河北省地下水资源承载能力评价及预警方法研究

孙 超，王昕洲，叶莹莹，刘 琼，曹 颐，韩 冲，王 轶

（1.河北省地质资源环境监测与保护重点实验室, 河北 石家庄 050021；2.河北省地质环境监测院,河北 石家庄 050021；3.中国地质环境监测院, 北京 100081）

随着社会经济发展需水量迅速增长，人类活动强度超出了地下水资源的承载能力，同时缺乏有效的监测预警，致使水资源供需矛盾日益突出，并引发一系列生态环境问题。为充分合理利用地下水资源，使地下水资源科学开发利用与生态环境保护协调发展，有必要以地下水资源为承载体，以社会经济发展为承载对象，开展地下水资源承载能力评价研究。同时地下水资源承载能力预警作为一种资源环境风险规制行为[1]，通过科学的环境风险标准体系，可以规避使资源环境耗竭的经济发展活动，促进社会经济持续发展。

河北省是以地下水为主要开采资源的资源性缺水区域。近几十年来社会经济快速发展，生产生活用水量剧增，地下水资源消耗严重，省内出现地下水严重超采、地面沉降等一系列问题[2]。而针对本区域的地下水资源承载能力评价相关研究尚未全面开展。因此，开展河北省地下水资源承载能力评价及预警研究，将水资源作为约束社会经济发展规模的基本要素，针对不同区域建立差异化指标体系，对促进河北省经济社会可持续发展具有重要的研究意义。

目前，国外地下水资源承载能力研究多归于可持续发展理论，地下水资源承载能力相关理论的专题研究报道较为少见，主要围绕地下水可持续发展潜力[3]、可供发展的极值[4-6]、对经济社会发展的影响[7]等方面开展。在我国，水资源承载力研究是20世纪80年代末随水问题的日益突出开始的[8]。评价方法主要有综合指标法[9-10]、主成分分析法[11-12]、模糊综合评价法[13]、物元分析法[14]及资源环境承载协调理论[15-19]等。而由于缺水类型、开采类型的差异性，如何根据河北省地下水资源分布规律与利用特点，建立符合区域实际的指标体系是开展河北省地下水资源承载能力评价的关键。

地下水资源承载能力监测预警尚处于探索阶段，国外多围绕地下水管理模型研究而展开[20]，国内早期多以单一固定的水量或水位为指标[21-23]。水量指标单纯以开采量为预警判据，忽略了补给量的动态变化；水位指标虽数据实时直观，但易受外部条件影响，由于区域水位存在差异性，在大区域预警中难以定量制定统一值。近年来，单一固定指标虽逐步演化为水量水位“双控”指标[24-27]，如王晓玮等[25，27]采用“以位定量”的思路以及数值模拟进行西北地区双控管理研究。现有方法多以开采量和水位作为2 个独立的静态预警判据，需要针对某一区域制定固定的开采量指标和水位指标。但目前对二者之间的动态联系缺乏深入研究，受水文地质条件、取用水工艺等自然和人为因素的影响无法形成统一的标准，工作量巨大，且很难做出动态调整。

因此，本文采用指标体系综合分析评判法，针对河北省以地下水为主要开采方式的资源型缺水地区，开展适用于河北省的区域地下水资源承载能力评价及预警研究，论证了该评价方法的可靠性；选取地下水开发利用程度—水位变化幅度“双控联动”指标为预警指标，将水量与水位有机结合，无需设置固定的水位、水量预警值，实现预警指标的自我调节，解决由于水位区域差异导致的大区域尺度无法定量预警问题，可为将来建立多方协同的地下水资源承载能力评价及预警机制提供参考。

1 河北省地下水动态

1.1 地下水开采历史及动态变化

20世纪50年代，河北省地下水水位基本处于天然状态，年开采量约40×108m3，其动态特征主要受降水与蒸发控制；至20世纪70年代，工农业生产迅猛发展，水资源供需矛盾日益突出，地下水动态类型由降雨入渗补给—蒸发排泄型转化为降雨入渗补给—开采排泄型，多年平均地下水可采资源量为119×108m3，年平均开采总量为193×108m3，其中地下水开采占开采量75%以上。1975—2015年，河北省深浅层地下水水位整体均呈下降状态，太行山山前平原浅层地下水累计降幅达20～40 m，中部平原由于浅层咸水的存在，深层地下水大量开采，水位下降幅度较大，累计降幅达70 m 以上（图1）。

图1 河北平原浅层和深层地下水水位多年变化趋势图Fig.1 Multi-year trend of groundwater levels in the shallow and deep aquifers in the Hebei Plain

1.2 地下水开发利用引发的地质环境问题

在水资源严重匮乏和经济社会持续发展的双重压力下，地下水长期超采，华北平原成为世界上超采地下水最严重的地区之一，也是地下水降落漏斗面积最大、地面沉降面积最大、类型最复杂的地区之一，同时还产生一系列诸如含水层疏干、水质恶化等地质环境问题。河北省地下水降落漏斗主要为冀枣衡、沧州、南宫3 大深层地下水漏斗区和宁柏隆、高蠡清、肃宁、石家庄4 大浅层地下水漏斗区，漏斗面积为4.26×104km2[28]。河北平原地面沉降累计沉降量大于1 000 mm 的面积达9 440 km2，沧州市区地面沉降量最大值已达2.727 m。

2 数据来源与评价方法

2.1 数据来源

河北省地下水水位数据主要来源于河北省历年地下水监测数据和地质环境监测报告。地下水资源量来源于《河北省地质环境图系》。地下水开采量数据主要来源于历年水利公报及水利统计年鉴。

2.2 地下水资源承载能力评价

2.2.1 承载能力评价指标体系

参考《区域地质环境承载能力评价技术要求（试行）》，采用指标体系综合分析评判法，选取符合河北实际的地下水资源关键因子（表1），以自然单元评价为基础，自下而上逐级评价、汇总，形成多级、多层次的评价结果，归并到县域行政单元，以保证评价结果的实用性。通过科学设置分级标准，将承载本底划分为高、较高、中、较低、低5 个等级，完成承载本底评价，反映地下水资源禀赋特征；通过科学设置状态阈值，将承载状态划分为盈余、均衡、超载3 种状态，反映地下水水资源开发利用程度；结合本底和状态评价结果，开展地下水资源承载能力评价，将评价结果分为强、较强、中、较弱、弱5 级（图2）。

图2 地下水资源承载能力评价预警方法图Fig.2 Evaluation and warning method of the groundwater resource carrying capacity

表1 河北省地下水资源承载能力评价指标体系Table 1 Evaluation index system of groundwater resources carrying capacity of Hebei Province

2.2.2 承载本底因子选取及评价方法

数量指标即资源性是地下水最核心的功能，质量指标是对水资源承载能力影响因子的综合及量化[16]。承载本底评价因子以地下水可开采资源模数为基础指标，由高到低分为5 级（表2）；根据地下水利用功能，选取可饮用的地下水资源量占比、可灌溉的地下水资源量占比对基础指标予以修正（表3）。将承载本底划分为高、较高、中、较低、低等5 个等级，反映地下水资源禀赋。

表2 地下水可开采资源模数本底分级标准Table 2 Standard for the module background classification of exploitable groundwater resources

表3 地下水承载本底修正指标阈值Table 3 Threshold for groundwater carrying background correction index

2.2.3 承载状态因子选取及评价方法

地下水开发利用程度是区域地下水开采合理与否的基础指标，是水位变化的重要影响因子，水位是地下水开采是否超载的直观体现。开发利用程度作为承载状态基础评价指标，分为盈余（小于70%）、均衡（70%～100%）、超载（大于100%）；地下水水位下降区面积占比、地下水用水量占比作为承载状态修正评价指标（表4）。将承载状态划分为盈余、均衡、超载3 种状态，反映地下水资源开发利用现状。

表4 地下水承载状态修正指标阈值Table 4 Groundwater carrying state correction index threshold

2.2.4 承载能力评价方法

结合本底和状态评价结果，构建地下水资源承载能力判别矩阵，将评价结果分为强、较强、中、较弱、弱5 级（表5）。

表5 地下水资源承载能力分级表Table 5 Scale for groundwater resources carrying capacity

2.3 地下水预警指标及方法研究

地下水开发利用程度是地下水取水量与可开采资源量的比值，体现区域地下水开发利用状况。通过地下水开发利用程度指标代替取水量指标，以开发利用量和可开采资源量的比值替代固定取水量值，实现了省级大区域制定统一标准的目的。

地下水水位的变化是区域补给量和排泄量变化的外在体现，取水量是影响河北省水位变化的最主要人为因素，两者之间存在动态联系，控制水位最直接有效的手段就是控制地下水取水量。省域范围内水位值区域差异大，通过用水位变化幅度指标代替水位指标，以速率形式代替固定值，实现无需设置固定水位预警值的目的。

考虑到地下水开发利用程度是河北省水位变化的最大可控因素，选取地下水开发利用程度作为河北省地下水预警的基础指标。而降水量是河北省水位变化的最大不可控因素，单纯以地下水开发利用程度作为预警指标，在极端降水年会出现地下水开发利用程度未预警而水位出现大幅变化的情况，致使预警出现偏差。地下水水位变化依托现有监测网络，具有实时的优势，因此将水位变化幅度作为修正指标对地下水开发利用程度予以修正。通过地下水开发利用程度—水位变化幅度的“双控联动”预警，实现丰、平、枯水年之间的动态调节，使预警指标具有自我调节能力。

在地下水资源承载能力评价中地下水开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区域现状，而二者的直接体现就是水位的变化。预警评价时采用地下水开发利用程度（100%～120%为轻度超载、120%～150%为中度超载、大于150%为重度超载）和水位波动程度（水位上升超10%为变优、下降超10%为变劣、变幅10%之间为稳定）作为水位变化趋势的判别矩阵（表6），同时用水位变化幅度加以修正（年际水位上升提高1 级、水位下降幅度不足1 m不降级、水位下降幅度1～2 m 降1 级、水位下降幅度大于2 m 降2 级）。将预警级别分为红、橙、黄、蓝4 级。

表6 地下水预警等级判别矩阵Table 6 Discriminant matrix of groundwater warning grade

3 结果

3.1 地下水资源承载能力评价结果

3.1.1 承载本底评价结果

河北省地下水资源承载本底整体较好（图3），高、较高县占全省的43.1%，主要位于燕山及太行山山前冲洪积平原区及太行山中南部山区；承载本底低、较低县占全省的16.8%，太行山北段、坝上高原以及滨海冲积海积平原区东部承载本底普遍以低或较低为主。

图3 河北省地下水资源承载能力评价图Fig.3 Evaluation results for groundwater resource carrying capacity of Hebei Province

3.1.2 承载状态评价结果

地下水承载状态整体多为超载（图3），超载区域在河北省平原区大范围分布，占全省比例72.5%，状态盈余县占比仅9.6%，主要位于太行山区。

3.1.3 承载能力评价结果

根据本底和状态评价结果，对河北省地下水资源进行承载能力评价。河北省地下水资源承载能力整体呈两极分化，强、较强县占比38.9%，弱、较弱县占比43.1%（图3）。承载能力强的县占7.8%，主要分布在太行山中南部山区及燕山山前平原西部；能力较强县占31.1%，主要分布在太行山及燕山的山前平原区；能力较弱的县占30.5%，主要分布在河北平原中部冲湖积平原以及张家口、承德坝上区域；能力弱的县占12.6%，主要分布在沧州、衡水地区及承德坝上区域。

3.2 地下水资源预警结果

在承载能力评价基础上对河北省地下水资源进行预警研究，结果显示河北省地下水资源红色及橙色预警区域主要分布于河北平原中部冲湖积平原的沧州、衡水地区、太行山山前平原邯邢交界区域及城市市区周边（图4）。

图4 河北省地下水资源承载能力预警图Fig.4 Warning chart for groundwater resource carrying capacity of Hebei Province

4 分析及讨论

4.1 评价结果分析

（1）自然因素即水文地质条件是影响河北省地下水资源承载本底的主要因素

太行山区中南段含水层以寒武、奥陶系灰岩为主，岩溶裂隙发育，具有良好的储水条件，常形成较大的泉及泉群，如峰峰黑龙洞泉域、邢台百泉泉域、涉县东风湖泉域等；山前平原区含水层以冲洪积的粗砂、砾石、卵石为主，垂向连续性强，具有强入渗和储存条件，常与山区河谷含水体相连，具有较好侧向径流补给条件。良好的水文地质条件致使该区域水资源丰富，承载本底多为较高或高；太行山北段地下水系统多为封闭的构造断陷盆地，补给类型单一、以降水为主，地下水分布不均、连通性差；坝上高原位于内陆河地下水系统，具有明显的内陆盆地封闭或半封闭特征，以降水入渗补给为主，地下水连通性差；滨海冲积海积平原区主要由于浅层咸水的分布，地下水功能性减弱，承载本底多为低或较低。

本底评价结果与河北省水文地质条件总体趋势符合，即从山前平原到滨海平原，含水层颗粒由粗变细，地下水水力坡度由大变小，地下水的补径排条件由好变差；山区碳酸盐岩类岩溶水多优于基岩裂隙水分布区。

（2）河北省地下水承载状态主要受人为因素即地下水开采影响

太行山区水资源丰富，开发利用程度相对较低，一般在70%以下；河北平原为经济及工农业生产较为发达的区域，大部分区域均超采100%以上，1999年河北省开采程度达到128%[17]。

将状态评价结果与河北省政府公布地下水超采区、禁采区和限采区范围对比，结果一致性达93%，状态评价结果与河北省超采现状基本符合。

（3）河北省地下水资源红色及橙色预警主要位于3 大区域

市区周边区域主要由于经济的发展及人口的增长，集中分布的工业及生活用水超出了地下水的承载能力。太行山山前平原的邯邢交界区域5年间深层地下水下降幅度多小于5 m，但浅层水位下降幅度多在5 m 以上，浅层水位下降是造成邯邢山前平原红色预警的主要诱因。河北平原中部的冲湖积平原浅层多咸水、微咸水，开发程度较低，水位整体呈稳定或上升态势，但是深层水多以下降为主，尤其是衡水地区，地下水水位5年变差多在6～10 m 以上，沧州衡水及周边区域为河北省地面沉降速率较大区域，高阳、武强、武邑、南宫、平乡等地年沉降速率达到90 mm。预警结果与河北省地下水实际情况及由此产生的地质环境、生态问题一致。

4.2 讨论

评价结果整体可靠性较高。通过宏观省级层面构建评价预警指标体系，以县域单元体现评价结果，在增强了区域普遍性、操作性和针对性的同时忽略了县域单元的内在特殊性。如在同时具有山区和平原的县域，工农业生产多集中于平原区，地下水开采也相应多集中于此，评价将其视为一个整体，虽对宏观性评价结果影响不大，但容易忽视个别区域地下水超采的现状。在市县级细致性评价中应根据区域实际细化评价单元、进一步优化调整评价指标体系可解决此问题。

地下水超采是河北省地下水资源承载能力的主要影响因素。针对超载区实施地下水压采，将有助于提升区域地下水资源承载能力，凸显地下水的重要战略价值。近年来，随着地下水压采政策的施行，2020年河北省累计压减地下水超采量43.5×108m3，地下水水位下降趋势得到初步遏制[29]。

5 结论

（1）基于地下水资源属性和社会属性，采用指标体系综合分析评判法，建立承载本底、承载状态2 个层面的承载能力评价体系。选取地下水可开采资源模数作为本底基础指标，可饮用地下水资源量占比、可灌溉用地下水资源量占比作为本底修正指标；选取地下水开发利用程度作为承载状态基础指标，地下水水位下降区面积占比、地下水用水量占比作为承载状态修正评价；构建地下水资源承载能力判别矩阵。河北省地下水资源承载能力主要受水文地质条件和开发利用现状影响，太行山中南部地下水资源承载能力高于北部及燕山山区、坝上地区，山前冲洪积平原优于中部湖积平原和滨海平原。评价结果符合河北省区域实际。

（2）选取地下水开发利用程度～水位变化幅度“双控联动”指标为预警指标，较之单纯采用水量或水位单要素的方法，加强了取水量与补给来源的动态联系，解决了区域水位数据的差异性和波动性问题，区域通用性更强。受咸水分布、工农业生产取水量大等因素影响，地下水红色及橙色预警区域主要分布于河北平原中部冲湖积平原的沧州、衡水地区、太行山山前平原邯邢交界区域及城市市区周边。预警结果与超采导致的地质环境、生态问题相一致。

（3）通过省级宏观层面构建评价预警指标体系，在综合考虑了区域地下水共性因子的同时容易忽略小区域的特殊性，在市县级细致性评价中应根据区域实际细化评价单元，进一步优化调整评价指标体系。