河北省衡水市地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力評價

程雙虎，李明良，李安娜，張俊芝

(1.河北省水文水資源勘測局，河北石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊 050031)

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河北省衡水市地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力評價

程雙虎1，李明良1，李安娜2*，張俊芝1

(1.河北省水文水資源勘測局，河北石家莊 050031；2.河北地質(zhì)大學(xué)，河北石家莊 050031)

依據(jù)衡水市水文地質(zhì)條件和地質(zhì)環(huán)境現(xiàn)狀，建立了地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力評價指標(biāo)體系，并采用專家打分法和層次分析法構(gòu)建了各評價因子的權(quán)重，利用綜合評價指數(shù)法評價衡水地區(qū)地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力。結(jié)果表明：該地區(qū)地面沉降、咸淡水界面下移嚴(yán)重，大部分區(qū)域地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力為中等到弱，從西北向東南的支撐能力越來越弱。

地質(zhì)環(huán)境；地下水資源；指標(biāo)體系

衡水市地處河北平原中東部，水資源缺乏，地下水是該區(qū)主要供水水源，地下水供水量占總供水量的78%[1]。該區(qū)地下水通常劃分為淺層地下水和深層地下水，淺層地下水主要是咸水，深層地下水是地下水主要開采層。由于深層地下水的嚴(yán)重超采，使得地下水水頭大幅度下降，成為冀棗衡地下水漏斗的主體[2]。由此引起了地面沉降、咸淡水界面下移等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力是指地下水系統(tǒng)對其所賦存的地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性具有支撐或保護(hù)的作用或效應(yīng)。筆者依據(jù)地下水與地質(zhì)環(huán)境之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，建立了地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力評價的指標(biāo)體系，評價了衡水市地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力，以期為實現(xiàn)地下水合理開發(fā)與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建

1.1 指標(biāo)選取的原則 要建立一個能夠全面體現(xiàn)地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力的指標(biāo)體系，應(yīng)從研究區(qū)地下水系統(tǒng)與地質(zhì)環(huán)境之間的內(nèi)在聯(lián)系和互饋機制出發(fā)，以科學(xué)性、層次性、主導(dǎo)性、動態(tài)性及可操作性的原則，構(gòu)建地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力評價的指標(biāo)體系。

1.1.1 科學(xué)性。指標(biāo)體系的設(shè)計須建立在一定科學(xué)理論的基礎(chǔ)上，能夠客觀反映研究區(qū)地下水資源、地質(zhì)環(huán)境、社會經(jīng)濟發(fā)展現(xiàn)狀及相互之間的互饋、協(xié)調(diào)關(guān)系，重點凸顯衡水地區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征及地質(zhì)環(huán)境演變與社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在互饋機制。

1.1.2 層次性。反映地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力的要素很多，其表現(xiàn)形式和反映程度差別很大，可根據(jù)各要素之間的內(nèi)在聯(lián)系分層次和類別進(jìn)行標(biāo)定，將各要素歸類為不同指標(biāo)，評價地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力。

1.1.3 主導(dǎo)性。反映地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力的要素很多，但在一個地區(qū)往往是幾個地質(zhì)環(huán)境問題制約著該地區(qū)的地質(zhì)環(huán)境和社會環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。因此，在指標(biāo)選擇或權(quán)重確定時，要給予充分思考，體現(xiàn)主導(dǎo)要素的作用。

1.1.4 動態(tài)性。在自然、人類活動等因素的影響下，地下水系統(tǒng)中各水文地質(zhì)要素和地下水資源的數(shù)量、質(zhì)量處于不斷變化中，因此地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力有變化。這種變化是動態(tài)、延續(xù)的。因此，在設(shè)置評價指標(biāo)和權(quán)重時，要充分考慮這種變化的過程和趨勢。

1.1.5 可操作性。設(shè)置的評價指標(biāo)物理意義要明確，數(shù)據(jù)易于獲取，易于定量計算、比較和分析；確保評價結(jié)果能正確反映客觀實際條件，指標(biāo)的設(shè)置盡可能簡單，以保證評價工作的順利進(jìn)行。

1.2 評價指標(biāo)體系的建立 根據(jù)上述評價指標(biāo)選取的原則，結(jié)合衡水地區(qū)的實際情況[1-4]，地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力評價體系共選取了3個指標(biāo)8個要素(圖1)。

圖1 地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力評價指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of supporting capacity of groudwater on geological environment

1.3 指標(biāo)要素 根據(jù)上述建立的評價指標(biāo)體系，結(jié)合衡水地區(qū)地質(zhì)環(huán)境狀況及工作區(qū)現(xiàn)有的資料程度，確定研究區(qū)地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力的評價指標(biāo)要素體系。

1.3.1 評價目標(biāo)。地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力(A)是指地下水系統(tǒng)對與其相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定性具有支撐或保護(hù)的作用或效應(yīng)。當(dāng)?shù)叵滤到y(tǒng)發(fā)生變化時，與地下水相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)環(huán)境仍處于相對穩(wěn)定或變化甚微，說明地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力強，有利于地下水的持續(xù)利用；相反，當(dāng)?shù)叵滤到y(tǒng)發(fā)生變化時，與其相關(guān)聯(lián)的地質(zhì)環(huán)境隨之出現(xiàn)明顯變化，甚至出現(xiàn)災(zāi)變，說明地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力弱，制約著地下水的持續(xù)利用。

1.3.2 地下水對地質(zhì)環(huán)境的支撐能力評價指標(biāo)及要素。地面穩(wěn)定(B1)是指由于地下水位的變化致使其上地表面發(fā)生不穩(wěn)定的狀況。評價區(qū)反映地面穩(wěn)定的主要指標(biāo)要素有地面沉降速率(C1)和地面沉降總量(C2)。筆者將其作為該評價指標(biāo)(B1)的評價要素。

地下水儲存環(huán)境(B2)是指由于地下水位的變化引起地下含水空間的變化。評價區(qū)與此有關(guān)的常見的地質(zhì)環(huán)境問題主要有地下水位下降(C3)、地下水降落漏斗(C4)和咸淡水界面下移(C5)。前二者均使含水空間變小，后者是地下淡水儲存空間被咸水占據(jù)。因此，可將地下水位下降速率(C3)、地下水降落漏斗擴展速率(C4)和咸淡水界面下移(C5)作為該評價指標(biāo)(B2)的評價要素。

地下水資源變化(B3)是指由于自然和人為因素的影響使地下水資源產(chǎn)生質(zhì)和量的變化。這種變化體現(xiàn)在地下水補給資源量(C6)、地下水水質(zhì)(C7)及地下水富水程度(C8)的變化方面，可將其作為該評價指標(biāo)(B3)的評價要素。

2 評價方法

2.1 權(quán)重計算 地下水與地質(zhì)環(huán)境之間具有復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性，相互關(guān)聯(lián)、相互制約的因素眾多。評價地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力的強弱，首先將眾多因素按照其相互關(guān)系分級別、分層次地建立起一個評價指標(biāo)系統(tǒng)。該復(fù)雜的系統(tǒng)中，各因素的權(quán)重選取是評價的關(guān)鍵。該研究在專家打分的基礎(chǔ)上，利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)確定評價權(quán)重的選取。AHP是美國著名運籌學(xué)家T.L.Saaty于1977年提出，它是一種定性和定量相結(jié)合的決策方法，把復(fù)雜的問題分解為多個組成因素，通過兩兩比較確定層次中諸因素的相對重要性，然后通過綜合判斷以決定諸因素相對重要性總的順序。AHP的核心是利用1～9的整數(shù)及其倒數(shù)作為標(biāo)度來構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。一般，對n個因素來說，就可得到兩兩判斷矩陣A=(aij)n×n。通過求其最大特征值，及其對應(yīng)的特征向量W，歸一化后，即為某一層次指標(biāo)對于上一層次某相關(guān)指標(biāo)的相對重要性權(quán)值。

2.2 綜合評價 獲得各層元素的總排序權(quán)值后，需要計算各層各元素的綜合評價指數(shù)，建立相應(yīng)的評價分級標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行目標(biāo)層、指標(biāo)層和要素層的綜合評價。該研究中，筆者首先利用專家打分法和層次分析法建立各評價參數(shù)(指標(biāo))的權(quán)重，計算各單元的綜合指數(shù)，建立地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力評價的綜合指數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)，確定各單元的綜合評價級別，形成地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力的綜合評價體系。

表1 要素層各要素對指標(biāo)層影響的劃分標(biāo)準(zhǔn)

表2 地下水對生態(tài)環(huán)境支撐能力評價分級標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Evaluation and classification standard of supporting capacity of groundwater on ecological environment

級別Level狀況分級Classification支撐能力SupportingcapacityⅠ0～<0．17強 Ⅱ0．17～<0．34較強Ⅲ0．34～<0．67中等Ⅳ0．67～<0．84較弱Ⅴ0．84～<1．00弱

2.2.1 綜合指數(shù)計算。評價綜合指數(shù)可利用下式計算：

式中，R為綜合評價指數(shù)；ci為評價參數(shù)的權(quán)重(由層次分析法獲得)；Xi為評價參數(shù)(為歸一化后的參數(shù)值)；n為評價參數(shù)的個數(shù)。

2.2.2 各要素對指標(biāo)層影響的劃分標(biāo)準(zhǔn)。影響研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境的因素很多，為了在層次分析中構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣，更科學(xué)地比較兩兩要素，結(jié)合研究區(qū)地質(zhì)環(huán)境的實際情況，參考專家打分分值，建立要素層各要素對指標(biāo)層影響的劃分標(biāo)準(zhǔn)(表1)。

2.2.3 綜合指數(shù)分級標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)衡水地區(qū)的實際情況并參考相關(guān)的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和前人研究成果，將地下水對生態(tài)環(huán)境支撐能力評價的綜合指數(shù)劃分為5級，其劃分標(biāo)準(zhǔn)見表2。

圖2 衡水地區(qū)地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力評價Fig.2 Evaluation of supporting capacity of groundwater on geological environment in Hengshui region

3 評價結(jié)果

根據(jù)層次分析的基本理論和方法，結(jié)合衡水市的實際情況，對衡水地區(qū)進(jìn)行了地下水對生態(tài)環(huán)境支撐能力評價，評價結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，由于衡水地區(qū)深層地下水嚴(yán)重超采，出現(xiàn)了區(qū)域性的深層地下水降落漏斗，特別是冀棗衡漏斗和德州景縣漏斗，使得該地區(qū)地面沉降、咸淡水界面下移嚴(yán)重，大部分區(qū)域地下水對地質(zhì)環(huán)境支撐能力處于中等到弱的級別，從西北向東南支撐能力越來越弱。該評價結(jié)果可作為該地區(qū)合理開發(fā)深層地下水資源、防治地質(zhì)環(huán)境進(jìn)一步惡化的依據(jù)。

[1] 張兆吉，費宇紅，陳宗宇，等.華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價[M].北京：地質(zhì)出版社，2009.

[2] 許廣明，劉立軍，費宇紅，等.華北平原地下水調(diào)蓄研究[J].資源科學(xué)，2009(3)：375-381.

[3] 張宗祜，沈照理，薛禹群，等.華北平原地下水環(huán)境演化[M].北京：地質(zhì)出版社，2000.

[4] 陳望和.河北地下水[M].北京：地震出版社，1999.

The Evaluation of Supporting Capacity of Groundwater for the Geological Environment in Hebei Hengshui Area

CHENG Shuang-hu1, LI Ming-liang1, LI An-na2*et al

(1. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050031; 2. Hebei Geo University, Shijiazhuang, Hebei 050031)

According to the hydrogeological conditions and present situation of geological environment in Hengshui City, the index system for evaluating the supporting capacity of groundwater for the geological environment was established. Using expert scoring method and analytic hierarchy process, the weight of each evaluation factor was constructed. Using the comprehensive evaluation index method, the supporting capacity of groundwater for geological environment was evaluated. The results showed that: land subsidence, brackish water interface move down obviously, the supporting capacity of groundwater for the geological environment is from moderate to weak from northwest to southeast.

Geological environment; Groundwater resources; Index system

河北省地下水超采綜合治理試點項目地下水業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)。

程雙虎(1963- )，男，河北辛集人，正高級工程師，從事水文水資源研究。*通訊作者，講師，從事地下水資源研究。

2016-08-11

S 181.3

A

0517-6611(2016)28-0065-03