潮白河沖洪積扇地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)

楊國慶，張有全，宮輝力，王 蓉，孫 穎

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院/城市環(huán)境過程與數(shù)字建模國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/教育部三維信息獲取與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10048；2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，北京 100195)

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潮白河沖洪積扇地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)

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(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院/城市環(huán)境過程與數(shù)字建模國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/教育部三維信息獲取與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 10048；2.北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，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(dá)到6億方左右。持續(xù)過量開采地下水已經(jīng)誘發(fā)了水位嚴(yán)重下降、水質(zhì)變差和地面沉降等地質(zhì)環(huán)境問題。本文在深入分析研究區(qū)水文地質(zhì)條件基礎(chǔ)上，選取地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用層次分析法對(duì)白河沖洪積扇地區(qū)地下水資源可持續(xù)利用進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)結(jié)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(bǔ)給條件較優(yōu)，并且具有豐富的補(bǔ)給水源；可持續(xù)利用中等區(qū)域占70.06%，由水位下降嚴(yán)重或補(bǔ)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(zhì)較差，同時(shí)是地面沉降主要發(fā)育區(qū)。

地下水；可持續(xù)利用；評(píng)價(jià)；指標(biāo)；層次分析法

20世紀(jì)80年代，地下水領(lǐng)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(zhì)學(xué)科，逐步發(fā)展到涉及水文、地質(zhì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)領(lǐng)域[2]，即長時(shí)間地下水開發(fā)利用不造成不可接受的環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)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(nèi)外學(xué)者針對(duì)美國亞利桑那[4]、巴西維爾達(dá)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(jìn)行評(píng)價(jià)，建立了考慮不同因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于區(qū)域差異，在不同地區(qū)，很難有一個(gè)通用的指標(biāo)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(jīng)引起了一些負(fù)效應(yīng)問題[12]。本文目的是從水文、地質(zhì)、環(huán)境和經(jīng)濟(jì)等方面考慮，建立符合研究區(qū)的地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用層次分析法系統(tǒng)評(píng)價(jià)區(qū)域地下水可持續(xù)利用狀況，為南水調(diào)蓄提供科學(xué)依據(jù)。

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(nèi)地形總趨勢(shì)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(fēng)氣候，近三十年平均降雨量為548.76 mm，降水量在時(shí)間上分布不均勻，年內(nèi)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(nèi)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(zhì)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(zhì)主要由砂、礫石和砂卵石構(gòu)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(jié)構(gòu)逐漸過渡到多層含水層結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 研究區(qū)位置圖

圖2 研究區(qū)水文地質(zhì)剖面圖

2 地下水可持續(xù)性利用評(píng)價(jià)

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)選取

國內(nèi)外學(xué)者評(píng)價(jià)地下水可持續(xù)利用的指標(biāo)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(huì)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)各有差異。

由于研究區(qū)全部處于北京市內(nèi)，歸屬同一行政單元，地下水處理及管理能力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展都處于國內(nèi)領(lǐng)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(huì)經(jīng)濟(jì)兩類指標(biāo)，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(biāo)評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)。地下水資源特性由五個(gè)指標(biāo)表示：富水性、含水層厚度、水質(zhì)、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(nèi)有關(guān)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，并咨詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜?，參照?評(píng)分原則對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行量化評(píng)分。

表1 指標(biāo)分級(jí)及評(píng)分

詳細(xì)量化評(píng)分情況如表2所示。

表2 可持續(xù)利用指標(biāo)量化評(píng)分

2.2 評(píng)價(jià)方法

經(jīng)過大量研究驗(yàn)證，層次分析法是一種有效的、定量的分析指標(biāo)權(quán)重方法，廣泛應(yīng)用在一個(gè)關(guān)于目標(biāo)、標(biāo)準(zhǔn)和子標(biāo)準(zhǔn)的層次樹的基礎(chǔ)上，選擇一個(gè)最優(yōu)解決方案。

2.2.1 單層權(quán)重計(jì)算

所謂層次單排序是指，對(duì)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(gòu)建對(duì)比矩陣，從層次結(jié)構(gòu)模型的第2層開始，對(duì)于從屬于上層同一因素的諸因素，用成對(duì)比較法和1～9比較尺度構(gòu)成對(duì)比矩陣。

(2)計(jì)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(biāo)相對(duì)A層的權(quán)重。利用公式(3)計(jì)算最大特征根。

(1)

(2)

(3)

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

(4)

CR=CI/RI

(5)

2.2.2 求算指標(biāo)權(quán)重

將指標(biāo)的單層權(quán)重與對(duì)應(yīng)子目標(biāo)層權(quán)重相乘得到指標(biāo)的權(quán)重。最終求得各指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

表3 層次分析法指標(biāo)權(quán)重

3 評(píng)價(jià)結(jié)果分析

對(duì)潮白河沖洪積扇地下水可持續(xù)利用指標(biāo)進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果圖3所示。分析指標(biāo)數(shù)據(jù)來自于2013年監(jiān)測(cè)和計(jì)算數(shù)據(jù)。

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(píng)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(nèi)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(jì)90年代末期以來，研究區(qū)沖洪積扇上部監(jiān)測(cè)井(M309-B)、中部監(jiān)測(cè)井(H8-38-A)和下部監(jiān)測(cè)井(S1103-2A)水位呈持續(xù)下降趨勢(shì)(監(jiān)測(cè)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(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行分區(qū)，可持續(xù)利用等級(jí)及評(píng)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(píng)價(jià)結(jié)果劃分為三個(gè)等級(jí)，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(píng)價(jià)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(yīng)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(yán)重。但由于該區(qū)以單一含水層結(jié)構(gòu)為主，可壓縮黏土層厚度相對(duì)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，地面沉降量較小；同時(shí)，該區(qū)地下水補(bǔ)給條件和徑流條件較好，大氣降水和山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給量大，地下水可更新能力強(qiáng)；上游流域非點(diǎn)源污染防控工作開展較好，水質(zhì)優(yōu)良。

表4 地下水可持續(xù)利用等級(jí)及評(píng)分

圖6 地下水水質(zhì)圖

地下水可持續(xù)利用一般分區(qū)評(píng)價(jià)指數(shù)在4～6之間。該區(qū)可分為兩個(gè)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(yán)重，水位長期下降，由H8-38-A監(jiān)測(cè)井監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，近二十年水位下降達(dá)45 m，雖然地下水補(bǔ)給條件和徑流條件較好，水質(zhì)優(yōu)良，但綜合評(píng)價(jià)中等；第二部分位于沖洪積扇扇緣部位，屬于多層含水層結(jié)構(gòu)，地下水開采量相對(duì)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(píng)價(jià)指數(shù)在6～8之間。該區(qū)主要位于后沙峪第四紀(jì)凹陷內(nèi)，為多層含水層結(jié)構(gòu)。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(bǔ)給，且受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積條件影響，側(cè)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(zhì)較差，如圖6所示。同時(shí)，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(píng)價(jià)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(jié)語

本文針對(duì)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(zhì)條件和開采誘發(fā)負(fù)效應(yīng)基礎(chǔ)上，建立考慮多因素的地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法對(duì)研究區(qū)進(jìn)行可持續(xù)利用分析評(píng)價(jià)。主要結(jié)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(bǔ)給條件較優(yōu)，并且具有豐富的補(bǔ)給水源。在該地區(qū)，可以考慮利用含水層較大調(diào)蓄庫容現(xiàn)狀，利用河道進(jìn)行南水回灌，即可達(dá)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(yán)重或補(bǔ)給條件差造成。在該地區(qū)，應(yīng)逐步利用集中管網(wǎng)供水，減少自備井開采，恢復(fù)地下水貯存量，在南水北調(diào)來水遇到突發(fā)問題時(shí)，可以啟用滿足應(yīng)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(zhì)較差，同時(shí)研究區(qū)是地面沉降主要發(fā)育區(qū)。隨著南水北調(diào)來水進(jìn)京，在該地區(qū)，可以考慮采用人工井進(jìn)行回灌，緩解含水層系統(tǒng)貯水能力損失和地面沉降問題。

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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(zhì)。

張有全(1978-)，男，黑龍江佳木斯人，副教授，研究方向：水文地質(zhì)。

P641.8

A

1004-1184(2017)03-0015-04