0 引 言
地下水是西安市重要的供水水源，2016年西安市地下水供水为89609万m3，占总供水量的48.52%，是支撑全市经济可持续发展的重要战略资源[1,2]。近年来，随着“一带一路”建设及“大西安规划”的不断推进，西安市人口、经济得到快速增长，人类活动对区域地下水环境的影响也日益加深，地下水污染防治工作所面临的形势也更为严峻[3-5]，且存在区域地下水位下降、地面沉降及地裂缝等一系列环境地质问题，人类活动对区域地下水系统有着更为深远的影响，所导致的地下水环境问题也更为突出[6-8]。明确城市地下水污染风险情况，对保障城镇供水安全、建立环境与经济相协调的可持续发展社会具有重大意义[9,10]。
许多学者针对地下水污染风险问题做出了大量的研究。在定义上，普遍认为地下水污染风险是指含水层中地下水遭受污染的水平及其可能性。在评价方法上，董亮等[11]根据含水层的水文地质条件，以地下水本质脆弱性代表地下水污染风险，并应用地下水脆弱性评价模型(DRASTIC模型[12])对西湖流域地下水污染风险进行了评价；张雪刚等[13]在结合DRASTIC和GOD方法的基础上，综合考虑含水层特性和土地利用情况，以土地利用情况反映地下水污染荷载，建立了污染风险评价方法，对张集地区地下水污染风险进行了评价；申利娜等[14]在地下水本质脆弱性评价的基础上，考虑了人类活动产生的污染对地下水的影响，并对污染源进行解析、评价，构建了地下水本质脆弱性与污染源荷载耦合评价模型，对我国北方某大型地下水水源地进行了污染风险评价；郭高轩等[15]选取了地下水污染现状、地下水污染源荷载、
地下水脆弱性以及地下水质量现状4个评价因子，并采用专家打分法确定权重，对北京平原区地下水污染风险进行了评价。本文以地理信息系统(GIS)为平台，在考虑地下水脆弱性和污染源荷载的同时，对地下水功能价值进行了分析评价，通过对平原区地下水系统结构、水质、水量、污染源以及预期损害性进行调查，构建地下水脆弱性、污染源和水功能价值综合评价耦合模型，对西安市平原区浅层地下水污染风险进行评价，评价指标的选取较为全面、合理，以期为西安市划分水源地保护区、保障地下水用水安全以及合理利用地下水资源提供参考，同时也为开展地下水污染防治工作和建设水生态文明城市提供科学依据。
1 研究区概况及数据来源
西安市平原区位于107°98′E—109°54′E，33°98′N—34°74′N，地处关中平原腹地，北跨渭河，南依秦岭，西起太白山东麓，东至灞塬山地，东西长约145 km，南北宽约88 km，总面积约为4658 km2，约占西安市总面积的46.1%，地理位置如图1所示。西安市平原区地貌受第三纪以来的地质构造运动影响，堆积了巨厚的第三纪和第四纪河湖相堆积物，并从南向北依次形成山前洪积扇、黄土台塬、洪积冲积平原、渭河阶地、河漫滩地，总体地势呈东南高、西北与西南低。本文的研究对象为西安市平原区浅层地下水，此深度地层以第四系为主，结合地貌将平原区潜水含水岩组分为河谷平原潜水含水岩组、山前洪积平原潜水含水岩组以及黄土台塬潜水含水岩组3类，其中河谷平原、山前洪积平原潜水含水岩组由冲积、冲洪积的砂、砂砾卵石夹亚黏土、亚砂土组成，而黄土台塬潜水含水岩组则由黄土及古土壤组成。
图1 西安市平原区地理位置
Figure 1 Plain area location of Xi’an city
本文所涉及的水文地质参数主要通过实地调查和搜集西安市平原区地下水监测井和钻孔资料、水文地质图集和统计年鉴等资料获得；降雨量、地下水水资源总量数据来源于2016年《西安市水资源公报》；地下水埋深数据来源于《陕西省地下水水位年鉴》；地下水水质数据来源于2016年《西安市地下水水质调查评价报告》。
2 研究方法
早期的地下水风险评价通常仅考虑地下水本质脆弱性，并未考虑人为活动影响和地下水资源的社会价值。本次研究选取地下水脆弱性、地下水污染源荷载以及地下水功能价值作为评价指标，分析西安市平原区实际情况，建立平原区地下水污染风险评价指标体系，并在地理信息系统(GIS)环境下，综合以上各评价结果计算西安市平原区地下水污染风险值，根据评级标准进行分区。
2.1 地下水脆弱性评价
地下水脆弱性评价是指天然状态下地下水对污染物所表现出的本质敏感属性，这一性质与污染源或污染物的性质和类型无关，取决于评估区的地形地貌和水文地质条件，是静态、不可变和人为不可控制的。本次研究根据西安市平原区实际情况，选取适合孔隙潜水的DRASTIC模型，该模型由地下水位埋深(D)、净补给量(R)、含水层厚度(A)、土壤带介质(S)、地形坡度(T)、包气带介质(I)和含水层渗透系数(C)7个水文地质参数组成[13]，其指标系统中的权重分别为5、4、3、2、1、5和3。各水文地质参数对应等级赋值参考文献[13]。地下水脆弱性由脆弱性指数DI(无量纲)表示，公式如下：
DI=DWDR+RWRR+AWAR+SWSR+TWTR+
IWIR+CWCR
(1)
式中：下标W为相应权重；下标R为对应等级。
通过式(1)算得地下水脆弱性指数DI，并根据DI值将地下水脆弱性由低到高分为5个等级，结果见表1。
表1 地下水脆弱性评价标准(无量纲)
Table 1 Standard classification of groundwater vulnerability(dimensionless)
地下水脆弱性综合指数值DI[20,70](70,100](100,120](120,150](150,200]地下水脆弱性级别低较低中等较高高
2.2 地下水污染源荷载评价
地下水污染源荷载评价是指对地下水环境造成污染的地表污染源及相关地表人类活动进行的评价，评价结果能够有效反映人类活动对地下水环境的影响程度。本次研究选取西安市平原区重点地下水污染源(包括加油站、农业用地、工业园区和垃圾填埋场等)，通过分析评价污染源类型、规模、影响范围、主要污染物质以及污染物的迁移转化规律，计算各个污染源荷载，并在地理信息系统(GIS)环境下将研究区内所有污染源荷载叠加计算[16]，得到地下水污染荷载综合指数并分区，公式如下：
Pi=Li×Qi×Ti
(2)
式中：Pi为第i类地下水污染源荷载指数；L为污染物进入地下水的可能性；Q为可能渗漏到地下水的污染物的量；T为污染物的毒性。对应等级赋值参考文献[17]。
地下水污染源荷载综合指数PI(无量纲)计算公式如下：
PI=∑(Wi×Pi)
(3)
式中：Wi为第i类地下水污染源类型的权重(无量纲)，由层次分析法(AHP)确定，具体参考文献[17]。
根据地下水污染源荷载综合指数PI，将地下水污染源荷载由低到高分为5个等级，结果见表2。
表2 地下水污染源荷载分级标准(无量纲)
Table 2 Standard classification of groundwater pollution source loads(dimensionless)
地下水污染源荷载综合指数PI[0,20](20,40](40,60](60,80](80,200]地下水污染源荷载级别低较低中等较高高
2.3 地下水功能价值评价
地下水功能价值包括原位价值和非原位价值。原位价值是指含水层对周期性开采地下水引起一系列影响的缓冲能力，如因开采地下水引起的地质灾害，污染物扩散、栖息地及生物多样性破坏等。非原位价值主要源于市政、工商业、农业等对地下水的需求。本次研究仅考虑非原位价值，即从社会经济层面对地下水功能价值进行衡量，因此，地下水功能价值可通过地下水富水性和地下水水质2个方面体现[18]。
地下水功能价值综合指数VI(无量纲)计算公式如下：
VI=VQ×VW
(4)
式中： VQ为地下水水质；VW为地下水富水性。
地下水水质VQ评分标准如表3、表4所示。地下水水质单因子污染评价和综合污染评价依据GB/T 14848—2017《地下水质量标准》，最终评分按单因子污染评价法和综合污染评价法中分数最高分计算，即地下水质量现状评估分级=Max(单因子污染评价分级，综合污染评价分级)；地下水富水性VW评分标准见表5。
表3 地下水水质单因子污染评分标准(无量纲)
Table 3 Groundwater quality single factor pollution scoring standard (dimensionless)
单因子污染评价ⅠⅡⅢⅣⅤ评分54321
表4 地下水水质综合污染评分标准(无量纲)
Table 4 Groundwater quality comprehensive pollution scoring standard (dimensionless)
综合污染评价优良良好较好较差极差评分54321
表5 地下水富水性评分标准(无量纲)
Table 5 Groundwater richness evaluation scoring standard (dimensionless)
单位涌水量(m3/d)>5000(3000,5000](1000,3000](100,1000]≤100评分54321
根据地下水功能价值综合指数VI，将地下水功能价值由低到高分为5个等级，结果见表6。
表6 地下水功能价值评分标准(无量纲)
Table 6 Standard classification of groundwater function value(dimensionless)
地下水功能价值指数VI[0,5](5,10](10,15](15,20](20,25]地下水功能价值级别低较低中等较高高
2.4 地下水污染风险评价
在地理信息系统(GIS)环境下，将脆弱性指数、污染源荷载综合指数以及水功能价值综合指数的计算结果代入式(5)进行叠加计算，得到不同区域地下水的污染风险：
R=DI×PI×VI
(5)
式中：R为地下水污染风险值；DI为地下脆弱性指数；PI为污染源荷载综合指数；VI为地下水功能价值综合指数。
根据地下水污染风险值R，采用等间距法将污染风险划分为高、中、低3个等级。
3 分析结果
3.1 地下水脆弱性
本次研究根据行政区划和地貌单元将西安市平原区划分为32个子区间，作为地下水脆弱性评价基本单元，通过收集、整理DRASTIC地下水脆弱性评价模型所需的相关数据，按照对应等级进行赋值并代入式(1)叠加计算，得出地下水脆弱性指数。根据计算结果，将研究区地下水脆弱性按各单元分成5个等级，结果见图2。西安市平原区地下水高脆弱性区域面积为421.10 km2，占平原区总面积的9.0%；地下水较高脆弱性区域面积为1785.11 km2，占平原区总面积的38.3%；地下水中等脆弱性区域面积为963.26 km2，占平原区总面积的20.7%；地下水较低脆弱性区域面积为791.97 km2，占平原区总面积的17.0%；地下水低脆弱性区域面积为696.12 km2，占平原区总面积的14.9%。地下水脆弱性较高区域主要集中分布在平原区北部的渭河及其支流的河漫滩和一级阶地上，这些地区地下水埋深浅，含水层多为砂砾石、亚黏土组成，颗粒粗大，水力联系密切致使含水层透水性强、易受污染。因此，地下水脆弱性相对较高，而脆弱性较低区域主要分布在东南部的白鹿塬、少陵塬、神禾塬等。这些地区地下水埋藏深，包气带厚度大且含水层主要由黄土构成，天然防护性能较好，不易受到污染，因此地下水脆弱性相对较低。地下水脆弱性整体趋势从河漫滩、一级阶地、二级阶地、三级阶地、冲积扇、黄土台塬依次降低、地下水越来越不易受到影响。吴晓娟等[19]对西安市地下水脆弱性的研究成果显示，西安市渭河及其支流附近地下水脆弱性高，而黄土台塬地区脆弱性低，这与本文的评价结果类似。
3.2 地下水污染源荷载
本次研究选取加油站、耕地、工业园区、垃圾填埋场、危险废物处置场以及高尔夫球场作为污染源调查对象。通过整理、分析相关资料，通过式(2)计算各个污染源荷载并将结果带入式(3)，得到地下水污染荷载综合指数。根据表2污染源荷载分级标准，在GIS环境下得到地下水污染源荷载分区图，如图3所示。西安市地下水污染源荷载情况整体较好，污染源荷载程度主要集中在低和较低范围内，荷载影响低的区域占平原区总面积的43.73%，较低的占54.90%，其中工业和农业污染是地下水污染风险的主要来源。平原区中部大部分区域污染源荷载较低，主要是由于该地区属于西安市主城区、城市化率高，耕地少，受农业污染影响较小，并且近年来西安市政府加大了环境监管力度，已将主城区内重点污染型企业外迁至偏远郊区，则该地区受工业污染影响同样较小。平原区东南、东北和西部大部分区域农业用地分布广泛，主要受农业面源污染影响，污染源荷载情况相对于平原区中部较高，但整体水平还是处于低和较低范围内。
图2 西安市平原区地下水脆弱性分区图
Figure 2 Distribution of groundwater vulnerability in Xi’an plain area
图3 西安市平原区地下水污染源荷载分区图
Figure 3 Distribution of groundwater pollution source load in Xi’an plain area
3.3 地下水功能价值
西安市平原区地下水富水性较强的区域主要集中分布在平原区北部的渭河的河漫滩及一级阶地上，这些地区受河流补给明显，地下水资源丰富；而平原区东北部地区地下水资源则较为匮乏。地下水富水性整体趋势从河漫滩、一级阶地、二级阶地、三级阶地、冲积扇、黄土台塬依次减弱。地貌单元、河流水系的分布是影响西安市平原区地下水富水性分布差异的主要原因。根据地下水水质调查资料分析结果，平原区浅层地下水水质整体情况一般，较差区域主要集中分布在渭河、沣河、灞河等主要河流的河漫滩和一级阶地上，这些地区地下水脆弱性较高，易发生污染。利用式(4)，在GIS环境下对富水性和地下水水质分析结果进行叠加运算，获得地下水功能价值综合指数并根据表6进行分级，结果见图4。其中城六区(未央区、灞桥区、雁塔区、碑林区、莲湖区、新城区)东部、周至县和鄠邑区大部分地区由于地下水水质状况和富水性都相对较好，因此，其地下水功能价值最高。长安区南部、蓝田县南部、临潼区北部以及阎良区和高陵区的大部分地区地下水功能价值最低。总的来看，西安市平原区地下水功能价值整体较高，大部分区域表现为中等及以上，富水性是影响西安市平原区地下水功能价值分区的重要因素。孟东芳等[20]对西安市地下水水质的研究评价成果显示，周至县、鄠邑区、长安区地下水水质优良，而临潼区、阎良区、高陵区水质较差。同时，董艳慧[4]对西安市地下水水量的分析研究显示，渭河的河漫滩及一级阶地的富水性最高，而冲积扇、黄土台塬地区的富水性最低，与本文评价结果基本吻合。
图4 西安市平原区地下水功能价值分区图
Figure 4 Distribution of groundwater functional value in Xi’an plain area
3.4 地下水污染风险
在GIS环境下，使用式(5)将地下水脆弱性、地下水污染源荷载以及地下水功能价值进行叠加运算，结果见图5。可知，西安市平原区浅层地下水污染风险具有如下特征：
地下水污染高风险区域主要分布在周至县北部的渭河沿岸以及蓝田县县城北部的灞河沿岸，分布面积约为8.2 km2，占研究区总面积的0.2%。这些区域位于河流沿岸，受河流补给明显，富水性高，且地下水埋深浅，含水层厚度大且多由砂砾卵石、亚砂土组成，含水层透水性强，因此地下水脆弱性和地下水功能价值都为较高水平，易发生污染，污染后预期损害也相对较大，同时根据污染源调查，这些地区受工业活动影响，地下水污染源荷载也相对较高。
图5 西安市平原区地下水污染风险分区图
Figure 5 Distribution of groundwater pollution risk in Xi’an plain area
地下水污染中等风险区主要分布于周至县的渭河沿岸，长安区的浐河沿岸、鄠邑区的涝河沿岸以及蓝田县的灞河沿岸，分布面积约为1336.78 km2，占研究区总面积的28.8%。这些地区均属于河漫滩或者低级阶地，地下水埋深浅，含水层厚度较大且多由砂砾石、亚黏土组成，颗粒粗大，富水性较强且易受污染，因此地下水脆弱性和地下水功能价值都相对较高，但是这些地区土地利用类型多为耕地和草地，且污染源少，地下水污染源荷载较低。
地下水污染低风险区主要分布在周至县南部、鄠邑区南部以及城六区(未央区、灞桥区、雁塔区、碑林区、莲湖区、新城区)、阎良区和长安区的大部分地区，面积为3313.02 km2，占研究区面积的71.1%。这些地区大多属于二、三级阶地或黄土台塬，地下水埋藏较深，包气带厚度大，天然防护性能较为良好，存在的污染源较少，地下水遭受污染的可能性较小，或是含水层富水性较差、水质状况不佳，地下水功能价值较低，发生污染的预期损害相对较小。
4 结 论
1)西安市平原区地下水脆弱性主要受地形地貌影响，整体趋势从河漫滩、一级阶地、二级阶地、三级阶地、冲积扇、黄土台塬依次降低；污染源荷载整体水平较弱，平原区中部弱于其他地区；水功能价值较高区域主要分布在平原区西部和东部。
2)通过建立地下水污染风险评价模型及评价指标体系对西安市平原区地下水污染风险进行了评价，最终得到平原区地下水污染高、中、低风险区的面积分别为8.2，1336.78，3313.02 km2。
3)西安市平原区地下水污染风险总体处于较低水平，平原区西部和东北部的渭河沿岸以及东南部的灞河、浐河沿岸地区污染风险相对较高，地下水埋深浅，地层颗粒结构较为单一、粗大，使得地下水易受污染，且局部地区受工、农业活动影响污染源荷载强是造成地下水污染风险较高的主要原因。
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