楊國慶，張有全，宮輝力，王 蓉，孫 穎

(1.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院/城市環(huán)境過程與數(shù)字建模國家重點實驗室/教育部三維信息獲取與應用重點實驗室，北京 10048；2.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195)

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潮白河沖洪積扇地下水可持續(xù)利用評價

楊國慶1，張有全1，宮輝力1，王 蓉2，孫 穎2

(1.首都師范大學資源環(huán)境與旅游學院/城市環(huán)境過程與數(shù)字建模國家重點實驗室/教育部三維信息獲取與應用重點實驗室，北京 10048；2.北京市水文地質工程地質大隊，北京 100195)

潮白河沖洪積扇地區(qū)是北京市最重要的地下水供水水源地區(qū)，年開采量達到6億方左右。持續(xù)過量開采地下水已經誘發(fā)了水位嚴重下降、水質變差和地面沉降等地質環(huán)境問題。本文在深入分析研究區(qū)水文地質條件基礎上，選取地下水可持續(xù)利用評價指標，采用層次分析法對白河沖洪積扇地區(qū)地下水資源可持續(xù)利用進行分析評價。評價結果表明：研究區(qū)中地下水可持續(xù)利用較好區(qū)域占24.82%，主要是由于其補給條件較優(yōu)，并且具有豐富的補給水源；可持續(xù)利用中等區(qū)域占70.06%，由水位下降嚴重或補給條件差造成；可持續(xù)利用較差區(qū)域占4.11%，主要原因是地下水可更新能力差，中深層承壓水水質較差，同時是地面沉降主要發(fā)育區(qū)。

地下水；可持續(xù)利用；評價；指標；層次分析法

20世紀80年代，地下水領域提出了地下水可持續(xù)開采定義[1]。隨后，地下水可持續(xù)利用定義從單一水文地質學科，逐步發(fā)展到涉及水文、地質、環(huán)境、經濟和社會領域[2]，即長時間地下水開發(fā)利用不造成不可接受的環(huán)境、經濟和社會問題，包括水位下降、地面沉降、生態(tài)系統(tǒng)退化和地表水體消失等現(xiàn)象[3]。國內外學者針對美國亞利桑那[4]、巴西維爾達代羅[5]、印度西孟加拉[6]、中國呼和浩特[7]、后套平原[8]、蔚汾河流域[9]和沈陽[10]等地地下水可持續(xù)利用進行評價，建立了考慮不同因素的評價指標。由于區(qū)域差異，在不同地區(qū)，很難有一個通用的指標體系[11]

潮白河沖洪積扇作為北京最大的地下水供水水源區(qū)域，保障著首都地區(qū)安全用水，長期過量開采地下水已經引起了一些負效應問題[12]。本文目的是從水文、地質、環(huán)境和經濟等方面考慮，建立符合研究區(qū)的地下水可持續(xù)利用評價指標體系，利用層次分析法系統(tǒng)評價區(qū)域地下水可持續(xù)利用狀況，為南水調蓄提供科學依據。

1 研究區(qū)概況

1.1 地形地貌

研究區(qū)位于北京平原區(qū)北部，是北京市最主要的地下水源地，面積約1 110 km2。

研究區(qū)內地形總趨勢北部狹窄，南部開闊，地面由北向南傾斜，海拔高程為20～60 m，平均坡度3‰左右(見圖1)。

1.2 氣象水文

研究區(qū)屬暖溫帶大陸性季風氣候，近三十年平均降雨量為548.76 mm，降水量在時間上分布不均勻，年內降水80%集中在6—8月份，每年10月至翌年4月降水量很小。研究區(qū)內水系主要有懷河、沙河、雁棲河、牤牛河和潮白河。

1.3 水文地質條件

研究區(qū)地下水系統(tǒng)由潮白河、懷河、雁棲河和沙河等數(shù)條河流沖積和洪積而成，輔以零星分布的基巖殘丘。第四系沉積物巖性、厚度及富水性空間分布差異較大。含水介質主要由砂、礫石和砂卵石構成。受基巖地形影響，第四系沉積物厚度從山前至平原逐漸增厚，由數(shù)米變化至幾百米。從北到南，含水層系統(tǒng)由單一含水層結構逐漸過渡到多層含水層結構，如圖2所示。

圖1 研究區(qū)位置圖

圖2 研究區(qū)水文地質剖面圖

2 地下水可持續(xù)性利用評價

2.1 評價指標選取

國內外學者評價地下水可持續(xù)利用的指標可被歸納為五類：地下水的資源特性、地下水獲取成本、地下水處理及管理能力、區(qū)域社會經濟和環(huán)境影響。具體評價指標各有差異。

由于研究區(qū)全部處于北京市內，歸屬同一行政單元，地下水處理及管理能力和社會經濟發(fā)展都處于國內領先水平，并且無明顯差異，因此放棄地下水處理及管理能力，區(qū)域社會經濟兩類指標，選取地下水獲取成本，地下水資源特性，環(huán)境影響三類指標評價潮白河沖洪積扇地下水可持續(xù)利用。地下水獲取成本使用土地利用現(xiàn)狀、地下水開采井距水廠距離和地下水埋深評價。地下水資源特性由五個指標表示：富水性、含水層厚度、水質、地下水易污性和含水層滲透系數(shù)。環(huán)境影響由地面沉降速率、干旱指數(shù)和地下水位下降速率表示。本文依照國內有關分級標準，結合研究區(qū)實際情況，并咨詢相關領域專家，參照表1評分原則對每個指標進行量化評分。

表1 指標分級及評分

詳細量化評分情況如表2所示。

表2 可持續(xù)利用指標量化評分

2.2 評價方法

經過大量研究驗證，層次分析法是一種有效的、定量的分析指標權重方法，廣泛應用在一個關于目標、標準和子標準的層次樹的基礎上，選擇一個最優(yōu)解決方案。

2.2.1 單層權重計算

所謂層次單排序是指，對于上一層某因素而言，本層次各因素的重要性的排序。具體分為以下步驟：

(1)構建對比矩陣，從層次結構模型的第2層開始，對于從屬于上層同一因素的諸因素，用成對比較法和1～9比較尺度構成對比矩陣。

(2)計算特征矩陣及最大特征根，利用公式(1)求將矩陣每一列歸一化，將歸一化完成后的矩陣按行求和并再次歸一化，得公式(2)。公式(2)所示矩陣為C層各指標相對A層的權重。利用公式(3)計算最大特征根。

(1)

(2)

(3)

(3)檢驗判斷矩陣的一致性，利用公式(4)、公式(5)計算一致性比率CR，當CR<0.1時，第一層目標的不一致性在允許范圍內，可以使用。

(4)

CR=CI/RI

(5)

2.2.2 求算指標權重

將指標的單層權重與對應子目標層權重相乘得到指標的權重。最終求得各指標權重如表3所示。

表3 層次分析法指標權重

3 評價結果分析

對潮白河沖洪積扇地下水可持續(xù)利用指標進行綜合分析評價，評價結果圖3所示。分析指標數(shù)據來自于2013年監(jiān)測和計算數(shù)據。

圖3 地下水可持續(xù)利用分值

研究區(qū)地下水可持續(xù)利用評分值在2.38～6.54之間，其中高頻次處于3.5～6之間，表明整體地下水開采可持續(xù)性中等偏優(yōu)。區(qū)內無可持續(xù)性優(yōu)秀及可持續(xù)性極差地區(qū)分布。

自上世紀90年代末期以來，研究區(qū)沖洪積扇上部監(jiān)測井(M309-B)、中部監(jiān)測井(H8-38-A)和下部監(jiān)測井(S1103-2A)水位呈持續(xù)下降趨勢(監(jiān)測井位置見圖1)，是研究區(qū)無地下水可持續(xù)利用優(yōu)秀分區(qū)的主要原因(見圖4)。

并對評價結果進行分區(qū)，可持續(xù)利用等級及評分原則如表4所示。將研究區(qū)地下水可持續(xù)利用綜合評價結果劃分為三個等級，如圖5所示。

圖4 地下水水位變化圖(位置見圖1)

圖5 地下水可持續(xù)利用分區(qū)圖

其中，地下水可持續(xù)利用較好分區(qū)評價指數(shù)在2～4之間。本區(qū)主要位于潮白河上游地區(qū)，懷柔應急水源地和水源八廠集中水源地都位于該區(qū)域附近，地下水開采量較大，超采情況嚴重。但由于該區(qū)以單一含水層結構為主，可壓縮黏土層厚度相對較薄，且水平上不連續(xù)，以透鏡體形式賦存在含水層中，含水層主要處于彈性釋水階段，地面沉降量較??；同時，該區(qū)地下水補給條件和徑流條件較好，大氣降水和山區(qū)側向徑流補給量大，地下水可更新能力強；上游流域非點源污染防控工作開展較好，水質優(yōu)良。

表4 地下水可持續(xù)利用等級及評分

圖6 地下水水質圖

地下水可持續(xù)利用一般分區(qū)評價指數(shù)在4～6之間。該區(qū)可分為兩個部分：第一部分為潮白河沖洪積扇扇頂部位山前地帶，該部分地下水開采量大，超采情況嚴重，水位長期下降，由H8-38-A監(jiān)測井監(jiān)測結果可知，近二十年水位下降達45 m，雖然地下水補給條件和徑流條件較好，水質優(yōu)良，但綜合評價中等；第二部分位于沖洪積扇扇緣部位，屬于多層含水層結構，地下水開采量相對較小，主要是分散自備井開采，但地下水可能新能力較差。

地下水可持續(xù)利用較差分區(qū)評價指數(shù)在6～8之間。該區(qū)主要位于后沙峪第四紀凹陷內，為多層含水層結構。該區(qū)含水層富水性較弱，深層地下水很難接受大氣降水補給，且受多期構造運動和沉積條件影響，側向徑流條件較差，地下水可更新能力差，水位下降快；中深層承壓水含鹽量較高，水質較差，如圖6所示。同時，可壓縮黏土層水平連續(xù)且厚度較大，承壓含水層超采情況下襲奪了相鄰弱透水層非彈性釋水，地面沉降問題比較突出，如圖7所示。因此該區(qū)域評價為地下水可持續(xù)利用較差分區(qū)。

圖7 地面沉降速率圖

4 結語

本文針對北京市潮白河沖洪積扇地區(qū)地下水可持續(xù)利用問題開展工作，在深入分析研究區(qū)水文地質條件和開采誘發(fā)負效應基礎上，建立考慮多因素的地下水可持續(xù)利用評價指標體系，采用層次分析法對研究區(qū)進行可持續(xù)利用分析評價。主要結論如下：

(1)研究區(qū)中地下水可持續(xù)利用較好區(qū)域占24.82%，主要是由于其補給條件較優(yōu)，并且具有豐富的補給水源。在該地區(qū)，可以考慮利用含水層較大調蓄庫容現(xiàn)狀，利用河道進行南水回灌，即可達到養(yǎng)蓄地下水目的，又可以減少反向輸水至密云、懷柔水庫所引起的蒸發(fā)損失。

(2)可持續(xù)利用中等區(qū)域占70.06%，由水位下降嚴重或補給條件差造成。在該地區(qū)，應逐步利用集中管網供水，減少自備井開采，恢復地下水貯存量，在南水北調來水遇到突發(fā)問題時，可以啟用滿足應急保障供水。

(3)可持續(xù)利用較差區(qū)域占4.11%，主要原因是地下水可更新能力差，中深層承壓水水質較差，同時研究區(qū)是地面沉降主要發(fā)育區(qū)。隨著南水北調來水進京，在該地區(qū)，可以考慮采用人工井進行回灌，緩解含水層系統(tǒng)貯水能力損失和地面沉降問題。

[1]Bredehoeft, J.D., Papadopulos, S.S., and Cooper, H.H., Jr.,1982, Groundwater—The water-budget myth, in Scientifibasis of water-resource management-Studies in geophysics: Washington, D.C., National Academy Press, p. 51-57.

[2]Alley WM, Reilly TE, Franke OL (1999) Sustainability of groundwater resources. U.S. Geological Survey Circular 1186.

[3]California Water Foundation, 2014, ecommendations for sustainable groundwater management—Developed through a stakeholder dialogue, May 2014: California Water Foundation administrative report prepared for Governor Brown and the California State Legislature, 40 p.

[4]Gungle B, Callegary J B, Paretti N V, et al. Hydrological conditions and evaluation of sustainable groundwater use in the Sierra Vista Subwatershed, Upper San Pedro Basin, southeastern Arizona[R]. US Geological Survey, 2016.

[5]Henrique M. L. Chaves, SuzanaAlipaz, An Integrated Indicator Based on Basin Hydrology, Environment, Life, and Policy: The Watershed Sustainability Index. Water Resour Manage (2007) 21:883-895 DOI 10.1007/s11269-006-9107-2.

[6]Jha M K, Chowdary V M, Chowdhury A. Groundwater assessment in Salboni Block, West Bengal (India) using remote sensing, geographical information system and multi-criteria decision analysis techniques[J]. Hydrogeology Journal, 2010, 18(7): 1713-1728.

[7]Chen J, Zhang Y, Chen Z, et al. Improving assessment of groundwater sustainability with analytic hierarchy process and information entropy method: a case study of the Hohhot Plain, China[J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 73(5): 2353-2363.

[8]陳江,陳宗宇,張翼龍，等. 資源環(huán)境約束下的后套平原地下水可持續(xù)性綜合評價[J].南水北調與水利科技.2016,(03):156-161.

[9]康樂. 蔚汾河流域水資源承載力分析和可持續(xù)發(fā)展研究[D].中國地質大學(北京).2016.

[10]高躍,張戈,李世龍，等.基于模糊綜合評判模型對沈陽市水安全評價[J].地下水.2014,(01):112-114.

[11]王金哲,張光輝,申建梅，等. 地下水功能評價指標選取依據與原則的討論[J]. 水文地質工程地質.2008,02:76-81.

[12]賀國平,周東,楊忠山,等.北京市平原區(qū)地下水資源開采現(xiàn)狀及評價[J].水文地質工程地質.2005,02:45-48.

The Chao-bai river alluvial groundwater sustainable utilization evaluation

YANG Guo-qing1, ZHANG You-quan1, GONG Hui-li1, WANG Rong2, SUN Ying2

(1.College of resources, environment and tourism, capital normal university/state key laboratory of urban environmental processes and digital modeling/key laboratory of 3D information acquisition and application of ministry of education, Beijing, 10048, China；2.Beijing hydrogeology engineering geology group, Beijing, 100195, China)

Chao-bai River alluvial fan area in Beijing city is the most important sources of groundwater supply area, annual production reached 600 million or so. Excessive mining of groundwater has evoked a serious decline in water level, water quality deterioration and ground subsidence and other geological environmental problems. Based on the analysis of hydro geological conditions on the basis of selecting the evaluation index of sustainable utilization of groundwater analysis, evaluation of sustainable utilization of groundwater resources in alluvial fan of Baihe area rushed by AHP. The evaluation results show that the sustainable utilization of groundwater in the study area better region accounted for 24.82%, mainly due to the recharge conditions better, and has a plentiful supply of water resources; sustainable utilization of medium area accounted for 70.06%, the water level dropped serious or poor supply condition cause; sustainable utilization of poor region accounted for 4.11%, the main reason is the groundwater renew ability, deep in the water quality is poor, and it is the main development area of land subsidence.

Groundwater；sustainable utilization；evaluation；index；analytic hierarchy process

2017-03-14

楊國慶(1987-)，男，安徽宿州人，在讀碩士研究生，主攻方向：水文地質。

張有全(1978-)，男，黑龍江佳木斯人，副教授，研究方向：水文地質。

P641.8

A

1004-1184(2017)03-0015-04