华北平原地下水的功能特征与功能评价

1、第31卷第3期2009年3月2009,31(3:368-374Resources Science Vol.31,No.3Mar., 2009文章编号:1007-7588(200903-0368-07华北平原地下水的功能特征与功能评价张光辉1,杨丽芝2,聂振龙1,申建梅1,王金哲1,严明疆1(1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄050061;2.山东省地质调查院,济南250013摘要:本文针对华北地下水评价中偏重资源而对地下水的生态功能和地质环境功能重视不足的问题,立足于华北平原地下水系统,从地下水的自然属性切入,以综合发挥地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能为目标,应用系统论和

2、层次分析法,提出了地下水功能的基本理念及其评价关键技术,包括如何构建评价指标体系和评价成果区划应用分析方法,将地下水的资源供给功能、生态维持功能和地质环境稳定功能统一在水循环系统中科学评价,以达到充分发挥地下水主要功能的综合效益最佳的目标。最后,以华北滹沱河流域作为示范区进行实证分析,结果表明,本文提出的评价方法具有很强的实用性,可划分以资源功能为主或以地质环境功能保护为主的适宜区域,这为调控区域地下水的资源功能与地质环境功能之间矛盾方面提供重要的科学基础。关键词:华北平原;地下水功能;生态与环境约束;评价指标体系;可持续性1引言自20世纪50年代以来,华北平原气候旱化、地下水过度开发利用和地

3、表水长期大规模地拦蓄,从源、汇两个方向加剧了该平原地下水系统水量负均衡,导致区域性地下水位降落漏斗出现并不断扩大,地面沉降和海咸水入侵等问题日趋严重1。这与以往偏重地下水的资源供给功能(简称“资源功能”,忽视地下水的地质环境稳定功能(简称“地质环境功能”和生态环境维持功能(简称“生态功能”密切相关25。仅从地下水系统的水量均衡角度考虑,以往华北平原地下水资源评价结果一般是可持续的,但是事实上却出现了严重的问题,即使严格按可开采量约束,也会如此68。问题出现在评价理论及方法上,在确定可开采量时没有充分考虑地下水的地质环境功能和生态功能对水量的需求,也没有充分考虑到河道长期干涸和地下水位持续下降对

4、地下水补给的影响12,710,所以会出现以消耗资源、牺牲环境为代价的开发利用过程。因此地下水的评价理论及方法急需在指导思想、理念和方法诸方面体现人与自然和谐的思想,按新的要求进行完善和发展8,11。这样,才有可能充分发挥地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能的整体最佳效益,真正地实现地下水的可持续利用45,1215。2地下水功能类型与系统组成2.1地下水功能概念与类型华北平原的地下水功能是指区域的各个流域尺度地下水系统中水的质和量及其在空间和时间上的变化对人类社会和环境所产生的作用或效应,包括地下水的资源功能、生态环境功能、地质环境功能11,1617、水资源调蓄和调节功能等,本文重点讨论前3

5、项功能。收稿日期:2008-12-12;修订日期:2009-02-05作者简介:张光辉,男,辽宁沈阳人,研究员,博士生导师,长期从事区域水循环演化和地下水可持续利用研究。张光辉等:华北平原地下水的功能特征与功能评价用的比较充分,甚至过度,年均超采量达到27.8×108m 3;在中、东部平原,深层地下水资源功能被开 发利用中存在不少问题,例如沧州地区地面沉降累关系。华北平原的地下水生态功能不显著,主要表现在东部滨海平原和河道两岸。自20世纪70年代以来,东部滨海平原的地下水生态功能在向良性方面变化,太行山前平原处于弱化状态。2.2地下水功能系统及组成特征在华北平原,地下水的资源功能、地

6、质环境功能和生态功能共处于统一的地下水循环系统中,受气候变化和人类活动两个圈层的影响(图112。其中,气候变化不仅影响地下水系统输入(补给水量,制约地下水更新动源能力,而且对该系统的输出(消耗水量也产生重要影响,同时还通过影响人类用水强度和规模(图2a ,间接影响人工开采输出水量。人类活动主要通过不断增大开采量干扰地下水功能系统状态(图2b 。当然,在滦河地下水系统、海河地下水系统和古黄河地下水系统,以及它们所属的5个地下水子系统,或7个三级地下水系统中,由于它们各自所处地理位置和地下水埋藏条件的不同,所以各自具有不同的分带性。例如滦河地下水系统中古河道带平原缺失,永定河、大清河和子牙河在滨海

7、区由于河道的变迁已难以区分,古黄河下水系统是黄河控制下的自产独立河流与地下水系统的统一。这些都是影响地下水功能状况的难以根本性改变条件,它们决定着地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能及其10个属性根基,致使它们在三维空间分布上存在较大的天然差异,不同分区的地下水优势功能和脆弱功能各不相同,它们的可利用性和可调 图2华北平原降水量变化和人类活动对地下水系统水量输入与输出强度影响图1地下水系统与影响圈层间模式及其功能相互关系Fig.1Relationship among groundwater function and the influencesystems ,and its functio

8、ns each other3692009年3月第31卷第3期节性更是差别不小。从图1可见,在华北平原地下水功能系统中,存在一部分相对独立的资源功能(图1中B1区、生态功能(图1中B2区和地质环境功能(图1中B3区,这往往是它们优势功能分布范畴。图1中I、II和III 区是两两功能彼此相互制约的功能区,为地下水功能可调控的区域。SOS区是多个功能交互制约的功能区,也是地下水功能系统最为脆弱的区带。由此可见,华北平原地下水的“资源功能”仅是地下水功能的一部分,“生态功能”和“地质环境功能”也是地下水的不可忽视、重要组成部分,它们彼此制约和相互作用。B1、B2和B3区作为圈定华北平原地下水各功能开发

9、利用或保护的合理限域。I、II和III区是不宜长期开发利用区,其利用需要考虑气候变化情况,特别是在连年枯水期更需要谨慎对待,应确保后期具有足够的修复能力或条件。SOS区理论上是严格禁止大规模开发利用的,因为这是最为脆弱的地下水功能限域,无论地下水的哪一功能过度强化,都必然引起地下水的其他功能的相应变化。3评价原则、体系与方法3.1评价原则确定在华北平原地下水功能评价中,遵循5项原则:(1立足于地下水自然属性,兼顾长期人为因素影响下的社会属性,以人与自然协调、可持续发展为根本目标。(2以流域尺度地下水循环规律作为研究基础,以华北平原地下水系统作为评价体系(主体对象,以其一、二、三级分区作为构建地

10、下水功能评价体系单元剖分的基础单元。(3以中国地质调查局发布的地下水功能评价与区划技术要求(GWI-D5为技术指针,尽可能地多目标保护、多功能互补和综合发挥作用。(4重点评价地下水的各功能区位特征及主要自然属性状况,重视前期资料及成果的利用。(5各分区或各省市地下水功能评价与区划,应以华北平原地下水功能评价的剖分单元及其编码体系、评价指标体系、数据处理及其归一化指标体系、评价结果的分级标准为技术支撑,结合各省市地方的社会属性,开展各自的地下水功能评价和区划。这样,评价成果才具有可对比性和更广泛的实用性11,1617。3.2评价体系构建体系如图3所示,它由系统目标层(A、准则功能层(B、属性指标

11、层(C和要素指标层(D等4级层次结构组成。A层是华北平原地下水项目研究的总目标,即地下水可持续利用性。B层是描述总目标的功能准则,由资源功能B1、生态功能B2和地质环境功能B3构成。C层是描述各功能层(B i的属性指标,由m个指标构成,即C1,C2,C3,C m,是各功能状况的评价基础。D层是描述各属性指标(C i的最基础要素,它们分别从不同侧面反映地下水系统某一属性状况,是具体评价的基本指标,由n个指标构成,包括D1,D2,D3,D n。如何构建评价指标体系是华北平原地下水功能评价成果可用性大小的关键,要点有二:(1遴选哪些指标作为支撑地下水功能10个属性(见图3的具体指标,要求这些指标能够

12、客观表达地下水的相应自然属性,同时兼顾必要的社会属性。如果指标过多,会带来不必要的基础资料处理实物工作量;如果指标过少或指标不够准确,会明显影响评价结果精度和可靠性。(2如何确定评价范围,如果华北平原内各省市分别构筑各自的评价指标体系和标准,那么将存在如下问题:无法集成华北平原的区域性成果;无法进行跨省市的分区地下水功能状况比较;将导致不同省市相同评价结果,而内涵不同。例如同是地下水资源功能I级区,如果分布在北京地区,则地下水可持续开采利用性很强;如果是在天津,则地下水可持续利用性只能是较强或一般。原因是北京与天津的评价基点不同,进而同级结果的内涵不同。即使是华北平原各省市采用统一的评价指标体

13、系,而在资料处理时没有采用统一的归一化极值,也同样存在上述问题。因此,对于华北平原而言,必须采用统一的地下水功能评价指标体系和标准,即D层所有指标在0,1区间的基值和物理意义完全相同,这样才能获得具有跨省市区可对比性和较大实用性的地下水功能评价成果。3.3评价方法的选择11,1617首先根据可持续利用原则,确定地下水资源功370资源科学张光辉等:华北平原地下水的功能特征与功能评价 图3华北平原地下水功能评价体系的层次结构模型示意Fig.3The framework of indictor system for groundwater function assessment群拟实现的总目标及其权

14、值关系1。为了实现B层对总目标的描述,以A层的要求为准则,对B层指标进行相对重要性的两两比较,将得到系统(A层的判断矩阵:A=b ij|i,j=1nn×m(1对A层各要素的重要性如下:b1,1表示针资源功能对水资源功能的相对重要性,为B1/B1=1;b1,2表示资源功能对生态功能的相对重要性,为B1/B2;b1,3表示资源功能对地质环境功能的相对重要性,为B1/ B3;b2,1表示生态功能对资源功能的相对重要性,为B2/B1;b2,2表示生态功能对生态功能的相对重要性,为B2/B2=1;b2,3表示生态功能对地质环境功能的相对重要性,为B2/B3;b3,1表示地质环境功能对资源功能的

15、相对重要性,为B3/B1;b3,2表示地质环境功能对生态功能的相对重要性,为B3/B2;b3,3表示地质环境功能对地质环境功能的相对重要性,为B3/B3=1。在上述工作基础上,构建A层B层、B层C 层、C层D层权重的综合判断矩阵,然后进行层次排序及求解权向量,即确定上述各判断矩阵的同一层次各因子对于上一层次某指标相对重要性的排序权值,并检验和修正各判断矩阵的一致性。对于正向量W=(W1,W2,WnT,其标准化向量W为:(2式中W s(W s1,W s2,W snT为同一层次相应因子对于上一层次某个指标相对重要性的排序权值。对判断矩阵需要进行一致性检验,直到判断矩阵具有满意的一致性为止。在此基础

16、上确定层次总排序权值。若上一层次A包含m个因子B1, B2,B m,其层次总排序权值分别为a1,a2,a m;下地下水可持续性状况地下水功能状况地下水属性状况分级与标准综评指数值状况分级功能指数值状况分级级别代码属性指数值状况分级00.2可持续性弱0.841.00强I00.2差0.20.4可持续性较弱0.670.84较强II0.20.4较差0.40.6可持续性一般0.340.67一般III0.40.6一般0.60.8可持续性较强0.170.34较弱IV0.60.8较好0.81.0可持续性强00.17弱V0.81.0好表1地下水功能评价的分级与标准Table1The grading criter

17、ia for groundwater function assessment3712009年3月第31卷第3期一层次B 包含n 个因子C 1,C 2,C k ,C n ,它们对于因子B j 的层次单排序权值分别为b 1j ,b 2j ,b nj (当C k 与B j 无关系时,b kj =0。获得各因子总排序权值(a i 后,利用下列公式计算综合评价指数(R :(3 式中a i 为评价参数的权值;X i 为评价参数,等于(d i /d max 或(d i /d 阈;n 为评价参数的个数。根据计算出的一系列R 值,绘制相关指标等值线图,圈定地下水功能状况分区,如图4所示;然后对照相应层次的评价分

18、级标准,判别评价对象的状况,并作出评价。4实证分析根据上述方法,对华北平原滹沱河流域进行了实证分析,结果如图4所示。从图4可以看出,研究区的西北部地下水资源功能较强(图4a ,生态功能较弱(图4b ,同时除了石家庄地下水漏斗区的地质环境功能较强之外,西北部其他区的地质环境功能都较弱(图4c 。因此,南北部适宜规模开采,同时适当重视地质环境功能的保护,而这里的地下水开发利用对西北部生态环境可能产生的影响较弱,可作为石家庄的重要水源地目标区。在研究区东南部的宁柏隆漏斗分布区,地下水资源功能最弱(图4a ,这里不仅严重超采,而且地层富水性也较差,部分地段含水层已经被疏干。该区的生态功能(图4b 和地质环境功能都较强(图4c ,大规模开采地下水可能会引起地质环境或生态环境方面的问题,因此不适宜大规模开采,相反需要加强地质环境功能和生态功能的涵养和保护。在正定-深泽-安平一带,地下水开发利用具有较强的可持续性,而东南部地下水可持续利用性则十分脆弱(图4d ,急需采取保护措施,包括减采对策。通过上述示例表明,在华北平原开展地下水功能评价对指导合理利用地下水资源,同时防控保护地下水的生态功能和地质环境功能具有重要作用45,1821。目