区域地下水功能及可持续利用性评价理论与方法

区域地下水功能及可持续利用性评价理论与方法

张光辉,申建梅,聂振龙,王金哲,严明疆,郝明亮

(中国地质科学院水文地质环境地质研究所,石家庄 050061)

摘要:本文针对我国北方地下水评价中偏重资源而对地下水的生态功能和地质环境功能重视不足的问题,立足流域尺度地下水循环系统,从地下水的自然属性切入,突出协调综合发挥地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能的目标,应用系统论和层次分析方法,建立了地下水功能的基本理念、评价标准和方法及评价指标体系,并以华北滹沱河流域作为示范区应用,结果表明具有实用性。

关键词:区域地下水;资源-生态-地质环境功能;功能评价与区划;滹沱河流域示范

中图分类号:P64116;64118 文献标识码:A 文章编号:100023665(2006)0420062205

收稿日期:2005204214;修订日期:2005210226

基金项目:中国地质调查局科研专题/地下水综合评价方法专

题研究0和国家自然科学基金项目(编号:40472126)。

作者简介:张光辉(1959-),男,博士,研究员,博士生导师,主

要从事区域地下水循环演化与可持续利用及生态地质环境保护基础研究。E 2mail:Huanjing@https://www.360docs.net/doc/c8234500.html,

1 问题提出

地下水的资源供给功能(简称/资源功能0,下同)仅是地下水功能的一部分,生态环境维持功能(简称/生态功能0,下同)和地质环境稳定功能(简称/地质环境功能0,下同)是其重要组成部分,它们彼此制约和相互作用。无论地下水的哪一功能过度强化,都必然引起地下水的其他功能响应变化。

近30年以来我国北方地区地下水资源过度开发利用和地表水长期大规模地拦蓄,使得不少地区的地下水位持续下降,地下水位降落漏斗出现并不断扩大,引发了地面不均匀沉降、生态环境退化和海咸水入侵等环境问题。这与以往偏重地下水的资源功能而对生态功能和地质环境功能的认识不足密切相关,急需按新的要求对区域地下水评价的指导思想、理念和方法诸方面进行完善和发展,以利于协调综合地发挥地下水的资源、生态和地质环境功能,为提高地下水可持续利用能力提供科学依据。

2 基本理念与适用范围

211 基本理念

地下水功能(G roundw ater Function)是指地下水的

质和量及其在空间和时间上的变化对人类社会和环境所产生的作用或效应,主要包括地下水的资源供给功能、生态环境维持功能和地质环境稳定功能。

(1)资源功能:地下水的资源功能(Groundwater Resource 2function)是指具备一定的补给、储存和更新条件的地下水资源供给保障作用或效应,具有相对独立、稳定的补给源和水的供给保障能力。

(2)生态功能:地下水的生态功能(Groundwater Ec ological Function)是指地下水系统对陆表植被或湖泊、湿地或土地质量良性维持的作用或效应,如果地下水系统发生变化,则生态环境出现响应的改变。(3)地质环境功能:地下水的地质环境功能(Groundwater Geologic Environment Function)是指地下水系统对其所赋存的地质环境稳定性所具有支撑和保护的作用或效应,如果地下水系统发生变化,则地质环境出现响应的改变。

212 评价主体

地下水功能评价的主体是一个完整的流域尺度地下水系统,包括驱动、状态和响应三类群。/驱动因子0是指驱动地下水系统变化的影响因子。例如降水变化、开采地下水等。/状态因子0是指描述地下水系统(或功能)状态的因子。例如地下水水位、水量和水质等性状。/响应因子0是指由于地下水系统(或功能)状态变化而相关能力或环境响应变化的因子。213 应用范围

主要面向西北、华北和东北的平原区地下水系统。

3 技术导则与方法

311 技术导则

(1)立足于地下水自然属性,兼顾长期人为因素影

响下的社会属性,重视前期资料及成果的利用。

(2)以人与自然协调、可持续发展为根本目标。

(3)水循环规律作为基础,流域尺度地下水系统为评价主体,重点评价地下水的各功能区位特征及主要自然属性状况。

(4)尽可能地多目标保护、多功能互补和综合发挥作用。

312评价体系

(1)体系的层次结构:地下水功能评价体系如图1所示,它由系统目标层(A)、准则功能层(B)、属性指标层(C)和要素指标层(D)4级层次结构组成(见图1)

。

图1地下水功能评价体系的层次结构模型示意图

Fig.1Fra mewor k of the hier archy system for gr oundwater function assessment

A层是系统的总目标,即地下水可持续利用性。B

层是描述总目标的功能准则,由资源功能B1、生态功

能B2和地质环境功能B3构成。C层是描述各功能层

(B i)的属性指标,由m个指标C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、

C8、C9、C10、,,、C m构成,是各功能状况的评价基础。

D层是描述各属性指标(C i)的最基础要素,它们分别

从不同侧面反映地下水系统某一属性状况,是具体评

价的基本指标,由n个D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、

D9、D10,,D n构成。

(2)指标体系与标准:地下水功能评价的指标体

系,包括属性评价标准、功能评价标准和系统综合评价

标准,如表1所示。

表1地下水功能评价的分级标准

Ta ble1Grading criteria for groundwater function assessment

系统目标(层)综合评价分级标准

综评指数值018~110016~018014~016012~014012~0

状况分级可持续性强可持续性较强可持续性一般可持续性较弱可持续性弱

功能(层)综合评价分级标准

功能指数值0184~1100167~01840134~01670117~01340117~0

状况分级强较强一般较弱弱

级别代码I II III IV V

属性(层)状况评价分级标准

属性指数值018~110016~018014~016012~014012~0

状况分级好较好一般较差差

313评价步骤与方法

(1)确定评价目标及划分基本单元:首先确定评价

范围,使地下水系统具有完整性。然后按流域尺度划

分评价分区和剖分基本单元。

剖分基本单元的方法有二:1在资料较齐全的地

区,将完整的流域尺度地下水系统划分至第4级区(基

本单元),其中上、中、下游段作为第一级分区;在各一

级分区内,根据水文地质条件,划分第二级分区;再根

据各二级分区的补给、迳流和排泄,以及地下水埋藏状

况,划分入渗补给带、迳流储存带、滞留储存带等,作为

第三级分区;在第三级分区内,进行剖分,形成评价基本单元;o在难以划分上、中、下游段地区,可直接剖分形成基本评价单元。基本单元形状和面积大小,可根据资料情况和研究程度确定,但是需要遵循水文地质单元及地下水评价的基本要求。

(2)遴选影响因子:尽可能利用已有数据和资料,适度开展补充性调查;将所有影响因子归类,分析、遴选和确定主要影响因子;分别建立基础数据表(见表2),为构建指标层体系作准备。

表2地下水功能评价的基础数据归类表(示例)

Table2Example of ba sic data sheet for gr oundwater function assessment

服务对象:资源功能分区编码:12资料时段:200013-200516属性层名称:资源占有性要素指标名称:储存资源占有率归档编码:2005A1-12

单元编码要素值

数据来源

与状况说明

单元编码要素值

数据来源

与状况说明

单元编码要素值

数据来源

与状况说明

单元编码要素值

数据来源

与状况说明

10189纸图估值110183纸图估值210181专家赋值310143纸质图估值20178电图插值120172电图插值220171纸图估值320174电子图插值s s s s s s s s s s s s

(3)构建指标体系:结合项目要求,并考虑工作区的实际情况和数据获取难易程度,确定基本的评价指标,构建评价的基础层)))要素指标层。然后,根据层次关系和群组关系,组成属性指标层和准则功能层。在此基础上,构成地下水功能的评价指标体系。

要求:在同一地区,尽可能建立归一、规范和实用的评价指标体系;可通过由粗至细逐步完善的过程,建立较完善的地下水功能评价指标体系。

(4)评价方法:首先根据可持续利用原则,确定地下水资源功能(B1)、生态功能(B2)和地质环境功能(B3)的组合群拟实现的总目标及其权值关系[1]。为了实现B层对总目标的描述,以A层的要求为准则,对B层指标进行相对重要性的两两比较,将得到系统(A)层的判断矩阵,即

A={b ij|i,j=1~n}n@m

对A层各要素的重要性如下:

b1,1表示资源功能对水资源功能的相对重要性,为B1P B1=1;b1,2表示资源功能对生态功能的相对重要性,为B1P B2;b1,3表示资源功能对地质环境功能的相对重要性,为B1P B3;b2,1表示生态功能对资源功能的相对重要性,为B2P B1;b2,2表示生态功能对生态功能的相对重要性,为B2P B2=1;b2,3表示生态功能对地质环境功能的相对重要性,为B2P B3;b3,1表示地质环境功能对资源功能的相对重要性,为B3P B1;b3,2表示地质环境功能对生态功能的相对重要性,为B3P B2;b3,3表示地质环境功能对地质环境功能的相对重要性,为B3P B3=1。

在上述工作基础上,构建的地下水功能权重综合判断矩阵如下(表3):

表3地下水功能权重综合判断矩阵

Table3Discr iminating matrix for groundwater function weights

A B1B2B3

B1b1,1b1,2b1,3

B2b2,1b2,2b2,3

B3b3,1b3,2b3,3其中,b i,j>0,b i,j#b j,i=1;当i=j时,b i,j=1。

与上述方法相同,分别根据各功能(B1、B2和B3)的准则要求和各属性(C1、C2、C3,,)的要求,构建B层和C层判断矩阵。然后,进行层次排序及求解权向量,即确定上述各判断矩阵的同一层次各因子对于上一层次某指标相对重要性的排序权值,并检验和修正各判断矩阵的一致性。对于一个正向量W=(W1, W2,,,W n)T,其标准化向量W为

W s=

W1

E n

i=1

W i

,

W2

E n

i=1

W i

,,,

W n

E n

i=1

W i

T

式中W s(W s1,W s2,,,W sn)T为同一层次相应因子对于上一层次某个指标相对重要性的排序权值。

对判断矩阵需要进行一致性检验,直到判断矩阵具有满意的一致性为止。

第3步是确定层次总排序权值。若上一层次A包含m个因子B1、B2,,,B m,其层次总排序权值分别为a1、a2,,,a m;下一层次B包含n个因子C1、C2,,, C k,,,C n,它们对于因子B j的层次单排序权值分别为b1j、b2j,,,b n j(当Ck与B j无关系时,b k j=0)。于是,得到B层次总排序权值。

314综合评价

根据各因子总排序权值(a i),进行综合评价。

综合评价指数的计算公式如下:

R =

E

n

i =1

a i X i

式中:R )))综合评价指数;

a i )))评价参数的权值;

X i )))评价参数,等于E (d i P d max )或E (d i P d 阈);N )))评价参数的个数。

根据计算出的一系列R 值,绘制相关指标等值线图,圈定地下水功能状况分区,如图2所示;然后对照相应层次的评价分级标准,判别评价对象的状况,并作出评价。

4 应用举例

根据上述规则和方法,在华北平原滹沱河流域进行了试用,结果如图2所示。

图2表明,研究区的西北部地下水资源功能较强

(图2a),生态功能较弱(图2b),同时除了石家庄地下水漏斗区的地质环境功能较强之外,西北部其他区的地质环境功能都较弱(图2c),因此对照表4可知该区地下水功能属于/B 1B 3B 2型0,适宜规模开采,同时适当重视地质环境功能的保护,而这里的地下水开发利用对西北部生态环境可能产生的影响较弱。从图2d 可知,除石家庄地下水漏斗区受超采疏干影响而地下水可持续利用性降低之外,其他地区都较强,可作为石家庄的重要水源地目标区。

表4 地下水功能综合评价结果的组合特征、分级与意义[3]

Table 4 The assembled chara cterstic of gr oundwater function assessment r esults and its grade and meaning

状态组合及代码

优势功能辅助功能弱势功能R 值:1100~0167

0167~0134

0134~0100

意义

利用前景

B 1

B 2B 3 资源功能强,生态功能次之,地质环境功能弱势。

可规模开采,生态功能需要保护,地质环境功能可弱化。

B 3B 2 资源功能强,地质环境功能次之,生态功能弱势。

可规模开采,地质环境功能需要保护,生态功能可弱化。

B 2

B 1B 3 生态功能强,资源功能次之,地质环境功能弱势。

可适度开采,需要加强生态功能保护,地质环境功能可弱化。

B 3B 1 生态功能强,地质环境功能次之,资源功能弱势。

不宜开采,生态功能保护优先,重视地质环境功能涵养。

B 3

B 1B 2 地质环境功能强,资源功能次之,生态功能弱势。

可调节开采,重视与地质环境功能协调,生态功能可弱化。

B 2B 1 地质环境功能强,生态功能次之,资源功能弱势。

不宜开采,重视地质环境功能保护,生态功能需要涵养。

B 1

B 2,B 3-- 资源功能强,生态功能和地质环境功能次之。

可规模开采,生态功能和地质环境功能需要保护。

--B 2,B 3 资源功能强,地质环境功能次之,生态功能弱势。

可规模开采,地质环境功能和生态功能可弱化。

B 2,B 3

B 1-- 生态功能和地质环境功能强,资源功能次之。

限制开采,生态功能和地质环境功能需要保护。

--B 1 生态功能和地质环境功能强,资源功能弱势。

不宜开采,生态功能和地质环境功能需要保护。

--

B 1,B 2B 3 资源功能和生态功能次之,地质环境功能弱势。

可适量开采,需要加强生态功能保护,地质环境功能可弱化。

B 3B 1,B 2 地质环境功能次之,资源功能和生态功能弱势。

不宜开采,重视地质环境功能涵养,生态功能可弱化。

--

B 2,B 3B 1 生态功能和地质环境功能次之,资源功能弱势。

不宜开采,重视生态功能及地质环境功能涵养。

B 1B 2,B 3 地质环境功能强,生态功能次之,资源功能弱势。

可适量开采,地质环境功能和生态功能都可弱化。

--

B 1,B 2,B 3

-- 资源功能、生态功能和地质环境功能都次之。

可调节开采,重视与生态功能和地质环境功能协调。

--B 1,B 2,B 3

资源功能、生态功能和地质环境功能弱势。

可根据其它自然条件,规划与开发。

注:B 1)))表示资源功能;B 2)))表示生态功能;B 3)))表示地质环境功能;B 1,B 2)))表示同级;/--0)))表示出现概率极小。

图2地下水功能评价方法在华北平原滹沱河流域示范应用结果

Fig.2Results of gr oundwater function assessment in the Hutuohe River Basin of North China Plan

A)资源功能评价与区划成果图;b)生态功能评价与区划成果图;c)地质环境功能评价与区划成果图;d)可持续性评价与区划成果图。

从图2a可见,研究区的东南部宁晋(宁柏隆漏斗分布区)地下水资源功能最弱(图2a),这里不仅严重超采,而且地层富水性也较差,部分地段含水层已经被疏干。东北部的生态功能(图2b)和地质环境功能都较强(图2c),大规模开采地下水都可能会引起地质环境或生态环境方面的问题,对照表4可见,研究区东南部地下水功能属于/B3B2B1型0,不适宜大规模开采,相反需要加强地质环境功能和生态功能的涵养和保护。研究区地下水可持续利用性最弱,不适宜发展耗水较大的产业,否则容易引起生态-地质环境问见图2b。

在研究区内,衡水一带地下水功能最为脆弱,是急需采取保护措施的地区。石家庄、晋州、栾城城区和宁柏隆漏斗分布区,地下水开采强度需要调低,否则这些地区的地质环境或生态环境可能会发生恶化问题。

在研究区的正定-深泽-安平一带地下水开发利用具有较强的可持续性,东南部地下水可持续利用性已经十分脆弱,采取保护措施是当务之急,同时有必要采取减采对策。

通过上述示例表明,地下水功能评价结果对指导合理利用地下水资源,同时保护生态环境和地质环境具有积极作用。

5结语

虽然本项研究的有关理念和技术要求已经被中国地质调查局纳入5全国地下水资源及其环境问题调查评价技术要求系列6(二)中,但是由于地下水功能评价方法研究是一项全新的工作,许多问题仍处于探索中,尚需经过大量的实践检验和不断完善,才能逐步成熟和升华为能够较好服务于地下水评价和社会经济发展的成果。本文的目的是希望能够得到同行更多的指导。

参考文献:

[1]Saaty T L.The analytic hierarchy process[M].McGraw2Hill

Company.19801

[2]张光辉,费宇红,刘克岩,等.海河平原地下水演化与

对策[M].北京:科学出版社,20041

[3]张光辉,刘少玉,谢悦波,等.西北内陆黑河流域水循

环与地下水形成演化[M].北京:地质出版社,20051

[4]中国地质调查局.全国地下水资源及其环境问题调

查评价技术要求系列(二)[R].2004.

(下转第71页)

参考文献:

[1]山西省娘子关泉域岩溶水资源评价及其开发利用科

研报告[M].北京:地质出版社,19861

[2]韩行瑞,梁永平.北方岩溶地区水资源科学调配[J].

中国岩溶,1989,8(2):127-1411[3]蔡宣三.最优化与最优控制[M].北京:清华大学出

版社,1982.

[4]许涓铭,邵景力.地下水管理问题讲座[J].工程勘

察,1988(2):46-521

[5]许涓铭,邵景力.地下水管理问题讲座[J].工程勘

察,1988(5):49-53.

Application of optimal technique to evaluation of exploitable karstwater resources and its management in niangziguan spring basin

LI AN G Yong2ping,HAN Xing2rui

(Institute o f Karst G eolo gy,C A G S,Guanxi541004,China)

Abstract:Karst groundwater in N orth China mostly occurs as a groundwater system in a karst spring basin,which is charac terized by a large extent and c omple x system components.In the course of karst groundwater development,it is deeply concerned with the relationship between well pumping yield and spring discharge,as well as interference betw een dif ferent w ater supply sources,in order to avoid hydrogeologic environmental problems.In this paper, considering combination of water resource system and w ater supply syste m,the evaluation2management model for karst groundw ater in the Niangziguan Spring Basin with the optimal technique has been established.Several optimal development schemes have been provided and the case study can be used an exa mple for similar re gions.

Key words:Niangz iguan Spring Basin;karst groundwater;optimum technique;development and utilization

编辑:吴霞芬

(上接第66页)

Theory and methodology of regional groundwater function and

sustainable utilization assessment in China

Z HAN G Guang2hui,SHEN Jian2mai,NIE Z hen2long,W AN G Jin2z he,Y AN M ing2jiang,HAO Ming2liang (Institute o f Hydrogeology and Environmental Ge ology,C A G S,Shijiaz huang050061,China)

Abstract:In this paper,the theory on assessment of re gional groundwater function is introduced.The present work aims at the integrated utilization of groundwater resource function,ecological function and geological environment function,f ocuses on the natural attributes of a groundwater system.With the regional w ater cycle theory, systematology and the analytic hierarchy process method(A HP),the primary concepts and the methodology of groundwater func tion assessment are developed in this paper,including the rule,criteria,ma thema tic methods and indicator systems.A case study is carried out in the Hutuohe River Basin as the representative area of the North China Plain,in which the connotation of groundw ater function and the regionalization method w ere improved and enriched.In the built theory the groundw ater assessment was carried out with too much emphasis on its resource attributes and its ecological and geological environment f unction in North China was neglected,leading to many environmental problems in the past decades.

Key wor ds:Regional groundw ater;water resource2ecological and geological environment f unction;groundwater function assessment;demonstration in Hutuohe River Basin

编辑:吴霞芬