热的天气通常伴随着突然的季节变化，它可能是干旱也可能是潮湿的。
热是一种不可控制的因素，除了会使污染物和有关联的地下水变热，还会使污染物更容易与土壤发生反应。
因此这些物质会变得更加不稳定，土壤微生物将更加丰富和活跃，还将有助于降解污染物，尤其是有机污染物。
7.4极度寒冷
冻结的土壤趋于抑制污染物的下降运动，地下水在永久冻结地带的径流是复杂的、难以预测的。
冻结地带的地下水的“自净化”能力远低于没有冻结的地区。
冻结/解冻的过程导致地下水矿化度的增加，污水污染物趋于浓缩而不是稀释，这个过程是不可逆的。
8地下水脆弱性评价成果
8.1综合研究报告
综合研究报告包括水文地质条件、地下水脆弱性等级划分及分区情况等。
在综合分析的基础上，将地下水的脆弱性划分为10个等级：
①脆弱性极低（极难污染）；
②脆弱性很低（很难污染）；
③脆弱性较低（较难污染）；
④脆弱性略低（略难污染）；
⑤脆弱性稍低（稍难污染）；
⑥脆弱性稍高（稍易污染）；
⑦脆弱性略高（略易污染）；
⑧脆弱性较高（较易污染）；
⑨脆弱性很高（很易污染）；
⑩脆弱性极高（极易污染）；
8.2图件
包括脆弱性评价成果表（见附表）和地下水脆弱性综合图。
附件1
指标级别及对应的特征值
基于DRASTIC的模糊评价模型的七项指标的级别与其对应的标准特征值列于如下表中，见表5。
表510个级别7项指标的指标标准特征值
级别
指标
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
含水层埋深/m
30.5
26.7
22.9
15.2
12.1
9.1
6.8
4.6
1.5
0
净补给量/mm
0
51
71.4
91.8
117.2
147.6
178
216
235
254
含水层介质类型
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
土壤介质类型
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
地形坡度（‰）
18
17
15
13
11
9
7
4
2
0
渗流区介质类型
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
含水层渗透系数/（m/d）
0
4.1
12.2
20.3
28.5
34.6
40.7
61.1
71.5
81.5
含水层介质类型、土壤介质类型和渗流区介质类型所对应的级别与特征值可根据实际取得的资料由表6、表7、表8查得。
表6含水层介质类型的级别与特征值
类型
级别
特征值
块状页岩
1
10
裂隙发育非常轻微变质岩或火成岩
2
9
裂隙中等发育变质岩或火成岩
3
8
风化变质岩或火成岩
4
7
裂隙非常发育变质岩或火成岩，冰碛层
5
6
块状砂岩、块状灰岩
6
5
层状砂岩、灰岩及页岩序列
7
4
砂砾岩
8
3
玄武岩
9
2
岩溶灰岩
10
1
表7土壤介质类型的级别与特征值
类型
级别
特征值
非胀缩和非凝聚性粘土
1
10
垃圾
2
9
粘土质亚粘土
3
8
粉砾质亚粘土
4
7
亚粘土
5
6
砾质亚粘土
6
5
胀缩或凝聚性粘土
7
4
泥炭
8
3
砂
9
2
砾
10
1
对于当某一区域的土壤介质由两种类型的土壤组成时，可选择最不利的介质类型确定级别。
例如，某一区域的土壤有砂和粘土两种介质存在时，可选择砂作为相应的土壤介质。
当有三种介质存在时，可选择中间的介质确定级别。
例如，有砂、砾和粘土存在时，可选择砂作为相应的土壤介质。
表8渗流区介质类型的级别与特征值
类型
级别
特征值
承压层
1
10
页岩
2
9
粉砂或粘土
3
8
变质岩或火成岩
4
7
灰岩、砂岩
5
6
层状灰岩、砂岩、页岩
6
5
含较多粉砂和粘土的砂砾
7
4
砂砾
8
3
玄武岩
9
2
岩溶灰岩
10
1
在选择渗流区介质时，必须选择对脆弱性有显著影响的介质层。
对有多层介质存在时，各层介质的相对厚度及各层介质对脆弱性的影响大小是应考虑的因素。
例如一灰岩含水层上覆盖一层较厚的砂砾层，并且等水位线在灰岩的上部，此时应选砂砾层作为渗流区的介质。
但当砂砾层较薄且等水位线在灰岩内部较深的部位时，应选灰岩作为渗流区的介质。
如果当灰岩含水层上覆盖一层粘土和一层等厚度或厚度较大的砂砾层时，应选粘土作为渗流区介质。
当对承压含水层进行级别选择时，应选承压层作为渗流区介质，而不用考虑其上的覆盖层。
对于固结岩石介质，还应考虑裂隙、层理和岩溶的发育程度。
例如对于溶洞非常发育的灰岩渗流区介质，可选择岩溶灰岩作为渗流区介质。
当灰岩中岩溶发育不好或溶洞的连通性不好时，此时渗流区介质应选为岩溶灰岩，但应当根据溶洞的数量和连通情况，级别应稍微低一些。
假设灰岩为非岩溶灰岩而仅是具有较小裂隙的白云岩，可选灰岩作为渗流区介质。
对于非固结岩石介质，可根据介质中粒径大小、分选性和细颗粒材料的含量对级别进行适当调整。
附件2
基于DRASTIC的模糊评价模型的说明
在划分评价单元的基础上进行脆弱性评价工作。
（1）构建指标标准特征值矩阵
将7个指标按10个级别的指标标准特征值进行识别，则有7×10阶指标标准特征值矩阵
`
（1）
式中：
yih为级别h指标i的标准特征值：
i=1,2,…，7.h=1,2,…，10.
由表5知有两种不同的指标类型：
（I）指标标准特征值yih随级别h的增大而减小；
（II）指标标准特征值yih随级别h的增大而增大。
（2）构建指标标准特征值对模糊概念极难污染（1级）的相对隶属度矩阵
无论对于第（I）、（II）类指标，均可确定等于指标的10级标准特征值对极难污染的相对隶属度为0，等于指标的1级标准特征值对极难污染的相对隶属度为1。
对以上两类指标，其特征值介于1级与10级标准特征值之间者，对极难污染的相对隶属度可按线性变化确定。
则级别h指标i标准特征值yih对极难污染的相对隶属函数公式为
（2）
式中：
sih为级别h指标i的标准特征值对极难污染的相对隶属度，yi1、yi,10分别为指标i的1级、10级标准值。
用相对隶属度函数公式
（2）把指标标准特征值矩阵式
（1）变换为对极难污染的指标标准特征值的相对隶属度矩阵
（3）
（3）构建各评价单元评价指标的特征值矩阵
根据附件1中所列内容确定对地下水脆弱性进行评价的各评价单元特征值矩阵
X=（xij）
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