河北省地下水資源承載力評(píng)價(jià)及預(yù)警研究

收稿日期：2023-12-01

作者簡(jiǎn)介：楊玉良（1980—），男，河北滄州人，工程師，主要從事地下水研究。

摘 要：作為水資源的核心組成之一，地下水在保證我國(guó)城鎮(zhèn)與農(nóng)村居民的日常生活和生產(chǎn)用水、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展，以及保持生態(tài)環(huán)境的健康循環(huán)等方面扮演著關(guān)鍵角色。深入分析了河北省地下水資源的承載能力及預(yù)警方法，旨在為河北省的地下水資源管理提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用和生態(tài)保護(hù)。

關(guān)鍵詞：河北?。坏叵滤Y源；承載能力；預(yù)警方法；可持續(xù)管理

中圖分類(lèi)號(hào)：P642.23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B文章編號(hào)：2095–3305（2024）03–0-03

地下水資源作為一個(gè)地區(qū)水資源管理和生態(tài)平衡的關(guān)鍵，一直是水資源研究的重點(diǎn)，尤其是在河北省這種干旱和半干旱地區(qū)，地下水資源的合理開(kāi)發(fā)與利用顯得尤為重要。通過(guò)對(duì)河北省地下水資源的全面評(píng)估，能夠?yàn)樵撌∧酥疗渌貐^(qū)的水資源管理提供參考。

1 河北省地下水資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

1.1 水資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀

河北省在地下水資源開(kāi)發(fā)方面具有其特殊性。2021年，河北省的地下水供水量為118.3億 m3，占總供水量的52.1%。其中，淺層地下水供水量達(dá)到109.6億 m3，占地下水總供水量的92.6%，主要分布在河北省的平原區(qū)、山間盆地和黃土丘陵區(qū)。這些區(qū)域的地下水具有埋藏淺、補(bǔ)給快、儲(chǔ)存條件好、富水性強(qiáng)、易于開(kāi)采等特點(diǎn)，是地下水開(kāi)發(fā)利用的主要對(duì)象。深層承壓水供水量則為8.7億 m3，占地下水總供水量的7.4%，主要用于工業(yè)、城鎮(zhèn)生活和農(nóng)村生活，分布在河北省的多個(gè)城市如石家莊、唐山、邯鄲、秦皇島等地。淺層地下水作為河北省主要的供水來(lái)源，其開(kāi)采和利用受到高度重視，由于長(zhǎng)期的過(guò)度開(kāi)采，部分地區(qū)出現(xiàn)了地下水位的持續(xù)下降現(xiàn)象，尤其是在河北省的北部和東部地區(qū)，地下水位每年下降速度在1～3 m，這對(duì)地下水資源的可持續(xù)利用構(gòu)成了嚴(yán)重的威脅。

1.2 水資源超采問(wèn)題

在華北平原，長(zhǎng)期的地下水超采導(dǎo)致一系列嚴(yán)重的環(huán)境與社會(huì)問(wèn)題，使該區(qū)域成為全球地下水過(guò)度抽取最嚴(yán)重的地區(qū)之一。尤其是在河北省，地下水的持續(xù)下降不僅會(huì)導(dǎo)致地面沉降問(wèn)題的加劇，還會(huì)引發(fā)水文地質(zhì)環(huán)境的復(fù)雜變化。河北省地下水降落漏斗主要集中在冀棗衡、滄州和南宮等深層地下水區(qū)域，以及寧柏隆、高蠡清、肅寧和石家莊等淺層地下水區(qū)域。這些漏斗區(qū)的面積達(dá)到4.26萬(wàn) km2。在河北平原，地面沉降累計(jì)量超過(guò)1 000 mm的區(qū)域面積達(dá)到9 440 km2。尤其是在滄州市區(qū)，地面沉降的最大值已經(jīng)達(dá)到2.727 m。

這種持續(xù)的地下水位下降不僅會(huì)造成含水層疏干、水質(zhì)惡化等多種地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，還會(huì)對(duì)地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成深遠(yuǎn)的影響。

2 地下水資源承載能力評(píng)價(jià)

2.1 水資源承載能力分析

地下水資源的承載能力是指在不破壞地下水生態(tài)系統(tǒng)和確保水資源可持續(xù)利用的前提下，地下水能夠承載的最大開(kāi)發(fā)和利用程度[1-3]。地下水資源的承載能力不僅關(guān)系到水資源的合理開(kāi)發(fā)和利用，還與區(qū)域的生態(tài)安全、經(jīng)濟(jì)發(fā)展息息相關(guān)。

河北省的地下水水位和資源數(shù)據(jù)主要收集自該省多年的地下水和地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)工作，主要根據(jù)《河北省地質(zhì)環(huán)境圖集》整理地下水資源量的信息。此外，地下水的開(kāi)采數(shù)據(jù)主要來(lái)自歷年發(fā)布的水利部門(mén)公報(bào)和水利統(tǒng)計(jì)年報(bào)。

2.2 水資源承載力評(píng)估指標(biāo)體系

河北省的水資源承載能力評(píng)估指標(biāo)體系是一個(gè)多維度、綜合性的分析框架，旨在全面評(píng)估和監(jiān)控地下水資源的可持續(xù)性和承載力。主要從社會(huì)經(jīng)濟(jì)、地下水資源及自然生態(tài)環(huán)境等方面構(gòu)建該指標(biāo)體系，評(píng)估指標(biāo)體系見(jiàn)表1[4]。

2.3 承載能力評(píng)估方法

河北省地下水資源承載能力的評(píng)估是一個(gè)復(fù)雜的多維度過(guò)程，涉及水文地質(zhì)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及環(huán)境保護(hù)等方面，該過(guò)程旨在量化地下水資源的可持續(xù)利用程度，以便為資源管理和政策制定提供科學(xué)依據(jù)。承載能力的評(píng)估公式可表示為：

C=f（W，R，P，E）（1）

式（1）中，C代表地下水資源承載能力；W代表水文地質(zhì)因素的影響；R代表社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的影響；P代表環(huán)境因素的影響；E其他額外因素[5-9]。

為反映地下水資源承載能力的實(shí)時(shí)狀態(tài)和長(zhǎng)期趨勢(shì)，需要綜合考慮地下水資源的多維度特性和動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算公式為：

C=α（βiGi）+γ（δiSi）+ε（ζkEk）（2）

式（2）中，α、γ、ε是權(quán)重系數(shù)，用于調(diào)整不同類(lèi)別因素對(duì)承載能力的影響程度；βi、δi、ζk是各個(gè)因素的影響系數(shù)。

2.4 水資源承載能力等級(jí)劃分

在地下水資源承載能力的分析中，對(duì)水資源承載能力進(jìn)行等級(jí)劃分是關(guān)鍵步驟之一，目的是建立一個(gè)明確、可量化的標(biāo)準(zhǔn)，用以評(píng)估地區(qū)水資源的可持續(xù)性和管理效率[10-14]。為了定量化地下水資源承載能力的評(píng)估，可以采用綜合評(píng)價(jià)模型，具體公式可以表示為：

承載能力綜合評(píng)分=wixi（3）

式（3）中，wi表示第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，xi代表第i個(gè)指標(biāo)的實(shí)際觀(guān)測(cè)值。

3 地下水資源預(yù)警方法

地下水資源預(yù)警方法的核心在于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)水資源的變化趨勢(shì)，并及時(shí)采取措施以避免資源過(guò)度開(kāi)發(fā)，利用先進(jìn)的監(jiān)控技術(shù)持續(xù)追蹤地下水位和質(zhì)量的變化，結(jié)合氣象、地質(zhì)和水文數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)行綜合評(píng)估[15]。建立地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)模擬不同情景下地下水資源的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的超采或短缺情況，計(jì)算公式為：

Pt=α（Wt-Wt-1）+β（Rt-Rt-1）+γEt+δ（4）

式（4）中，Pt代表預(yù)警指數(shù)；Wt、Wt-1分別為當(dāng)前和前一時(shí)期的地下水位；Rt、Rt-1為相應(yīng)時(shí)期的降雨量；Et為環(huán)境因素的綜合評(píng)分。根據(jù)預(yù)警指數(shù)的高低，將地下水資源的狀態(tài)劃分為不同的預(yù)警等級(jí)，從而為決策者提供明確的指導(dǎo)，水資源預(yù)警等級(jí)劃分見(jiàn)表3。

藍(lán)色預(yù)警表示地下水資源狀況良好，無(wú)需立即采取行動(dòng)；黃色預(yù)警表示地下水資源存在輕度超載，應(yīng)開(kāi)始關(guān)注并采取預(yù)防措施；橙色預(yù)警表示地下水資源出現(xiàn)中度超載，需要采取緊急措施以防止進(jìn)一步惡化；紅色預(yù)警表示地下水資源處于重度超載狀態(tài)，需要立即采取有效的措施以恢復(fù)水資源平衡。

4 結(jié)果與分析

4.1 水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果

河北省的地下水資源承載能力表現(xiàn)出顯著的地域差異（圖1）。在全省范圍內(nèi)，具有較高或高的地下水承載能力的縣區(qū)占比約為45%，主要集中在燕山南麓和太行山東麓的豐富水資源地區(qū)；承載能力低或較低的縣區(qū)占全省的18%，主要分布在太行山北部、壩上高原及濱海平原的東部區(qū)域。在河北省的平原區(qū)，超載現(xiàn)象普遍存在，覆蓋全省約70%的區(qū)域。而地下水資源盈余的縣區(qū)僅占全省的10%左右，主要分布在太行山區(qū)。

此外，地下水資源承載能力的極端分化在河北省表現(xiàn)得尤為明顯，位于太行山中南部山區(qū)和燕山南麓平原的西部具備強(qiáng)或較強(qiáng)承載能力的縣區(qū)占比約為40%，而河北平原中部的湖泊平原及張家口、承德的壩上地區(qū)承載能力較弱的縣區(qū)占比達(dá)到30%。

4.2 水資源預(yù)警結(jié)果

基于對(duì)河北省地下水資源承載能力的評(píng)估，進(jìn)行了預(yù)警級(jí)別的研究（圖2）。河北省地下水資源面臨較高風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域主要集中在河北平原中部的湖泊平原地區(qū)，尤其是滄州和衡水地區(qū)。太行山東麓的平原地區(qū)，尤其是邯鄲和邢臺(tái)交界的區(qū)域，以及城市郊區(qū)，也顯示出紅色和橙色的預(yù)警級(jí)別。

圖2? 河北省水資源承載能力預(yù)警等級(jí)的分布特征

4.3 預(yù)警結(jié)果分析

一方面，河北省的地下水承載狀況主要受到人類(lèi)活動(dòng)的影響，尤其是地下水的過(guò)度開(kāi)采。太行山區(qū)水資源較為充沛，其開(kāi)發(fā)和利用水平相對(duì)較低，一般不超過(guò)70%。相比之下，河北平原作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)和工農(nóng)業(yè)高度發(fā)展的區(qū)域，大多數(shù)地區(qū)的地下水開(kāi)采率超過(guò)100%。以1999年為例，河北省的地下水開(kāi)采程度高達(dá)128%。將地下水承載能力的評(píng)價(jià)結(jié)果與河北省政府公布的地下水超采區(qū)、禁采區(qū)和限采區(qū)的范圍進(jìn)行對(duì)比，其顯示出高達(dá)93%的一致性，說(shuō)明地下水承載能力的評(píng)估與河北省地下水的實(shí)際超采狀況基本吻合。

另一方面，河北省地下水資源的紅色和橙色預(yù)警區(qū)主要集中在3個(gè)關(guān)鍵區(qū)域。由于市區(qū)及其周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和人口增長(zhǎng)，工業(yè)和生活用水的需求超過(guò)地下水的可承載量；太行山前平原的邯鄲和邢臺(tái)交界區(qū)，在過(guò)去5年中，雖然深層地下水位的下降幅度通常小于5 m，但淺層水位卻普遍下降超過(guò)5 m，這種淺層水位的顯著下降是導(dǎo)致該區(qū)域紅色預(yù)警的主要原因；在河北平原中部的沖洪湖積平原區(qū)的深層水位大多呈下降趨勢(shì)，尤其是在衡水地區(qū)，過(guò)去5年間地下水水位變化范圍大多在6～10 m之間。這些預(yù)警結(jié)果與河北省地下水的實(shí)際狀況及由此產(chǎn)生的地質(zhì)環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題相符合。

5 結(jié)束語(yǔ)

分析了河北省地下水資源的開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀、承載能力及預(yù)警方法，深入探討了水資源承載能力的概念、評(píng)估指標(biāo)體系和評(píng)估方法，得出了河北省地下水資源承載能力的具體等級(jí)劃分。研究結(jié)果顯示，河北省地下水資源面臨著超采等挑戰(zhàn)，相關(guān)部門(mén)需要采取更為有效的管理措施來(lái)確保資源的可持續(xù)利用。

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