华北平原地下水的功能特征与功能评价.pdf

第31卷 第3期 2009年3月2009， 31 （3） 368-374 Resources Science Vol.31， No.3 Mar.， 2009 文章编号 1007-7588 （2009） 03-0368-07 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项功能。 2.1.1资源功能该功能是指具备一定的补给、 储 存和更新条件的地下水资源供给保障作用或效应， 具有相对独立、 稳定的补给源和水的供给保障能 力。华北平原地下水的资源功能已被充分开发利 用， 甚至削弱了地下水的地质环境功能和生态环境 功能。在山前平原， 浅层地下水资源功能被开发利 收稿日期 2008-12-12； 修订日期 2009-02-05 基金项目 中国地质调查局国土资源大调查项目（编号 1212010430351） ； 国家科技支撑项目 （编号 2007BAD69B02） ； 国家 973 课题 （编 号 2006CB403401） ； 国土资源大调查项目 （编号 1212010430351） 。 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。 E-mail Huanjing 2009年3月 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 10 8 m 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 计最大值已达1681mm。 2.1.2地质环境功能 （Groundwater Geologic Envi- ronment Function）该功能是指地下水系统对其所 赋存的地质环境稳定性所具有支撑和保护的作用 或效应， 如果地下水系统发生变化， 则地质环境出 现相应的改变。在华北平原， 由于深层地下水开采 引发较严重的地面沉降问题， 所以在该区地下水功 能评价中需要重视地下水的地质环境功能研究， 特 别是在中东部平原区它与地下水的资源功能之间 关系。 2.1.3生 态 功 能（Groundwater Ecological Function） 该功能是指地下水系统对陆表植被或湖泊、 湿地或 土地质量良性维持的作用或效应， 如果地下水系统 发生变化， 则生态环境出现相应的改变。 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 1） [12]。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 Fig.2Influence of rainfall change and human activity to groundwater recharge and pumpage 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 influence systems , and its functions each other 注 a.地下水补给量、 开采量与降水量的关系； b.开采量变化与人口、 粮食产量的关系 369 第31卷 第3期 资 源 科 学 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 3.2.1体系的层次结构华北平原地下水功能评价 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 （Bi） 的属性指标， 由 m 个指标构成， 即 C1， C2， C3， ， Cm， 是各功能状况的评 价基础。D 层是描述各属性指标 （Ci） 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， ， Dn。 3.2.2评价标准与关键技术华北平原地下水功能 评价结果的评判标准如表 1 所示， 包括属性评价标 准、 功能评价标准和系统综合评价标准。 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 ①无法集成华北平原的区域性成果； ②无法进行跨省市的分区地下水功能状况比较； ③ 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 能 （B1） 、 生态功能 （B2） 和地质环境功能 （B3） 的组合 370 2009年3月 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{bij| i， j1n}nm（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/B11； 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/B21； 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/B31。 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， ， Wn） T， 其标准化向量W为 （2） 式中 Ws（Ws1， Ws2， ， Wsn） T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。在此基础上确定层次 总 排 序 权 值 。 若 上 一 层 次 A 包 含 m 个 因 子 B1， B2， ， Bm， 其层次总排序权值分别为a1， a2， ， am； 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 I 00.2 差 0.20.4 可持续性较弱 0.670.84 较强 II 0.20.4 较差 0.40.6 可持续性一般 0.340.67 一般 III 0.40.6 一般 0.60.8 可持续性较强 0.170.34 较弱 IV 0.60.8 较好 0.81.0 可持续性强 00.17 弱 V 0.81.0 好 表1地下水功能评价的分级与标准 Table 1The grading criteria for groundwater function assessment 1） Saaty T L.1980.The analytic hierarchy process.McGraw-Hill Company， 1980. 371 第31卷 第3期 资 源 科 学 一层次 B 包含 n 个因子 C1， C2， ， Ck， ， Cn， 它们对 于因子 Bj的层次单排序权值分别为 b1j， b2j， ， bnj（当 Ck与 Bj无关系时， bkj0） 。 获得各因子总排序权值 （ai） 后， 利用下列公式 计算综合评价指数 （R） （3） 式中 ai为评价参数的权值； Xi为评价参数， 等于 Σ （di/dmax） 或Σ （di/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]。 目前， 华北平原各省市地调单位应用上述方法 已完成各省市以及全区的区域地下水功能评价与 区划 1）， 结果表明地下水的资源优势功能区主要分 布在燕山和太行山前地带， 以及南部的沿黄地带。 生态功能保护区主要分布在渤海湾北部的唐海县 一带和山东河口区以北， 那里的地下水位埋深浅， 为半咸水和咸水。地质环境功能保护区主要分布 图4华北滹沱河流域地下水功能评价结果 Fig.4The results of groundwater function assessment in the catchment of the Hutuohe River， North China Plan 注 指数愈大， 对应功能愈强。 1） 华北项目组及各省市地质调查院， 华北平原及各省市区地下水可持续利用调查评价， 中国地质调查局， 2007. 372 2009年3月 张光辉等 华北平原地下水的功能特征与功能评价 在中东部平原地下水开采漏斗区和东部滨海平原 咸水分布区， 如德州漏斗、 冀枣衡漏斗。 5结语 如何正确认识和评价华北平原区域地下水超采 与地面沉降等环境地质之间矛盾， 促使地下水的资 源功能、 生态功能和环境地质功能均能良好发挥， 使 它们的综合效益最佳， 面临缺少评价理论方法的难 题。本文针对这一问题， 即在华北平原地下水评价 中偏重资源功能而对地下水的生态功能和地质环境 功能重视不足的问题， 立足于区域地下水系统， 从地 下水的自然属性切入， 应用系统论和层次分析方法， 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。最后， 以华北滹沱河流域作为示范区进行 实证分析， 结果表明本文方法具有实用性， 明确地划 分出以资源功能为主、 或以地质环境功能保护为主 的不同区域， 可为调控区域地下水的资源功能与地 质环境功能之间矛盾提供科学依据。 参考文献 （References） [ 1 ]张光辉， 费宇红， 刘克岩， 等.海河平原地下水演化与对策[M]. 北京 科学出版社，2004.[ZHANG Guanghui， FEI Yuhong，LIU Keyan，et al. 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To comprehensively realize groundwater resource function, ecological function and geological environment function and focuse on the natural attributes of groundwater system, we used the regional water cycle theory, systematology and the analytic hierarchy process AHP to develope the primary concepts and ology of groundwater function assessment, including rules, criteria, mathematic and indicator system. Then a case study was carried out in the catchment of Hutuohe river basin as the typical area of North China Plain, by which the connotation of groundwater function was enriched and the regionalization was improved. Although the ology discussed in this paper has alreadybeenadoptedby theChinaGeological Survey in The Technical Requirements of the Investigation and Assessment of National Groundwater Resource and the Relevant Environmental ProblemsNo.2, it should be pointed out that groundwater function assessment is a new subject in China and there are still many conresponding problems that need solving, so the theory and ology should be tested and improved in vast