（水文学及水资源专业论文）北票市傍河水源地供水安全分析.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t a k ear i v e r s i d ew e l lf i e l do fb e i p i a oc i t yi nl i a o n i n gp r o v i n c e 鹤ac a s es t u d y , f i r s t l y , s u p p l ya n dd e m a n dc o n d i t i o no fg r o u n d w a t e rr e s o u k ：e sa l - ea n a l y s e db a s e do n t h ee c o n o m y , s o c i e t ya n dl i v i n gc o n d i t i o no fs t u d ya r e a s e c o n d l y , g r o u n d w a t e rf l o w n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e lc a bb ee s t a b l i s h e db yu s i n gv i s u a lm o d f l o wo nt h e b a s i so ff u l l ya n a l y s e so ft h ed y n a m i cc o n d i t i o n m o r e o v e r , w a t e rb a l a n c ei sa l s o a n a l y s e d a c c o r d i n gt ot h ep r e d i c t e dg r o u n d w a t e ra l l o w a b l ew i t h d r a w a lo ft h ey e a r 2 0 10a n dt h ew a t e rd e m a n df r o m1 9 8 0t o2 0 0 4 c o n s i d e r e dt h ei n c r e a s eo f p o p u l a t i o n ， e c o n o m i ci n c r e a s e ，t h ed e v e l o p m e n to f s o c i e t ya n do t h e rf a c t o r s ，g r e ym e t h o di su s e d t op r e d i c tt h ew a t e rd e m a n di n2 0 1 0 c o m b i n e dw i t ht h er e s u l to fw a t e rs u p p l ya n d d e m a n d ，t h es y s t e mf a c t o r so f s a f e t yw a t e rs u p p l ye s t i m a t ec a nb ep r i m a r i l ye s t i m a t e d m a k eu s eo fp r i n c i p l ec o m p o n e n ta n a l y s i sm e t h o dt of i l t e rt h e s ef a c t o r sa n dt h r o u g h c l u s t e r i n ga n a l y s i sc a nc l a s s i f i e dt h ee s t i m a t e de l e v e nf a c t o r si n t ot h r e et y p e s a n a l y t i c a lh i e r a r c h ym e t h o di su s e dt o e s t a b l i s ht h ew e i g h i i no r d e rt om a k ea c o m p a r i s i o n ，f u z z ys y n t h e s i sa s s e s s m e n tm e t h o di s a l s ou s e dt om a k ea l le s t i m a t e f i n a l l y , t h er e s u l t o f s a f e t y w a t e r s u p p l y o f b e i p i a oc i t yc a n b ec o n c l u d e d t h es a f e t yw a t e rs u p p l yp r e d i c t i o ni n2 0 1 0w h i c hb a s e do nt h ep r e s e n ta n a l y s i s a n dt h ew a t e rs u p p l ya n dd e m a n di n2 0 1 0s h o w st h a tw a t e rd e m a n di sm u c hl a r g e r t h a nw a t e rs u p p l y h e n c e ，t h ec r i s i so f w a t e rs u p p l yb e c o m e sm o r es e r i o u s as e r i e so f p r o j e c tm e a s u r e sm u s tb et a k e nt os o l v et h i sp r o b l e m t l l i sc o n t a i n sa d j u s t i n gt h e d i s t r i b u t i o no fp u m p i n gw e l la n db u i l d i n g gr u b b e rd a mi no r d e rt oa v o i dt h e e x p l o i t a t i o ni nt h ea r e ao f g r o u n d w a t e rl e v e ld r a w d o w na n db l o c kt h ef i v e rv o l u m et o i n c r e a s et h er e c h a r g ed i s c h a r g e di n t ot h eg r o u n d w a t e r a sf o rt h ew a t e rd e m a n d , p e o p l em u s tb ea w 0 r eo ft h ei m p o r t a n c eo fs a v i n gw a t e r a n dr e a s o n a b l ew a t e r r e s o u r c e sc o l l o c a t i o na n dt r a n s f e r a t i o na r ea l s on e e d e d o t h e rm e t h o d sc a na l s ob e e m p l o y e dt ot r yt os e t t l et h i sp r o b l e mt oc a r r yo u tt h es u s t a i n a b l eu t i l i z a t i o no fw a t e r r e s o u r c 韶 k e yw o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；w a t e rb a l a n c ea n a l y s i s ；g r e yp r e d i c t i o n ； g r o u n d w a t ra l l o w a b l ew i t h d r a w a l ；e s t i m a t i o no fs a f e t yw a t e rs u p p l y ；r u b b e rd a m 前； 前言 以水资源匮乏、水污染严重、管理不善和供水配置不合理为特征的供水安全 问题已经成为制约我国社会经济可持续发展的重要因素，成为具有基础性、全局 性和战略性的重大问题，成为国家安全问题的重要组成部分。供水安全是指一个 地区或国家实际可供给的水资源在数量和质量上能够满足生活、生产、生态和环 境的需要，使社会经济在当前和可持续发展对水资源的需求上得到有效保障的一 种自然和社会状态( 出处) ，即供水安全兼有自然、社会、经济和人文属性。为实 现“2 1 世纪用水安全”的目标，确保促进经济社会可持续发展和政治稳定性， 确保人人都能够得到并有能力支付足够数量的水，以便生存和发展之用，并且确 保易遭受影响的人群能够得到保护，以避免遭受与水有关的危险。做好供水安全 的评价工作是必不可少的前提条件。 本文研究的是辽宁省北票市某水源地的供水安全问题，对于这一典型的以地 下水作为唯一供水水源的北方城市，随着改革丌= 放步伐的加快，经济迅速地增长， 需水量随之增加，原有的地下水水源地是否还能满足用水的需求? 怎样建立一个 安全的、持续的供水系统，考虑到未来的发展，如何缓解供需水矛盾的尖锐化， 解决水少、水脏的问题，怎样建立一个评价供水是否安全的系统，就成为本文研 究的难点和重点。 在上述背景下，本文的研究得到了水利部综合事业局和辽宁省朝阳市水文局 项目“建设项目地下取水水源论证技术研究”和“辽宁北票市扩建水源地取水论 证”的资助，对北票市供水安全状况进行了评价以及对供水出现的危机提出了解 决方案。通过本次研究，可以对辽宁省北票市如何解决现存的供水危机问题提供 定的理论依掘。为决策者和管理者制定经济的、合理的用水方案提供了帮助和 参考。 由于水平有限，文中不当之处敬请各位老师和专家批评指正。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究目的与意义 根据科学发展的要求，新世纪的水利面临着许多新的挑战，尤其是如何从国 家安全的战略高度审视和思考水利问题，从理论上回答和实践上解决水与社会经 济发展、生态环境保护之间的相互关系和一系列重大问题，不是一件容易的事情。 水资源安全是当前水利领域科学研究前沿的交叉课题i h 】。 水资源安全简称为水安全，研究水安全的目的可以从三个方面来理解，即持 续发展、战略安全和人类文明与经济发展。供水安全是水安全中一个很重要的组 成部分，它包括满足人们的生活、生产的用水需要、环境用水和必要的生态调水 等方面的需求。水资源的可持续利用思想在水利界已达成了共识，长期的安全的 供水保证就是某种程度上的水资源可持续利用 4 - 7 1 。从另一角度来看，供水安全 具有自然、人文和社会经济三种属性，是在一定时空条件下的人类与生存和发展 中可以持续、稳定、及时、足量和经济地获取所需水资源的状态。2 0 0 0 年3 月 海牙世界部长级会议宣言的标题和斯德哥尔摩世界水讨论会的主题都是“2 l 世 纪水安全”。2 0 0 3 年，回良玉副总理【8 】也提出：“水安全和粮食安全、能源安全一 样是国家安全的重要组成部分。” 当今世界水资源面临空前的危机，2 0 世纪世界人口增加了2 倍，人类用水 增加了5 倍，这些将导致2 l 世纪水资源问题更加严竣，主要表现在：l 、水资源 供需矛盾日益白炽化；2 、水质危机所导致的水资源危机将大于水量的危机；3 、 水资源开发引起的生态问题更加严重。目前，据世界卫生组织和联合国儿童基金 会估计，目前全球缺少饮用水，未达安全标准的人口已高达1 l 亿，水安全已被 公认为是造成疾病蔓延、食物短缺、用水纷争、畜牧业和农业停滞的罪魁祸首【9 】。 2 0 2 0 年，全球将有6 0 的城市人口面临用水安全问题。联合国在1 9 9 9 年曾发出 警告：“如果不采取有效措施，到2 0 2 5 年，世界上将有近1 3 的人d ( 2 3 亿) 无 法获得安全的饮用水【m 1 4 1 。”为了满足人口增长和福利增加的水资源需求，大量 超采地下水已严重影响到了区域水资源的可再生性，大量的污水排放，水质污染 已波及到了地下水系统。供水安全的持续发展已经出现如此大的安全隐患，这就 使得它被世界上一些国家提升到了一个战略的高度【l 5 1 。 j i 海大学顾1 论文 北蔡市傍河水源地供水虫令分析 传统的缺水一般分三类，即资源性缺水、水质性缺水和工程性缺水，由刘昌 明院士提出的缺水分为超承载、水质、设施与管理四类缺水u 6 , 1 7 】。笔者认为缺水 应分为资源性缺水、超承载缺水、水质性缺水和污染型缺水四种，原因是因为我 国水资源南北分布不均匀，区域水资源拥有量不同，西部很多地方由于缺水形成 了大面积的荒漠，无人居住，加剧了东南沿海地区( 人口密度较大区域) 的用水 负担。所以在本文中提出资源性缺水和超承载缺水是两个不同的缺水类型。 地下水是我国北方地区的主要供水来源，本文中所涉及到的供水安全主要是 指地下水的供水安全。本文主要在水供需矛盾和地下水供给方面上进行了评价。 供需矛盾主要包括对水资源条件、供水潜力和用水量之间矛盾的分析，地下水供 水主要考虑了可供水量、生态需水等方面的问题。 1 2 国内外研究状况 当前人们对水安全研究较多的是从一种资源安全的角度来进行研究，水安全 从某种意义上来说是指水资源安全。水资源安全通常指水资源( 量与质) 供需矛 盾产生的对社会经济发展、人类生存环境的危害问题。供水安全是考虑水资源安 全所产生的供需矛盾的具体表现。水资源承载力是评价水资源安全的一个基本度 量【1 8 】。 1 2 1 国外研究状况 国外涉及水安全研究方面的内容主要集中在水循环、水文情势控制、水污染、 生态环境需水和干旱缺水等方面。但是目前，国际上对水安全还没有形成统一的 概念，缺乏明确的定义。2 0 0 0 年3 月海牙十届部长级会议宣言“2 1 世纪水安全” 提供了水安全概念【1 9 1 。近3 0 年来，众多国际组织和科研机构加强了对水安全问 题产生机理的研究，如f r i e n d ( f l o wr e g i m e sf r o me x p e r i m e n t a la n dn e t w o r k d a t e ) 行动计划【2 0 】。第一个行动计划由英国的水文研究学会( i n s t i t u t eo f h y d r o l o g y u k ) 倡导，并为1 9 8 5 - 1 9 8 8 年的国际水文计划方案i ( u n e s c o i n t e r n a t i o n a lh y d r o l o g i c a lp r o g r a m m e l i d 作了部分工作f 2 ”。研究内容较系统地 体现了洪涝灾害、干旱缺水等水安全问题产生的内在机理。t o s h i h a r ui ( o j i r i 在r 本水文学与水资源研究进展中用混合优化法与模糊评价和遗传算法优化相结合 的“健全的河流流域”，将生念环境纳入水安全的研究范畴瞄1 。1 9 8 8 年水文水资 2 第一章绪论 源学会( j s h w r ) 说明水安全是涉及众多科学领域的复杂系统，水安全问题是 多因素的综创捌。1 9 9 8 年1 月举行的第1 2 界莱茵河部长会议第一次要求各国采 取措施，让莱茵河重新自然化【2 4 】。荷兰从2 0 世纪9 0 年代初就实行了一项“回归 大自然计划” 2 s - 2 r l 。2 0 0 0 年3 月，联合国的“世界水发展报告( w w d r ) ”侧 重于水质、用水、人类健康影响和流域管理方面的研究，定性与定量相结合的方 法分析淡水数量、质量和利用状况，管理机构，社会经济及环境氛围f 2 8 2 9 1 ，目前 的问题与出现的威胁等，初步将水安全提到了供水安全的领域。欧洲一些国家己 认识到保护河流生态的重要性，并采取措施恢复河流生态系统，提供安全的饮用 水，恢复地下水供给等。以上这些经验和做法可以使我们深刻地认识到水安全研 究必须体现人与自然和谐的概念，必须将河流生态系统的安全纳入到水安全研究 的范畴之中。国际水文计划( 卿) 第5 个阶段的研究内容中包括了对水资源量 的变化系统的研究，提出了区域特定水安全问题这一研究主题【3 0 1 。第6 阶段 ( 2 0 0 2 。2 0 0 7 年) 从水的自身演变规律以及水与社会发展的关系角度，研究了水 安全问题。美国全球水循环研究计划( g w c p ) 指出了人对水安全问题产生以及 人与水安全的相互关系【3 1 j 2 1 。全球水系统计划( g w s p ) 综合研究了水安全要素 的变化与发展趋势，特别是水与社会、经济、生态之间关系变化所带来的对水安 全的影响以及人类活动对水安全的影响，为分析水安全系统结构及其功能奠定了 基础，更进一步靠近了供水安全的概念【3 3 】。 相关的讨论和行动始于1 9 9 7 年阿根廷的马尔德拉普拉塔，经过都柏林会议 于1 9 9 2 年在里约写入2 l 世纪议程中的第1 8 章。这些行动在联合国持续发展委 员会第六次会议和第二届世界水论坛及部长级会议上得到再次确认。在2 0 0 1 年 波恩会议( “都柏林+ 1 0 ”) 上，通过对2 1 世纪议程实施1 0 年进行评估以及在今 后的其他场合中还将继续进行讨论 3 町。在2 1 世纪提供水安全的目标得到世界各 地的专家、投资人及政府官员前所未有的广泛参与和讨论。 1 2 2 国内研究进展 有学者认为，水资源安全是水安全的一个层面。如方子云( 1 9 9 8 ) 从可持续 角度论述水资源的安全保障问题”1 ；洪阳( 1 9 9 9 ) 指出水安全问题就是水给人类 带束的危害【3 6 】；夏军( 2 0 0 2 ) 认为水安全问题通常是指相对人类社会生存环境和 经济发展过程中发生的水的危害问题，而水资源安全问题是其最为重要的一个方 3 州海= 学硕卜论文北蕖市傍河水源地供水安伞分析 面【3 7 州】。陈家琦( 2 0 0 2 ) 、方红松( 2 0 0 2 ) 、闵庆文( 2 0 0 2 ) 等考虑水资源的安 、 全同时注重了水量与水质的问题。水资源安全用通俗的话说就是水多、水少、水 脏对环境、开发利用的影响问题。 水不仅仅是一种资源，同时也是环境的重要组成部分。水安全问题涉及到资 源、环境、生态、社会、政治、经济等多方面因素，包含了定量与定性的成分， 不少研究人员从不同的角度提出了评价方法。韩宇平和阮本清提出从水供需矛 盾、生态环境、粮食安全、饮用水安全、控制灾害、水价值和水资源管理的角度 构建水安全评价指标体系，并且引用多层次多目标决策和模糊优选理论，建立了 区域水安全评价的模糊优选模型1 4 2 ；夏军、朱一中等提出根据水资源承载力评价 水资源安全【4 3 1 ；贾绍风等提出了水资源安全评价的指标体系f 似删。方子云、汪 达( 2 0 0 1 ) ，彭盛华、袁弘任等( 2 0 0 1 ) 学者提出水环境不是只与水有关的水体， 而是一个与水、水生生物和污染等有关的综合体，是储存、传输和提供水资源的 水体，也是水生生物生存与繁衍的空间和各种污染物的最终归宿【4 刀。廖文根 ( 2 0 0 2 ) 也指出水环境是一个以水体为核心的动态空间系统。在研究水资源承载 力的过程中就有人提出了水环境承载力的说法，认为水环境承载力是在一定的水 域，其水体能够被继续利用并仍保持良好生态系统时所能容纳污水及污染物的最 大能力( 汪恕诚，2 0 0 1 ) 。在对水环境安全的研究上，不少学者认为水环境安全 就是指水质污染问题，如熊正为( 2 0 0 1 ) 、杨家明( 2 0 0 2 ) 、董维红( 2 0 0 2 ) 等都 仅以水质恶化、水体污染作为水环境安全的衡量标准。也有有关对水量水环境安 全的研究，如苏德荣( 2 0 0 2 ) 分析甘肃水安全战略时强调水量【4 8 j ，王西琴在有关 生态需水研究与河道生态需水研究方面发表了一系列的文章，谈到生态用水的安 全性，丰华丽( 2 0 0 2 ) 也在河流生态用水研究进展上有所探索( 4 9 】。钱易在水资 源管理需要新思路新策略中提出“以供定需”的概念，为节约用水、控制水需 求和水污染，提供了一种新思路和新手段 5 0 1 。同时他在文章中还提出了“开发利 用非传统水资源”的新理念，为水资源利用提供了一种新模式。夏青在水资源 管理与水环境管理中提出，水资源管理要实现“水质水量合理统管”、“生态流 量的保证”、“优化调配”为目标【5 【】。 1 3 供水安全的概念及评价方法 随着人口、经济条件、生活压力、水资源状况等方面的地区差异，供水安全 4 第一章绪论 的意义也不同，对于水少、污染严重、经济又有发展潜力的地区，能否安全地保 证生活、生产用水，国家以及地方政府应该给予更多的关注。 地下水的供水安全主要是对地下水系统以及它所造成影响的研究，对于我国 大部分地下水作为唯一供水水源的地区，其供水安全的研究就有着它重要意义。 1 3 1 供水安全概念的演迸 说到安全问题，传统的概念就是国家间的军事安全，随着时代的进步，生态 环境破坏的日益严重，自然资源的减少和社会经济的不断发展，安全问题也就扩 展到了各个方面。从1 9 8 6 年切尔诺贝利核电站核泄漏事故后，“生态安全”一词 被引入我们的生活，随后经济压力、资源短缺、人口增长和环境退化等也都提出 了安全的概念。从可持续发展的角度来看，联合国环境与发展委员会在我们的 共同未来报告中强调安全问题也是环境可持续性的一个重要组成部分【翻。 水安全问题的研究起步于2 0 世纪7 0 年代，1 9 7 2 年、1 9 7 7 年联合国先后提 出：“水将导致严重的社会危机”。1 9 9 8 年洪阳在中国2 l 世纪的水安全问题 一文中提出，由于人类活动的影响，改变了水文循环平衡，降低了水质，从而引 发水安全问题，这种水安全的阐释认为水安全是由于人类活动的不当影响造成 的，着力点在水质和水量上 5 r - s q 。2 0 0 0 年3 月通过的“2 l 世纪水安全”海牙部 长级宣言指出：“水资源安全即以可以承受的价格提供安全的供水”，这里所说的 水安全就可以狭义的定义为供水安全，它的实质就是水资源供给能否满足合理的 水资源需求；“世界水展望( 2 0 0 0 年) ”在为了全球水安全：行动框架中提 水安全的定义是以满足人类生存的需要作为水安全的主要内容，这已经是供水安 全的范畴了；从2 0 0 1 年3 月安南在世界水日的献词“水安全 类的基本需 要和权利”到波恩国际淡水会议( 2 0 0 1 ) 提出水安全要和可持续发展结合起来； 2 0 0 2 年宋国涛等在中国国际环境问题报告中提出水安全是指一国实际占有 的水资源，能够保障该国经济当前的需要和可持续发展的需要；在2 0 0 4 年，阮 本清、魏传江等首都圈水资源安全保障体系建设中提出，水安全是一种社会 状态，要与社会、经济、生态结合起来考虑，把水安全作为可持续发展的重要内 涵。结合以上学者所做的研究，供水安全既然是水资源安全的重要组成部分，它 也涉及到资源、环境、生态、衽会、政治、经济等多方面园素，供永安全的根本 目的是在保证不损害可持续的自然生念环境系统的条件下，充分考虑水一经济一 5 河海人学硕k 论文北枭市傍 i j 水源地仇水蜜伞分析 社会的相互影响关系，努力改善人类的生活质量，提高人类和社会福利水平，保 持经济迅速增长1 5 6 1 。本文在可持续发展的前提下，以可承受的水价范围内，满足 生活、生产、生态的需水要求的供水条件称为供水安全。显而易见，供水安全具 有明显的整体性、综合性、关联性和长期性( 5 7 j 飘。 1 3 2 水安全及供水安全的主要评价方法 水资源安全通常是指由水的供需矛盾产生的影响经济社会发展、人类生存环 境的危害问题。水资源承载力是水资源安全的基本度量。国外通用的研究方法有： 基于水力学基础的水力学法；基于生物学基础的栖息地法；基于水污染控制的污 染预算法，等等。 供水安全的评价方法还在探索阶段，但层次分析法( a h p ) 、模糊综合评判 法、灰色关联法、压力状态一响应法( p s r ) 等可供借鉴。在各种方法中还存 在着因子的选取和分析，可以采取因子分析模型和聚类分析来解决问题。 1 3 。2 1 层次分析法 层次分析法是美国运筹学家s a a t y 于2 0 世纪8 0 年代提出的一种实用的多方 案或多目标的决策方法，其主要特征是它可以合理地将定性与定量决策结合起 来。按照思维、心理的规律把决策过程层次化、数量化。该方法自1 9 8 2 年被介 绍到我国以来，定性与定量相结合地处理各种决策因素的特点，以及其系统灵活 简洁的优点，迅速地在我国社会经济各个领域内得到了广泛的重视和应用，如能 源系统分析、城市规划、经济管理、科研评价等。层次分析法的基本思路与人对 一个复杂的决策问题的思维、判断过程大体上是一样的。 本文是将各指标的评估年与参照年的相对差距及距离指数，可以很好的反映 流域评估年相对于参照年的供水安全状态。在距离指数的基础上，采用层次分析 法评价供水安全状态，可将这种方法建成为距离指数层次分析综合法【5 9 】。 1 3 2 2 模糊综合评判法 对一个事物的评价，常常要涉及多个因素或者多个指标，根据这多个因素对 事物作综合评价。将评价目标看成是由多种因素组成的模糊集合( 称为因素集u ) ， 再设定这些因素所能选取的评审等级，组成评语的模糊集合( 称为评判集v ) ， 分别求出各单一因素对各个评审等级的归属程度( 称为模糊矩阵) ，然后根据各 个因素在评价目标中的权重分配，通过计算( 称为模糊矩阵合成) ，求出评价的 6 第一章绪论 定量解值( 删。 1 3 2 3 因子分析模型 在实践中，收集到的数据往往是多指标的，而且各指标之间通常不是独立的， 或多或少存在着一定程度的相关关系。因子分析的目的是通过少数几个变量去描 述这众多变量问的协方差关系，称之为因子【6 1 】。 ( 1 ) 以相关为基础。在所收集到的众多变量中，必定存在某些是高度相关 的，把这些高度相关的变量组成一组。这样同一组内变量具有高度相关，而与其 他的各组变量却只有较小的相关或是不相关。这些组内高度相关的变量可以设想 是一个共同的东西在影响着它们而导致高度相关，这个共同的东西称之为公共因 子。如前所述，这些公共因子是潜在但不能观测的。 ( 2 ) 通过协方差来实现因子分析是以相关为基础，从协方差或相关阵开始 把大部分变异归结为少数几个公共因子，把剩余的部分称为特殊因子。 1 3 2 4 聚类分析 聚类分析也称群分析、点群分析，是研究分类的一种多元统计方法，所研究 的样品( 网点) 或指标( 变量) 之间存在程度不同的相似性( 亲疏关系以样 品间距离衡量) 。于是根据一批样品的多个观测指标，具体找出一些能够度量样 品或指标之间相似程度的统计量，以这些统计量为划分类型的依据，把一些相似 程度较大的样品( 或指标) 聚合为一类，把另外一些彼此之间相似程度较大的样 品( 或指标) 又聚合为另一类，直到把所有的样品( 或指标) 聚合完毕，这就是 分类的基本思想。在聚类分析中，通常将根据分类对象的不同分为q 型聚类分 析和r 型聚类分析两大类。r 型聚类分析是对变量进行分类处理，q 型聚类分析 是对样本进行分类处理。r 型聚类分析的主要作用是：不但可以了解个别变量 之间关系的亲疏程度，而且可以了解各个变量组合之间的亲疏程度；根据变量 的分类结果以及它们之间的关系，可以选择主要变量进行回归分析或q 型聚类 分析。q 型聚类分析的优点是：可以综合利用多个变量的信息对样本进行分类； 分类结果是直观的，聚类谱系图非常清楚地表现其数值分类结果；聚类分析 所得到的结果比传统分类方法更细致、全面、合理 6 2 , 6 3 】。 1 4 研究内容及目标 在国内学术界主要研究的是水资源安全方面的内容，对于供水安全评价研究 河海大学碗上论文 北祟市傍河水源地供水安全分析 的并不多见，本文考虑到各个方面的需要，重点研究了供水安全的评价指标、方 、 法及风险，更有针对性地提出了供水是否安全对人类生活、社会经济发展带来的 影响。本文以辽宁省北票市傍河水源地为例，借助水利部综合事业局的建设项 目地下水取水水源论证技术研究项目的支持，主要考虑地下水水源地对供水安 全的影响，主要研究内容包括： 分析及预测地下水可开采量，利用v i s u a lm o d f l o w 软件建立研究区的地 下水水流模型，通过分析参数的不确定性，得出可开采量的随机性。在调整开采 井布局方案的情况下，重新分析并对比可开采量的合理性。 分析及预测需水量，利用g m ( 1 ，1 ) 模型对城市生活、农村、农业、工业 需水量分别进行分析和预测。 确定供水安全评价因子，通过社会、经济、环境、政治等因素，用层次分析 法确定各项因子的权重，从而对北票市现状的供水安全进行评价。 在供水水源地建立水利工程( 橡胶坝) ，增大河流对地下水的补给量，从而 对增大可开采量后的供水安全进行分析。 分析供水安全系数，根据以上选择因子权重过程中的不确定性、可开采量的 随机性和需水量预测的风险，分析供水安全的合理性并计算它的风险。以下是本 次研究的技术路线图( 图1 1 ) ： 函豳*辎_1匝 秘嚣褂i 瓣 第二章研究区概况 第二章研究区概况 2 1 自然地理与经济概况 2 1 1 位置及交通 北票市位于辽宁省西部，大凌河中游，东经1 2 0 0 1 5 1 2 1 0 1 7 ，北纬4 2 0 1 7 4 1 0 2 4 ，东西宽8 3 2 5k m ，南北长1 2 9 5i o n 。如图2 1 所示，北票市南临锦州， 北接内蒙古自治区，位于环渤海地区，西北与承德、赤峰两市相邻，东南与锦州、 阜新两市构成经济三角区，地理位置十分重要，是历史上兵家必争之地。全市总 面积4 5 4 5 k m 2 ，辖3 0 个乡镇，7 个管理区，总人口6 3 1 万人。城市交通方便， 境内锦承铁路可直通北京、沈阳、大连、锦州、承德等城市，公路以贯通关内外 的大动脉1 0 1 国道和3 0 5 线为轴心。形成了四通八达、连接城市的交通网络。距 机场4 5k m ，港口1 5 0k m 。研究区位于北票市下府乡境内，地理坐标为东经 1 2 0 0 4 1 1 5 7 1 2 0 。4 8 4 5 7 ，北纬4 1 0 4 5 4 1 0 4 7 3 0 7 范围内，水源地位于东官河、西 官河两条河流交汇处，距市内约4k m 。 2 1 2 社会经济概况 图2 - 1 北票市地理位置图 北票市是一座以生产煤炭及机械、纺织、建材加工业为主的工业城市。城市 人口1 2 2 力人，2 0 0 3 年本市工业总产值为1 3 6 3 亿元，它峰持以经济转型总揽 工作全局，深入实施“结构调整、外向牵动、非公有制经济兴市”三大战略，加 1 0 i f 辩大学硕 论空北基市傍洲水潭地供水宜牟分析 侠推进“工业化、产业化、城镇化”三化进程，以建鼗“生态型，加工型、旅游 、 型”三型城市为目标，形成了“主题是发展、主攻是工业、主体是民营”的浓厚 氛围，实现了全面建设小康社会的良好开局。 北票市的产业结构由机械、冶金、建材、矿产资源丌发、农副产品深加工和 食品加工七大行业组成，冶金、纺织、农副产品深加工三大支柱产业迅猛发展， 支柱企业发展后劲十足，企业的市场竞争力和产品竞争力进一步增强。 矿产资源丰富，素有“乌金之埠、黄金之邦、铁石之域、玛瑙之乡”的美誉。 自然人文景观众多，境内有大黑山国家级森林公园、辽宁省第三大水库白石水库、 国家级古生物化石自然保护区及“三燕“时期鲜卑墓群、惠宁寺、尹湛纳希纪念 馆等旅游景点。因发现“中华龙鸟、辽宁古果”等古生物化石而名震中外，被誉 为“世界上第一只鸟飞起的地方，第一朵花绽放的地方”。 农村经济结构调整初见成效，产业化经营水平进步提高。畜牧业，保护地、 辣椒、林果业四大基地初步建成，是东北最大的无公害番茄、辣椒生产基地和集 散地。无公害农产品基地面积1 0 5 万亩，农业标准化品种1 8 个。“三禽”饲养 总量达到2 0 0 0 万只。北票果菜批发市场是“省级农业产业化重点龙头企业”。 第三产业和非公有制经济发展迅速。各类商业经营网点达到2 万余处，社会 消费品零售总额7 5 亿元，完成第三产业增加值6 亿元。私营企业和个体工商户 分别达到3 6 7 户和1 4 5 9 0 户，个体私营从业人员5 _ 3 万人。非公有制经济总产值 2 7 1 亿元，创税9 0 0 0 万元，占全市税收总额的6 4 4 。 现状供水量2 5 x 1 0 4 m 3 d ，主要由北票市自来水公司下湾子水源地和骆驼营 水源地负担。 2 1 3 气候气象 北票市为大陆性干旱、半干旱气候区，春天干燥、多风沙，夏天较为炎热、 冬季漫长寒冷、四季分明，多年平均气温为8 3 c ，年气温变化较大，多年内最 高气温为4 0 7 。c ，最低气温达2 6 4 。根据北票市气象记录资料，1 9 6 0 年至2 0 0 4 年多年平均降水量为4 6 5 4 m m ，多年平均水面蒸发量为1 9 0 0 r a m ，研究区1 9 8 1 年至2 0 0 4 年逐年降水蒸发变化过程如图2 - 2 所示。同时，受气候和自然地理环 境的制约，降水量年内变化明显，降水多集中在6 、7 、8 三个月份，全年地面蒸 发量均较大。 第二章研究区概况 图2 - 21 9 8 1 2 0 0 0 年降水量及蒸发量变化过程 2 1 4 水文 研究区内主要有西官河和东官河两条河流，其中西官河属大凌河二级支流， 是区内的一条季节性河流，该河长5 6 k m ，集雨面积3 9 7 0 6k m 2 ，河床平均比降 1 1 0 0 。西官河在黄花营子附近汇入大凌河一级支流凉水河子，凉水河子河多年 平均径流量为4 9 3 4 x 1 0 4m 3 。全年流量不均，雨季河水汛涨，枯水期流量很少、 甚至干枯。研究区以上西官河流域面积为3 3 7k m 2 ，下游距凉水河子干流0 9k m ； 东官河长5 4k m ，集雨面积为3 3 4 ，0 7k m 2 ，河床比降1 1 0 0 ，年径流量为 4 1 4 8 1 0 4 m 3 ，桔水期历时2 4 2 天，桔水期地下水李 给河水。洪水期历时1 2 3 天， 洪水期埋深0 5 1 o m 。 2 1 5 地形地貌 区内地貌为西高东低( 如图2 - 3 所示) ，属于低山丘陵地形，河谷两侧为低 山，标高一般在海拔2 0 0 3 0 0 m 之问，最高山峰3 4 5 m ，沿东西方向形成的河谷 较窄呈“u ”形，河谷不深，一般为1 2 m ，河谷两侧冲沟发育，切割较深，形 成大小不同的山自i 洪积扇群，扇的坡面较缓，一般在5 0 1 5 0 之间，洪积扇厚度 一般为5 2 0 m 。由冲洪积物堆积形成一级阶地，在河流南侧有不连续分靠，宽 度一般在5 0 l o o m ，阶地酶沿坝高l 】5 m ，后缘坝高2 1 0 m 。漫潍河床宽度 一般在4 0 0 5 0 0 m 。阶地、漫滩及河床主要岩性为砂砾卵石，两岸阶地较少，西 官河左岸和东官河右岸，靠河岩石陡立，阶地较少，在西官河右岸，东官河左岸 多与山前洪积扇相接，地形较缓，阶地呈不连续状况，般宽为l o o m 左右。 河海人学硕上论文 北票市傍女f 水源地0 水安牟分析 图2 - 3 研究区三维地形示意图 2 2 供水水源地范围的确定 根据北票市的自然地理条件、水文地质条件，地下水水位降落漏斗的分布情 况( 2 3 节具体介绍) ，在第三章中将介绍对该区的是的数值模拟，从具体的的 条件出发，根据傍河水源地的特点，城市、农村用水需水量，以及工业、农业用 水量等因素，本文供水水源地范围是根据2 0 0 0 年平均潜水等水位线的依据，划 定供水水源地范围，边界大致范围根掘东宫河、西官河、凉水河子河沿岸与山体 交接而划定。南北跨度约3 7 k i n ，东西跨度7 8 k m ，面积约为8 0 6 k i n 2 ，由于该 水源地地处低山丘陵区，因此供水水源地范围形状呈“u ”形。 2 3 供水水源地地质及水文地质条件 2 3 。l 供水水源地地质条件 供水水源地属于新华夏系北东向地质构造，水源地坐落在北票一哈尔瑙向斜 盆地南翼，南天门大断裂从水源地中间通过，如图2 4 所示。该断裂是压性断裂， 规模较大，该断裂从朝阳进入北票，向北东方向延伸，东到泉巨永乡黄家沟出境 入阜新，北票境内长达5 5k m ，断裂倾向为n w 3 1 0 0 左右，倾角为5 5 0 6 5 0 之问。 通过石灰岩地区，下盘为中生代侏罗纪土城子组( j 2 吐) 和白垩系孙家湾子组( k 。s ) 地层，断裂上盘为震旦系高玉庄组自云质狄岩，岩溶发育。 第二章研究区概况 图2 - 4 供水水源地概况图 供水水源地大部分是上元古界震旦系高玉庄组( z l g ) 地层，主要分布在区 内上游，其岩性为白云质灰岩，岩溶发育。以上述断裂带为界，供水水源地下游 地层多为侏罗纪土城子组( j 2 ) 和白垩系的孙家湾组( k l s ) ，岩性为紫色凝灰 质的粉砂岩，胶结不好，易风化，上覆第四系沉积物厚度较小，上游第四系沉积 层厚度相对较大，岩溶发育，含水层水量较为丰富。 区内第四系沉积物主要分布在河谷及山前地带，地貌形态为山间谷地、河谷 阶地、河漫潍。上部分布第四纪全新统( q 4 印1 ) 砂砾石，下部分布以砾石为主的 砂砾石层、局部夹黑色薄层粘土。在山前坡麓地带及全新统地层以下分布有第四 纪地层上更新统( q 3 d p l ) 砂砾石及黄色亚粘土央层，底部粘土央砾石透镜体，如 2 5 、图2 - 6 、图2 7 所示。 图2 - 5 水文地质剖面图( 西官河纵断面) 4 # 海入学质上论文北亲市傍河水源地供水蜜拿分析 图2 - 6 水文地质剖面图( 东官河纵断面) 图2 7 水文地质剖面图( 断面3 - 3 ) 2 3 2 地下水类型及含水层组 供水水源地地下水的赋存与分布受气象、水文、地貌、地层岩性等因素制约， 按照地下水赋存条件，本区主要分为松散岩类孑l 隙水和石灰岩岩溶裂隙水。区内 地下水以松散岩类孔隙水为主，主要分布在河谷冲洪积阶地、漫滩及坡洪积扇。 出于本区地表岩性为亚砂土且较薄，有利于大气降水入渗补给，周边石灰岩 岩溶裂隙水多排泄于松散堆积物中，来自区外河谷上游地下水是本区地下水的主 要补给来源。冲洪积阶地、漫滩区富水性好，山前坡洪积物含水层厚度小、不稳 定、富水性差，基岩地下水以石灰岩岩溶裂隙水为主。 ( 一) 松散岩类孔隙水 供水水源地第四系松散岩类孔隙潜水含水层主要特征为：含水层主要分布在 河漫滩和阶地上，地下水埋深一般在1 2 m 9 m 。西官河第四系较厚，一般1 0 2 0 m ，河流纵向随基底高低起伏不同，第四系的厚薄也不同，薄的地方l o m 左右， 厚的地方大约3 5 m ；东官河第四系比较薄，一殷在l o m 左右，厚的地方达到2 4 m 。 第四系孔隙水与基岩岩溶裂隙水有水力联系，一般情况下第四系水补给基岩裂隙 水。两条河汇合后，第四系变薄，一般为3 5 m ，但地下水埋深浅，大多数在1 3 m 。 5 第一二章研究区概况 第四系含水层皆为砂和砂砾石，分选性、磨圆度好，地下水水力坡度在4 1 0 0 0 左右。 松散岩类孔隙水按含水层成因类型和岩性划分为冲洪积砂砾石、砂砾卵石均 质含水层和坡洪积砂砾碎石非均质含水层。 ( 1 ) 冲洪积砂砾石、砂砾卵石均质含水层 该层分布在阶地、河漫滩地带，表层亚砂土厚度小于l m ，含水层以砂砾石、 砂卵石为主，其分选性、磨圆度较好，最大粒径l o o m m ，一般在2 5 0 m m 之间， 第四系厚度1 5 5 3 9 5 m 。含水层厚度1 4 2 3 5 8 m ，地下水埋深0 9 4 1 m ，单 并出水量4 3 6 0 6 2 0 0 m 3 d ，为水量丰富区顿丰富区。 ( 2 ) 坡洪积砂砾碎石混土非均质含水层 该含水层里不规则、不连续的带状分布于河谷两侧山前地带，上伏厚度较大 的亚粘土层，含水层为砂砾碎石，厚度不稳定，地下水水位埋深2 1 1 1 4 m ，单 井出水量小于1 0 0 0 m 3 m ，为水量中等贫乏区。 ( 二) 石灰岩岩溶裂隙水 分布于供水水源地河谷的北侧及南侧，主要是由石灰岩形成的岩溶裂隙水， 在下湾子养鱼池灰岩中有泉出露，出露点标高为海拔1 6 6 3 m ，一般年份调查的 桔水期泉流量为5 0 1 0 0m 3 h ，2 0 0 0 年枯水期因持续干旱泉水近于干枯。 2 4 地下水位动态变化特征 供水水源地内地下水补给、径流、排泄条件主要受地质、地貌、降水、水文 地质和人工开采的影响。 2 4 1 地下永的补给、径流及排泄 ( 1 ) 补给 区内地下水主要靠垂直降水入渗补给、上游河谷区地下水径流补给。在供水 水源地8 0 6 k i n 2 内，入渗条件好，以砂砾石和石灰岩为主，入渗系数o 1t o 3 。 河谷平原区岩性为砂砾石，含水层较厚，渗透性较强，使得上游地下水径流补给 条件良好，地下水水力坡度较大，比降为1 2 3 2 ，致使上游河谷地下水不断地流 入供水水源地。两河的上游补给面积7 3 1 1 3 k i n 2 ，其中东官河补给面积3 3 4 0 7 k i n 2 ， 6 河海大学硕i 二论文北票市傍m 水源地供水宜伞分析 西官河补给面积3 9 7 0 6 k m 2 。另外，供水水源地含水层还借助河水补给及山前侧 向补给。 ( 2 ) 径流及排泄 供水水源地地形总的趋势是西部高东部低，地下水流向自北西向南东方向流 动。地下水排泄主要有以下几种方式：水源地开采、地下水径流排泄、蒸发排泄 及少量农田灌溉开采。 2 4 2 地下水动态类型 一般来说，天然条件下地下水水位变化受降水、蒸发和河流的补给影响较大， 地下水开采及灌溉入渗等人为因素也会导致地下水水位的剧烈变化。随着水文地 质特征及地下水开采方式的变化，地下水动态显示出不同的特征。在本区范围内， 地下水动态可以大致划分为以下类型： ( 1 ) 入渗一径流型 主要分布于西宫河下游及凉水河子河附近，天然条件下潜水水位埋深约为 2 7 m ，地下水补