潮白河冲洪积扇地下水可持续利用评价

杨国庆，张有全，宫辉力，王 蓉，孙 颖

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院/城市环境过程与数字建模国家重点实验室/教育部三维信息获取与应用重点实验室，北京 10048；2.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)



潮白河冲洪积扇地下水可持续利用评价

杨国庆1，张有全1，宫辉力1，王 蓉2，孙 颖2

(1.首都师范大学资源环境与旅游学院/城市环境过程与数字建模国家重点实验室/教育部三维信息获取与应用重点实验室，北京 10048；2.北京市水文地质工程地质大队，北京 100195)

潮白河冲洪积扇地区是北京市最重要的地下水供水水源地区，年开采量达到6亿方左右。持续过量开采地下水已经诱发了水位严重下降、水质变差和地面沉降等地质环境问题。本文在深入分析研究区水文地质条件基础上，选取地下水可持续利用评价指标，采用层次分析法对白河冲洪积扇地区地下水资源可持续利用进行分析评价。评价结果表明：研究区中地下水可持续利用较好区域占24.82%，主要是由于其补给条件较优，并且具有丰富的补给水源；可持续利用中等区域占70.06%，由水位下降严重或补给条件差造成；可持续利用较差区域占4.11%，主要原因是地下水可更新能力差，中深层承压水水质较差，同时是地面沉降主要发育区。

地下水；可持续利用；评价；指标；层次分析法

20世纪80年代，地下水领域提出了地下水可持续开采定义[1]。随后，地下水可持续利用定义从单一水文地质学科，逐步发展到涉及水文、地质、环境、经济和社会领域[2]，即长时间地下水开发利用不造成不可接受的环境、经济和社会问题，包括水位下降、地面沉降、生态系统退化和地表水体消失等现象[3]。国内外学者针对美国亚利桑那[4]、巴西维尔达代罗[5]、印度西孟加拉[6]、中国呼和浩特[7]、后套平原[8]、蔚汾河流域[9]和沈阳[10]等地地下水可持续利用进行评价，建立了考虑不同因素的评价指标。由于区域差异，在不同地区，很难有一个通用的指标体系[11]

潮白河冲洪积扇作为北京最大的地下水供水水源区域，保障着首都地区安全用水，长期过量开采地下水已经引起了一些负效应问题[12]。本文目的是从水文、地质、环境和经济等方面考虑，建立符合研究区的地下水可持续利用评价指标体系，利用层次分析法系统评价区域地下水可持续利用状况，为南水调蓄提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 地形地貌

研究区位于北京平原区北部，是北京市最主要的地下水源地，面积约1 110 km2。

研究区内地形总趋势北部狭窄，南部开阔，地面由北向南倾斜，海拔高程为20～60 m，平均坡度3‰左右(见图1)。

1.2 气象水文

研究区属暖温带大陆性季风气候，近三十年平均降雨量为548.76 mm，降水量在时间上分布不均匀，年内降水80%集中在6—8月份，每年10月至翌年4月降水量很小。研究区内水系主要有怀河、沙河、雁栖河、牤牛河和潮白河。

1.3 水文地质条件

研究区地下水系统由潮白河、怀河、雁栖河和沙河等数条河流冲积和洪积而成，辅以零星分布的基岩残丘。第四系沉积物岩性、厚度及富水性空间分布差异较大。含水介质主要由砂、砾石和砂卵石构成。受基岩地形影响，第四系沉积物厚度从山前至平原逐渐增厚，由数米变化至几百米。从北到南，含水层系统由单一含水层结构逐渐过渡到多层含水层结构，如图2所示。

图1 研究区位置图

图2 研究区水文地质剖面图

2 地下水可持续性利用评价

2.1 评价指标选取

国内外学者评价地下水可持续利用的指标可被归纳为五类：地下水的资源特性、地下水获取成本、地下水处理及管理能力、区域社会经济和环境影响。具体评价指标各有差异。

由于研究区全部处于北京市内，归属同一行政单元，地下水处理及管理能力和社会经济发展都处于国内领先水平，并且无明显差异，因此放弃地下水处理及管理能力，区域社会经济两类指标，选取地下水获取成本，地下水资源特性，环境影响三类指标评价潮白河冲洪积扇地下水可持续利用。地下水获取成本使用土地利用现状、地下水开采井距水厂距离和地下水埋深评价。地下水资源特性由五个指标表示：富水性、含水层厚度、水质、地下水易污性和含水层渗透系数。环境影响由地面沉降速率、干旱指数和地下水位下降速率表示。本文依照国内有关分级标准，结合研究区实际情况，并咨询相关领域专家，参照表1评分原则对每个指标进行量化评分。

表1 指标分级及评分

详细量化评分情况如表2所示。

表2 可持续利用指标量化评分

2.2 评价方法

经过大量研究验证，层次分析法是一种有效的、定量的分析指标权重方法，广泛应用在一个关于目标、标准和子标准的层次树的基础上，选择一个最优解决方案。

2.2.1 单层权重计算

所谓层次单排序是指，对于上一层某因素而言，本层次各因素的重要性的排序。具体分为以下步骤：

(1)构建对比矩阵，从层次结构模型的第2层开始，对于从属于上层同一因素的诸因素，用成对比较法和1～9比较尺度构成对比矩阵。

(2)计算特征矩阵及最大特征根，利用公式(1)求将矩阵每一列归一化，将归一化完成后的矩阵按行求和并再次归一化，得公式(2)。公式(2)所示矩阵为C层各指标相对A层的权重。利用公式(3)计算最大特征根。

(1)

(2)

(3)

(3)检验判断矩阵的一致性，利用公式(4)、公式(5)计算一致性比率CR，当CR<0.1时，第一层目标的不一致性在允许范围内，可以使用。

(4)

CR=CI/RI

(5)

2.2.2 求算指标权重

将指标的单层权重与对应子目标层权重相乘得到指标的权重。最终求得各指标权重如表3所示。

表3 层次分析法指标权重

3 评价结果分析

对潮白河冲洪积扇地下水可持续利用指标进行综合分析评价，评价结果图3所示。分析指标数据来自于2013年监测和计算数据。

图3 地下水可持续利用分值

研究区地下水可持续利用评分值在2.38～6.54之间，其中高频次处于3.5～6之间，表明整体地下水开采可持续性中等偏优。区内无可持续性优秀及可持续性极差地区分布。

自上世纪90年代末期以来，研究区冲洪积扇上部监测井(M309-B)、中部监测井(H8-38-A)和下部监测井(S1103-2A)水位呈持续下降趋势(监测井位置见图1)，是研究区无地下水可持续利用优秀分区的主要原因(见图4)。

并对评价结果进行分区，可持续利用等级及评分原则如表4所示。将研究区地下水可持续利用综合评价结果划分为三个等级，如图5所示。

图4 地下水水位变化图(位置见图1)

图5 地下水可持续利用分区图

其中，地下水可持续利用较好分区评价指数在2～4之间。本区主要位于潮白河上游地区，怀柔应急水源地和水源八厂集中水源地都位于该区域附近，地下水开采量较大，超采情况严重。但由于该区以单一含水层结构为主，可压缩黏土层厚度相对较薄，且水平上不连续，以透镜体形式赋存在含水层中，含水层主要处于弹性释水阶段，地面沉降量较小；同时，该区地下水补给条件和径流条件较好，大气降水和山区侧向径流补给量大，地下水可更新能力强；上游流域非点源污染防控工作开展较好，水质优良。

表4 地下水可持续利用等级及评分

图6 地下水水质图

地下水可持续利用一般分区评价指数在4～6之间。该区可分为两个部分：第一部分为潮白河冲洪积扇扇顶部位山前地带，该部分地下水开采量大，超采情况严重，水位长期下降，由H8-38-A监测井监测结果可知，近二十年水位下降达45 m，虽然地下水补给条件和径流条件较好，水质优良，但综合评价中等；第二部分位于冲洪积扇扇缘部位，属于多层含水层结构，地下水开采量相对较小，主要是分散自备井开采，但地下水可能新能力较差。

地下水可持续利用较差分区评价指数在6～8之间。该区主要位于后沙峪第四纪凹陷内，为多层含水层结构。该区含水层富水性较弱，深层地下水很难接受大气降水补给，且受多期构造运动和沉积条件影响，侧向径流条件较差，地下水可更新能力差，水位下降快；中深层承压水含盐量较高，水质较差，如图6所示。同时，可压缩黏土层水平连续且厚度较大，承压含水层超采情况下袭夺了相邻弱透水层非弹性释水，地面沉降问题比较突出，如图7所示。因此该区域评价为地下水可持续利用较差分区。

图7 地面沉降速率图

4 结语

本文针对北京市潮白河冲洪积扇地区地下水可持续利用问题开展工作，在深入分析研究区水文地质条件和开采诱发负效应基础上，建立考虑多因素的地下水可持续利用评价指标体系，采用层次分析法对研究区进行可持续利用分析评价。主要结论如下：

(1)研究区中地下水可持续利用较好区域占24.82%，主要是由于其补给条件较优，并且具有丰富的补给水源。在该地区，可以考虑利用含水层较大调蓄库容现状，利用河道进行南水回灌，即可达到养蓄地下水目的，又可以减少反向输水至密云、怀柔水库所引起的蒸发损失。

(2)可持续利用中等区域占70.06%，由水位下降严重或补给条件差造成。在该地区，应逐步利用集中管网供水，减少自备井开采，恢复地下水贮存量，在南水北调来水遇到突发问题时，可以启用满足应急保障供水。

(3)可持续利用较差区域占4.11%，主要原因是地下水可更新能力差，中深层承压水水质较差，同时研究区是地面沉降主要发育区。随着南水北调来水进京，在该地区，可以考虑采用人工井进行回灌，缓解含水层系统贮水能力损失和地面沉降问题。

[1]Bredehoeft, J.D., Papadopulos, S.S., and Cooper, H.H., Jr.,1982, Groundwater—The water-budget myth, in Scientifibasis of water-resource management-Studies in geophysics: Washington, D.C., National Academy Press, p. 51-57.

[2]Alley WM, Reilly TE, Franke OL (1999) Sustainability of groundwater resources. U.S. Geological Survey Circular 1186.

[3]California Water Foundation, 2014, ecommendations for sustainable groundwater management—Developed through a stakeholder dialogue, May 2014: California Water Foundation administrative report prepared for Governor Brown and the California State Legislature, 40 p.

[4]Gungle B, Callegary J B, Paretti N V, et al. Hydrological conditions and evaluation of sustainable groundwater use in the Sierra Vista Subwatershed, Upper San Pedro Basin, southeastern Arizona[R]. US Geological Survey, 2016.

[5]Henrique M. L. Chaves, SuzanaAlipaz, An Integrated Indicator Based on Basin Hydrology, Environment, Life, and Policy: The Watershed Sustainability Index. Water Resour Manage (2007) 21:883-895 DOI 10.1007/s11269-006-9107-2.

[6]Jha M K, Chowdary V M, Chowdhury A. Groundwater assessment in Salboni Block, West Bengal (India) using remote sensing, geographical information system and multi-criteria decision analysis techniques[J]. Hydrogeology Journal, 2010, 18(7): 1713-1728.

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[10]高跃,张戈,李世龙，等.基于模糊综合评判模型对沈阳市水安全评价[J].地下水.2014,(01):112-114.

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The Chao-bai river alluvial groundwater sustainable utilization evaluation

YANG Guo-qing1, ZHANG You-quan1, GONG Hui-li1, WANG Rong2, SUN Ying2

(1.College of resources, environment and tourism, capital normal university/state key laboratory of urban environmental processes and digital modeling/key laboratory of 3D information acquisition and application of ministry of education, Beijing, 10048, China；2.Beijing hydrogeology engineering geology group, Beijing, 100195, China)

Chao-bai River alluvial fan area in Beijing city is the most important sources of groundwater supply area, annual production reached 600 million or so. Excessive mining of groundwater has evoked a serious decline in water level, water quality deterioration and ground subsidence and other geological environmental problems. Based on the analysis of hydro geological conditions on the basis of selecting the evaluation index of sustainable utilization of groundwater analysis, evaluation of sustainable utilization of groundwater resources in alluvial fan of Baihe area rushed by AHP. The evaluation results show that the sustainable utilization of groundwater in the study area better region accounted for 24.82%, mainly due to the recharge conditions better, and has a plentiful supply of water resources; sustainable utilization of medium area accounted for 70.06%, the water level dropped serious or poor supply condition cause; sustainable utilization of poor region accounted for 4.11%, the main reason is the groundwater renew ability, deep in the water quality is poor, and it is the main development area of land subsidence.

Groundwater；sustainable utilization；evaluation；index；analytic hierarchy process

2017-03-14

杨国庆(1987-)，男，安徽宿州人，在读硕士研究生，主攻方向：水文地质。

张有全(1978-)，男，黑龙江佳木斯人，副教授，研究方向：水文地质。

P641.8

A

1004-1184(2017)03-0015-04