北京巖溶水系統(tǒng)降水入滲系數(shù)研究

紀(jì)軼群 王樹(shù)芳 韓征 黃昱琪 曹穎 郭兆成

摘?要：大氣降水入滲補(bǔ)給地下水是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，以區(qū)域水量均衡法和遙感、地理信息技術(shù)為依據(jù)，論證降水入滲系數(shù)與下墊面因子之間的關(guān)系，從柵格尺度（30 m×30 m）建立基于專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和加權(quán)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的模型和統(tǒng)計(jì)學(xué)關(guān)系，得出北京各巖溶水研究區(qū)降水入滲系數(shù)。研究結(jié)果表明：①研究區(qū)內(nèi)巖性與構(gòu)造因子是影響降水入滲補(bǔ)給條件的關(guān)鍵因素;研究區(qū)內(nèi)的碳酸鹽巖區(qū)最利于降水入滲補(bǔ)給。②利用2011年大氣降水資料，分別使用本文提出的降水入滲系數(shù)方法和傳統(tǒng)降水入滲系數(shù)計(jì)算方法相互驗(yàn)證，對(duì)2011年大氣降水入滲量進(jìn)行計(jì)算，表明建立統(tǒng)計(jì)回歸模型能有效得出柵格尺度（30 m×30 m）上北京山區(qū)巖溶水系統(tǒng)降水入滲系數(shù)值。

關(guān)鍵詞：降水入滲系數(shù);巖溶水系統(tǒng);水均衡法;北京市

中圖分類(lèi)號(hào)：TV213.4?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.008

Abstract：The groundwater recharge from atmospheric precipitation is a complex process， which is related to the fl unsaturated zone lithology， topography， vegetation， geological conditions， human activities and etc. The precise precipitation infiltration rate is the key to evaluate groundwater resources. This work included water balance method and spatial information technology （remote sensing and geographic information technology） to analyze the factors that influencing the precipitation infiltration rate; and utilized GIS technology to build weighted evaluation model（weighted averages method） on the grid scale in order to identify the spatial difference index of precipitation infiltration. This paper calculated typical infiltration factors based on spring area?using water balance method， and established statistical relationship between precipitation infiltration rate and spatial difference index. Then these results were applied to a mountainous region of karst water system in Beijing，which was verified by obtained precipitation infiltration data in 2011. It demonstrates that the unsaturated zone lithology and structures are the key factors affecting recharge conditions of precipitation infiltration， and the karst region has the best conditions for precipitation infiltration. Verified by 2011 data， the statistical regression model is able to precisely calculate the precipitation infiltration rate of the karst water system in karst area of Beijing on the grid scale.

Key words： infiltration coefficient of precipitation; karst water system; water balance method; Beijing City

水是人類(lèi)賴(lài)以生存和生產(chǎn)發(fā)展不可替代的寶貴資源，是實(shí)現(xiàn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展的重要基礎(chǔ)。地下水是水資源的重要組成部分，特別在我國(guó)北方地區(qū)，地下水既是重要的供水水源，又是維系生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要因素，大氣降水入滲補(bǔ)給是地下水補(bǔ)給的重要來(lái)源。巖溶區(qū)的降水入滲量占巖溶水補(bǔ)給量的60%以上，巖溶含水系統(tǒng)降水入滲補(bǔ)給量是水均衡計(jì)算中的重要指標(biāo)，準(zhǔn)確計(jì)算降水補(bǔ)給量至關(guān)重要[1]。同時(shí)，大氣降水入滲補(bǔ)給地下水受到下墊面等多種因素的影響，降水入滲過(guò)程異常復(fù)雜，入滲補(bǔ)給量的大小不僅受包氣帶巖性、降水在時(shí)間上的分配、地形、植被的影響，而且與地質(zhì)條件以及人類(lèi)活動(dòng)等有關(guān)[2-5]。

研究大氣降水入滲系數(shù)方法主要有室內(nèi)試驗(yàn)、試驗(yàn)場(chǎng)模擬和動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析等[6-8]。室內(nèi)試驗(yàn)方法概念明確，各項(xiàng)參數(shù)易控制，基礎(chǔ)變化規(guī)律明顯;試驗(yàn)場(chǎng)模擬方法可以最大限度地反映實(shí)際狀態(tài)，但僅針對(duì)某具體的因素進(jìn)行規(guī)律性分析;動(dòng)態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析方法最符合觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)際條件，但其反映的只是該特定點(diǎn)和小區(qū)域尺度的結(jié)果，無(wú)法推廣應(yīng)用到實(shí)際條件空間差異性極其復(fù)雜的區(qū)域尺度。

4?結(jié)果與分析

4.1?北京巖溶水系統(tǒng)降水入滲條件差異性分析

通過(guò)上述方法，在GIS空間分析功能中的柵格計(jì)算環(huán)境中，把地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形坡度、水系密度和地表覆蓋因子按照專(zhuān)家打分確定的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)，評(píng)價(jià)降水入滲補(bǔ)給空間差異性，對(duì)影響差異性結(jié)果的主控因素進(jìn)行分析，最后得到基于遙感技術(shù)的多因子大氣降水入滲空間差異性指數(shù)分布圖（見(jiàn)圖3），評(píng)價(jià)值范圍為2.0～8.1，數(shù)值越大表明降水入滲能力越強(qiáng)。

研究區(qū)碳酸鹽巖（灰?guī)r、白云巖）分布區(qū)的大氣降水入滲條件較好，灰?guī)r區(qū)的評(píng)價(jià)值最大。在地勢(shì)較為平坦、斷層密度較高和水系密度較低的區(qū)域，大氣降水入滲的評(píng)價(jià)值較大，例如平谷巖溶水系統(tǒng)的東北部區(qū)域、門(mén)頭溝巖溶水系統(tǒng)的西南部等。這說(shuō)明影響大氣降水入滲條件是多方面的，不能使用單一條件進(jìn)行評(píng)價(jià)，需要綜合考慮多方面因素。

4.2?北京巖溶水系統(tǒng)降水入滲系數(shù)計(jì)算與驗(yàn)證

基于大氣降水入滲空間差異性指數(shù)分布圖，在ArcGIS柵格計(jì)算環(huán)境中，構(gòu)建以相關(guān)方程 y=0.078 3x-0.153 4為基礎(chǔ)的柵格函數(shù)，繪制基于遙感技術(shù)的大氣降水入滲系數(shù)分區(qū)圖（見(jiàn)圖4）。

以往在入滲補(bǔ)給量計(jì)算時(shí)只按照評(píng)價(jià)地區(qū)巖性給出經(jīng)驗(yàn)降水入滲系數(shù)值，該區(qū)域傳統(tǒng)降水入滲系數(shù)α取值：灰?guī)r0.4、白云巖0.35、碎屑巖0.2、火成巖0.1。沒(méi)有考慮降水入滲是受下墊面綜合因素控制的結(jié)果。根據(jù)降水入滲系數(shù)估算值與傳統(tǒng)降水入滲值，依據(jù)2011年降水量，分別計(jì)算不同巖溶系統(tǒng)的入滲量，各山區(qū)巖溶水系統(tǒng)降水入滲補(bǔ)給量見(jiàn)表3。大氣降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算公式為

式中：Q入為大氣降水入滲補(bǔ)給量，萬(wàn)m3;P為降水量，m;α為降水入滲系數(shù);F為面積，萬(wàn)m2。

按照本文方法得出的降水入滲系數(shù)計(jì)算的北京山區(qū)巖溶水系統(tǒng)2011年降水入滲補(bǔ)給量為56 178萬(wàn)m3，比按照傳統(tǒng)降水入滲系數(shù)計(jì)算的2011年降水入滲補(bǔ)給量為60 050萬(wàn)m3減小6.4%。

5?結(jié)?論

（1）利用2012—2013年Spot-5/ETM衛(wèi)星數(shù)據(jù)，參考多種高分辨率衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)和區(qū)域背景資料，可以宏觀、快速、高效地對(duì)研究區(qū)的地質(zhì)要素進(jìn)行遙感解譯，系統(tǒng)獲取研究區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、流域水系、地形地貌等影響大氣降水入滲的下墊面信息。

（2）基于層次分析法和專(zhuān)家打分加權(quán)評(píng)價(jià)方法，定量區(qū)分不同區(qū)域尺度或柵格尺度上大氣降水入滲條件的差異，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠從宏觀層次上表達(dá)不同地層巖性條件、不同構(gòu)造條件、不同覆蓋條件綜合作用下大氣降水入滲的相對(duì)差異性。

（3）研究區(qū)內(nèi)巖性因子（尤其是灰?guī)r地區(qū)）與構(gòu)造因子是控制降水入滲的主要因子，從整個(gè)研究區(qū)看，碳酸巖（灰?guī)r、白云巖）區(qū)的降水入滲補(bǔ)給條件最優(yōu)。

（4）采用本文提出的降水入滲系數(shù)，計(jì)算了2011年研究區(qū)大氣降水入滲補(bǔ)給量，得出北京山區(qū)巖溶水系統(tǒng)降水入滲補(bǔ)給量為56 178萬(wàn)m3，與按傳統(tǒng)降水入滲系數(shù)計(jì)算結(jié)果相比變化不大，各巖溶水系統(tǒng)入滲量相對(duì)變化不超過(guò)10%，各區(qū)域補(bǔ)給量總和比傳統(tǒng)方法計(jì)算的降水入滲值減少6.4%。因此，基于遙感技術(shù)和泉域水均衡法確定北京山區(qū)巖溶水系統(tǒng)降水入滲系數(shù)，將空間信息技術(shù)與傳統(tǒng)水文地質(zhì)學(xué)方法相結(jié)合，能夠提高北京巖溶水系統(tǒng)降水入滲補(bǔ)給量計(jì)算精度。

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