河北省地下水資源承載能力評價及預(yù)警方法研究

孫 超，王昕洲，葉瑩瑩，劉 瓊，曹 頤，韓 沖，王 軼

（1.河北省地質(zhì)資源環(huán)境監(jiān)測與保護重點實驗室, 河北 石家莊 050021；2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院,河北 石家莊 050021；3.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院, 北京 100081）

隨著社會經(jīng)濟發(fā)展需水量迅速增長，人類活動強度超出了地下水資源的承載能力，同時缺乏有效的監(jiān)測預(yù)警，致使水資源供需矛盾日益突出，并引發(fā)一系列生態(tài)環(huán)境問題。為充分合理利用地下水資源，使地下水資源科學(xué)開發(fā)利用與生態(tài)環(huán)境保護協(xié)調(diào)發(fā)展，有必要以地下水資源為承載體，以社會經(jīng)濟發(fā)展為承載對象，開展地下水資源承載能力評價研究。同時地下水資源承載能力預(yù)警作為一種資源環(huán)境風險規(guī)制行為[1]，通過科學(xué)的環(huán)境風險標準體系，可以規(guī)避使資源環(huán)境耗竭的經(jīng)濟發(fā)展活動，促進社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展。

河北省是以地下水為主要開采資源的資源性缺水區(qū)域。近幾十年來社會經(jīng)濟快速發(fā)展，生產(chǎn)生活用水量劇增，地下水資源消耗嚴重，省內(nèi)出現(xiàn)地下水嚴重超采、地面沉降等一系列問題[2]。而針對本區(qū)域的地下水資源承載能力評價相關(guān)研究尚未全面開展。因此，開展河北省地下水資源承載能力評價及預(yù)警研究，將水資源作為約束社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的基本要素，針對不同區(qū)域建立差異化指標體系，對促進河北省經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要的研究意義。

目前，國外地下水資源承載能力研究多歸于可持續(xù)發(fā)展理論，地下水資源承載能力相關(guān)理論的專題研究報道較為少見，主要圍繞地下水可持續(xù)發(fā)展?jié)摿3]、可供發(fā)展的極值[4-6]、對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響[7]等方面開展。在我國，水資源承載力研究是20世紀80年代末隨水問題的日益突出開始的[8]。評價方法主要有綜合指標法[9-10]、主成分分析法[11-12]、模糊綜合評價法[13]、物元分析法[14]及資源環(huán)境承載協(xié)調(diào)理論[15-19]等。而由于缺水類型、開采類型的差異性，如何根據(jù)河北省地下水資源分布規(guī)律與利用特點，建立符合區(qū)域?qū)嶋H的指標體系是開展河北省地下水資源承載能力評價的關(guān)鍵。

地下水資源承載能力監(jiān)測預(yù)警尚處于探索階段，國外多圍繞地下水管理模型研究而展開[20]，國內(nèi)早期多以單一固定的水量或水位為指標[21-23]。水量指標單純以開采量為預(yù)警判據(jù)，忽略了補給量的動態(tài)變化；水位指標雖數(shù)據(jù)實時直觀，但易受外部條件影響，由于區(qū)域水位存在差異性，在大區(qū)域預(yù)警中難以定量制定統(tǒng)一值。近年來，單一固定指標雖逐步演化為水量水位“雙控”指標[24-27]，如王曉瑋等[25，27]采用“以位定量”的思路以及數(shù)值模擬進行西北地區(qū)雙控管理研究?，F(xiàn)有方法多以開采量和水位作為2 個獨立的靜態(tài)預(yù)警判據(jù)，需要針對某一區(qū)域制定固定的開采量指標和水位指標。但目前對二者之間的動態(tài)聯(lián)系缺乏深入研究，受水文地質(zhì)條件、取用水工藝等自然和人為因素的影響無法形成統(tǒng)一的標準，工作量巨大，且很難做出動態(tài)調(diào)整。

因此，本文采用指標體系綜合分析評判法，針對河北省以地下水為主要開采方式的資源型缺水地區(qū)，開展適用于河北省的區(qū)域地下水資源承載能力評價及預(yù)警研究，論證了該評價方法的可靠性；選取地下水開發(fā)利用程度—水位變化幅度“雙控聯(lián)動”指標為預(yù)警指標，將水量與水位有機結(jié)合，無需設(shè)置固定的水位、水量預(yù)警值，實現(xiàn)預(yù)警指標的自我調(diào)節(jié)，解決由于水位區(qū)域差異導(dǎo)致的大區(qū)域尺度無法定量預(yù)警問題，可為將來建立多方協(xié)同的地下水資源承載能力評價及預(yù)警機制提供參考。

1 河北省地下水動態(tài)

1.1 地下水開采歷史及動態(tài)變化

20世紀50年代，河北省地下水水位基本處于天然狀態(tài)，年開采量約40×108m3，其動態(tài)特征主要受降水與蒸發(fā)控制；至20世紀70年代，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)迅猛發(fā)展，水資源供需矛盾日益突出，地下水動態(tài)類型由降雨入滲補給—蒸發(fā)排泄型轉(zhuǎn)化為降雨入滲補給—開采排泄型，多年平均地下水可采資源量為119×108m3，年平均開采總量為193×108m3，其中地下水開采占開采量75%以上。1975—2015年，河北省深淺層地下水水位整體均呈下降狀態(tài)，太行山山前平原淺層地下水累計降幅達20～40 m，中部平原由于淺層咸水的存在，深層地下水大量開采，水位下降幅度較大，累計降幅達70 m 以上（圖1）。

圖1 河北平原淺層和深層地下水水位多年變化趨勢圖Fig.1 Multi-year trend of groundwater levels in the shallow and deep aquifers in the Hebei Plain

1.2 地下水開發(fā)利用引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題

在水資源嚴重匱乏和經(jīng)濟社會持續(xù)發(fā)展的雙重壓力下，地下水長期超采，華北平原成為世界上超采地下水最嚴重的地區(qū)之一，也是地下水降落漏斗面積最大、地面沉降面積最大、類型最復(fù)雜的地區(qū)之一，同時還產(chǎn)生一系列諸如含水層疏干、水質(zhì)惡化等地質(zhì)環(huán)境問題。河北省地下水降落漏斗主要為冀棗衡、滄州、南宮3 大深層地下水漏斗區(qū)和寧柏隆、高蠡清、肅寧、石家莊4 大淺層地下水漏斗區(qū)，漏斗面積為4.26×104km2[28]。河北平原地面沉降累計沉降量大于1 000 mm 的面積達9 440 km2，滄州市區(qū)地面沉降量最大值已達2.727 m。

2 數(shù)據(jù)來源與評價方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

河北省地下水水位數(shù)據(jù)主要來源于河北省歷年地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測報告。地下水資源量來源于《河北省地質(zhì)環(huán)境圖系》。地下水開采量數(shù)據(jù)主要來源于歷年水利公報及水利統(tǒng)計年鑒。

2.2 地下水資源承載能力評價

2.2.1 承載能力評價指標體系

參考《區(qū)域地質(zhì)環(huán)境承載能力評價技術(shù)要求（試行）》，采用指標體系綜合分析評判法，選取符合河北實際的地下水資源關(guān)鍵因子（表1），以自然單元評價為基礎(chǔ)，自下而上逐級評價、匯總，形成多級、多層次的評價結(jié)果，歸并到縣域行政單元，以保證評價結(jié)果的實用性。通過科學(xué)設(shè)置分級標準，將承載本底劃分為高、較高、中、較低、低5 個等級，完成承載本底評價，反映地下水資源稟賦特征；通過科學(xué)設(shè)置狀態(tài)閾值，將承載狀態(tài)劃分為盈余、均衡、超載3 種狀態(tài)，反映地下水水資源開發(fā)利用程度；結(jié)合本底和狀態(tài)評價結(jié)果，開展地下水資源承載能力評價，將評價結(jié)果分為強、較強、中、較弱、弱5 級（圖2）。

圖2 地下水資源承載能力評價預(yù)警方法圖Fig.2 Evaluation and warning method of the groundwater resource carrying capacity

表1 河北省地下水資源承載能力評價指標體系Table 1 Evaluation index system of groundwater resources carrying capacity of Hebei Province

2.2.2 承載本底因子選取及評價方法

數(shù)量指標即資源性是地下水最核心的功能，質(zhì)量指標是對水資源承載能力影響因子的綜合及量化[16]。承載本底評價因子以地下水可開采資源模數(shù)為基礎(chǔ)指標，由高到低分為5 級（表2）；根據(jù)地下水利用功能，選取可飲用的地下水資源量占比、可灌溉的地下水資源量占比對基礎(chǔ)指標予以修正（表3）。將承載本底劃分為高、較高、中、較低、低等5 個等級，反映地下水資源稟賦。

表2 地下水可開采資源模數(shù)本底分級標準Table 2 Standard for the module background classification of exploitable groundwater resources

表3 地下水承載本底修正指標閾值Table 3 Threshold for groundwater carrying background correction index

2.2.3 承載狀態(tài)因子選取及評價方法

地下水開發(fā)利用程度是區(qū)域地下水開采合理與否的基礎(chǔ)指標，是水位變化的重要影響因子，水位是地下水開采是否超載的直觀體現(xiàn)。開發(fā)利用程度作為承載狀態(tài)基礎(chǔ)評價指標，分為盈余（小于70%）、均衡（70%～100%）、超載（大于100%）；地下水水位下降區(qū)面積占比、地下水用水量占比作為承載狀態(tài)修正評價指標（表4）。將承載狀態(tài)劃分為盈余、均衡、超載3 種狀態(tài)，反映地下水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀。

表4 地下水承載狀態(tài)修正指標閾值Table 4 Groundwater carrying state correction index threshold

2.2.4 承載能力評價方法

結(jié)合本底和狀態(tài)評價結(jié)果，構(gòu)建地下水資源承載能力判別矩陣，將評價結(jié)果分為強、較強、中、較弱、弱5 級（表5）。

表5 地下水資源承載能力分級表Table 5 Scale for groundwater resources carrying capacity

2.3 地下水預(yù)警指標及方法研究

地下水開發(fā)利用程度是地下水取水量與可開采資源量的比值，體現(xiàn)區(qū)域地下水開發(fā)利用狀況。通過地下水開發(fā)利用程度指標代替取水量指標，以開發(fā)利用量和可開采資源量的比值替代固定取水量值，實現(xiàn)了省級大區(qū)域制定統(tǒng)一標準的目的。

地下水水位的變化是區(qū)域補給量和排泄量變化的外在體現(xiàn)，取水量是影響河北省水位變化的最主要人為因素，兩者之間存在動態(tài)聯(lián)系，控制水位最直接有效的手段就是控制地下水取水量。省域范圍內(nèi)水位值區(qū)域差異大，通過用水位變化幅度指標代替水位指標，以速率形式代替固定值，實現(xiàn)無需設(shè)置固定水位預(yù)警值的目的。

考慮到地下水開發(fā)利用程度是河北省水位變化的最大可控因素，選取地下水開發(fā)利用程度作為河北省地下水預(yù)警的基礎(chǔ)指標。而降水量是河北省水位變化的最大不可控因素，單純以地下水開發(fā)利用程度作為預(yù)警指標，在極端降水年會出現(xiàn)地下水開發(fā)利用程度未預(yù)警而水位出現(xiàn)大幅變化的情況，致使預(yù)警出現(xiàn)偏差。地下水水位變化依托現(xiàn)有監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，具有實時的優(yōu)勢，因此將水位變化幅度作為修正指標對地下水開發(fā)利用程度予以修正。通過地下水開發(fā)利用程度—水位變化幅度的“雙控聯(lián)動”預(yù)警，實現(xiàn)豐、平、枯水年之間的動態(tài)調(diào)節(jié)，使預(yù)警指標具有自我調(diào)節(jié)能力。

在地下水資源承載能力評價中地下水開采量是最主要的可控因素，降水量是最主要的不可控因素的區(qū)域現(xiàn)狀，而二者的直接體現(xiàn)就是水位的變化。預(yù)警評價時采用地下水開發(fā)利用程度（100%～120%為輕度超載、120%～150%為中度超載、大于150%為重度超載）和水位波動程度（水位上升超10%為變優(yōu)、下降超10%為變劣、變幅10%之間為穩(wěn)定）作為水位變化趨勢的判別矩陣（表6），同時用水位變化幅度加以修正（年際水位上升提高1 級、水位下降幅度不足1 m不降級、水位下降幅度1～2 m 降1 級、水位下降幅度大于2 m 降2 級）。將預(yù)警級別分為紅、橙、黃、藍4 級。

表6 地下水預(yù)警等級判別矩陣Table 6 Discriminant matrix of groundwater warning grade

3 結(jié)果

3.1 地下水資源承載能力評價結(jié)果

3.1.1 承載本底評價結(jié)果

河北省地下水資源承載本底整體較好（圖3），高、較高縣占全省的43.1%，主要位于燕山及太行山山前沖洪積平原區(qū)及太行山中南部山區(qū)；承載本底低、較低縣占全省的16.8%，太行山北段、壩上高原以及濱海沖積海積平原區(qū)東部承載本底普遍以低或較低為主。

圖3 河北省地下水資源承載能力評價圖Fig.3 Evaluation results for groundwater resource carrying capacity of Hebei Province

3.1.2 承載狀態(tài)評價結(jié)果

地下水承載狀態(tài)整體多為超載（圖3），超載區(qū)域在河北省平原區(qū)大范圍分布，占全省比例72.5%，狀態(tài)盈余縣占比僅9.6%，主要位于太行山區(qū)。

3.1.3 承載能力評價結(jié)果

根據(jù)本底和狀態(tài)評價結(jié)果，對河北省地下水資源進行承載能力評價。河北省地下水資源承載能力整體呈兩極分化，強、較強縣占比38.9%，弱、較弱縣占比43.1%（圖3）。承載能力強的縣占7.8%，主要分布在太行山中南部山區(qū)及燕山山前平原西部；能力較強縣占31.1%，主要分布在太行山及燕山的山前平原區(qū)；能力較弱的縣占30.5%，主要分布在河北平原中部沖湖積平原以及張家口、承德壩上區(qū)域；能力弱的縣占12.6%，主要分布在滄州、衡水地區(qū)及承德壩上區(qū)域。

3.2 地下水資源預(yù)警結(jié)果

在承載能力評價基礎(chǔ)上對河北省地下水資源進行預(yù)警研究，結(jié)果顯示河北省地下水資源紅色及橙色預(yù)警區(qū)域主要分布于河北平原中部沖湖積平原的滄州、衡水地區(qū)、太行山山前平原邯邢交界區(qū)域及城市市區(qū)周邊（圖4）。

圖4 河北省地下水資源承載能力預(yù)警圖Fig.4 Warning chart for groundwater resource carrying capacity of Hebei Province

4 分析及討論

4.1 評價結(jié)果分析

（1）自然因素即水文地質(zhì)條件是影響河北省地下水資源承載本底的主要因素

太行山區(qū)中南段含水層以寒武、奧陶系灰?guī)r為主，巖溶裂隙發(fā)育，具有良好的儲水條件，常形成較大的泉及泉群，如峰峰黑龍洞泉域、邢臺百泉泉域、涉縣東風湖泉域等；山前平原區(qū)含水層以沖洪積的粗砂、礫石、卵石為主，垂向連續(xù)性強，具有強入滲和儲存條件，常與山區(qū)河谷含水體相連，具有較好側(cè)向徑流補給條件。良好的水文地質(zhì)條件致使該區(qū)域水資源豐富，承載本底多為較高或高；太行山北段地下水系統(tǒng)多為封閉的構(gòu)造斷陷盆地，補給類型單一、以降水為主，地下水分布不均、連通性差；壩上高原位于內(nèi)陸河地下水系統(tǒng)，具有明顯的內(nèi)陸盆地封閉或半封閉特征，以降水入滲補給為主，地下水連通性差；濱海沖積海積平原區(qū)主要由于淺層咸水的分布，地下水功能性減弱，承載本底多為低或較低。

本底評價結(jié)果與河北省水文地質(zhì)條件總體趨勢符合，即從山前平原到濱海平原，含水層顆粒由粗變細，地下水水力坡度由大變小，地下水的補徑排條件由好變差；山區(qū)碳酸鹽巖類巖溶水多優(yōu)于基巖裂隙水分布區(qū)。

（2）河北省地下水承載狀態(tài)主要受人為因素即地下水開采影響

太行山區(qū)水資源豐富，開發(fā)利用程度相對較低，一般在70%以下；河北平原為經(jīng)濟及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)較為發(fā)達的區(qū)域，大部分區(qū)域均超采100%以上，1999年河北省開采程度達到128%[17]。

將狀態(tài)評價結(jié)果與河北省政府公布地下水超采區(qū)、禁采區(qū)和限采區(qū)范圍對比，結(jié)果一致性達93%，狀態(tài)評價結(jié)果與河北省超采現(xiàn)狀基本符合。

（3）河北省地下水資源紅色及橙色預(yù)警主要位于3 大區(qū)域

市區(qū)周邊區(qū)域主要由于經(jīng)濟的發(fā)展及人口的增長，集中分布的工業(yè)及生活用水超出了地下水的承載能力。太行山山前平原的邯邢交界區(qū)域5年間深層地下水下降幅度多小于5 m，但淺層水位下降幅度多在5 m 以上，淺層水位下降是造成邯邢山前平原紅色預(yù)警的主要誘因。河北平原中部的沖湖積平原淺層多咸水、微咸水，開發(fā)程度較低，水位整體呈穩(wěn)定或上升態(tài)勢，但是深層水多以下降為主，尤其是衡水地區(qū)，地下水水位5年變差多在6～10 m 以上，滄州衡水及周邊區(qū)域為河北省地面沉降速率較大區(qū)域，高陽、武強、武邑、南宮、平鄉(xiāng)等地年沉降速率達到90 mm。預(yù)警結(jié)果與河北省地下水實際情況及由此產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)問題一致。

4.2 討論

評價結(jié)果整體可靠性較高。通過宏觀省級層面構(gòu)建評價預(yù)警指標體系，以縣域單元體現(xiàn)評價結(jié)果，在增強了區(qū)域普遍性、操作性和針對性的同時忽略了縣域單元的內(nèi)在特殊性。如在同時具有山區(qū)和平原的縣域，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)多集中于平原區(qū)，地下水開采也相應(yīng)多集中于此，評價將其視為一個整體，雖對宏觀性評價結(jié)果影響不大，但容易忽視個別區(qū)域地下水超采的現(xiàn)狀。在市縣級細致性評價中應(yīng)根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H細化評價單元、進一步優(yōu)化調(diào)整評價指標體系可解決此問題。

地下水超采是河北省地下水資源承載能力的主要影響因素。針對超載區(qū)實施地下水壓采，將有助于提升區(qū)域地下水資源承載能力，凸顯地下水的重要戰(zhàn)略價值。近年來，隨著地下水壓采政策的施行，2020年河北省累計壓減地下水超采量43.5×108m3，地下水水位下降趨勢得到初步遏制[29]。

5 結(jié)論

（1）基于地下水資源屬性和社會屬性，采用指標體系綜合分析評判法，建立承載本底、承載狀態(tài)2 個層面的承載能力評價體系。選取地下水可開采資源模數(shù)作為本底基礎(chǔ)指標，可飲用地下水資源量占比、可灌溉用地下水資源量占比作為本底修正指標；選取地下水開發(fā)利用程度作為承載狀態(tài)基礎(chǔ)指標，地下水水位下降區(qū)面積占比、地下水用水量占比作為承載狀態(tài)修正評價；構(gòu)建地下水資源承載能力判別矩陣。河北省地下水資源承載能力主要受水文地質(zhì)條件和開發(fā)利用現(xiàn)狀影響，太行山中南部地下水資源承載能力高于北部及燕山山區(qū)、壩上地區(qū)，山前沖洪積平原優(yōu)于中部湖積平原和濱海平原。評價結(jié)果符合河北省區(qū)域?qū)嶋H。

（2）選取地下水開發(fā)利用程度～水位變化幅度“雙控聯(lián)動”指標為預(yù)警指標，較之單純采用水量或水位單要素的方法，加強了取水量與補給來源的動態(tài)聯(lián)系，解決了區(qū)域水位數(shù)據(jù)的差異性和波動性問題，區(qū)域通用性更強。受咸水分布、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取水量大等因素影響，地下水紅色及橙色預(yù)警區(qū)域主要分布于河北平原中部沖湖積平原的滄州、衡水地區(qū)、太行山山前平原邯邢交界區(qū)域及城市市區(qū)周邊。預(yù)警結(jié)果與超采導(dǎo)致的地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)問題相一致。

（3）通過省級宏觀層面構(gòu)建評價預(yù)警指標體系，在綜合考慮了區(qū)域地下水共性因子的同時容易忽略小區(qū)域的特殊性，在市縣級細致性評價中應(yīng)根據(jù)區(qū)域?qū)嶋H細化評價單元，進一步優(yōu)化調(diào)整評價指標體系。