河北省衡水市地下水對地質環境的支撐能力評價

程雙虎，李明良，李安娜，張俊芝

(1.河北省水文水資源勘測局，河北石家莊 050031；2.河北地質大學，河北石家莊 050031)

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河北省衡水市地下水對地質環境的支撐能力評價

程雙虎1，李明良1，李安娜2*，張俊芝1

(1.河北省水文水資源勘測局，河北石家莊 050031；2.河北地質大學，河北石家莊 050031)

依據衡水市水文地質條件和地質環境現狀，建立了地下水對地質環境支撐能力評價指標體系，并采用專家打分法和層次分析法構建了各評價因子的權重，利用綜合評價指數法評價衡水地區地下水對地質環境支撐能力。結果表明：該地區地面沉降、咸淡水界面下移嚴重，大部分區域地下水對地質環境支撐能力為中等到弱，從西北向東南的支撐能力越來越弱。

地質環境；地下水資源；指標體系

衡水市地處河北平原中東部，水資源缺乏，地下水是該區主要供水水源，地下水供水量占總供水量的78%[1]。該區地下水通常劃分為淺層地下水和深層地下水，淺層地下水主要是咸水，深層地下水是地下水主要開采層。由于深層地下水的嚴重超采，使得地下水水頭大幅度下降，成為冀棗衡地下水漏斗的主體[2]。由此引起了地面沉降、咸淡水界面下移等一系列環境地質問題。地下水對地質環境的支撐能力是指地下水系統對其所賦存的地質環境穩定性具有支撐或保護的作用或效應。筆者依據地下水與地質環境之間的內在關聯性，建立了地下水對地質環境支撐能力評價的指標體系，評價了衡水市地下水對地質環境的支撐能力，以期為實現地下水合理開發與地質環境保護提供科學依據。

1 評價指標體系的構建

1.1 指標選取的原則 要建立一個能夠全面體現地下水對地質環境支撐能力的指標體系，應從研究區地下水系統與地質環境之間的內在聯系和互饋機制出發，以科學性、層次性、主導性、動態性及可操作性的原則，構建地下水對地質環境支撐能力評價的指標體系。

1.1.1 科學性。指標體系的設計須建立在一定科學理論的基礎上，能夠客觀反映研究區地下水資源、地質環境、社會經濟發展現狀及相互之間的互饋、協調關系，重點凸顯衡水地區地質環境特征及地質環境演變與社會經濟可持續發展的內在互饋機制。

1.1.2 層次性。反映地下水對地質環境支撐能力的要素很多，其表現形式和反映程度差別很大，可根據各要素之間的內在聯系分層次和類別進行標定，將各要素歸類為不同指標，評價地下水對地質環境的支撐能力。

1.1.3 主導性。反映地下水對地質環境支撐能力的要素很多，但在一個地區往往是幾個地質環境問題制約著該地區的地質環境和社會環境可持續發展。因此，在指標選擇或權重確定時，要給予充分思考，體現主導要素的作用。

1.1.4 動態性。在自然、人類活動等因素的影響下，地下水系統中各水文地質要素和地下水資源的數量、質量處于不斷變化中，因此地下水對地質環境的支撐能力有變化。這種變化是動態、延續的。因此，在設置評價指標和權重時，要充分考慮這種變化的過程和趨勢。

1.1.5 可操作性。設置的評價指標物理意義要明確，數據易于獲取，易于定量計算、比較和分析；確保評價結果能正確反映客觀實際條件，指標的設置盡可能簡單，以保證評價工作的順利進行。

1.2 評價指標體系的建立 根據上述評價指標選取的原則，結合衡水地區的實際情況[1-4]，地下水對地質環境的支撐能力評價體系共選取了3個指標8個要素(圖1)。

圖1 地下水對地質環境支撐能力評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of supporting capacity of groudwater on geological environment

1.3 指標要素 根據上述建立的評價指標體系，結合衡水地區地質環境狀況及工作區現有的資料程度，確定研究區地下水對地質環境支撐能力的評價指標要素體系。

1.3.1 評價目標。地下水對地質環境的支撐能力(A)是指地下水系統對與其相關聯的地質環境穩定性具有支撐或保護的作用或效應。當地下水系統發生變化時，與地下水相關聯的地質環境仍處于相對穩定或變化甚微，說明地下水對地質環境支撐能力強，有利于地下水的持續利用；相反，當地下水系統發生變化時，與其相關聯的地質環境隨之出現明顯變化，甚至出現災變，說明地下水對地質環境支撐能力弱，制約著地下水的持續利用。

1.3.2 地下水對地質環境的支撐能力評價指標及要素。地面穩定(B1)是指由于地下水位的變化致使其上地表面發生不穩定的狀況。評價區反映地面穩定的主要指標要素有地面沉降速率(C1)和地面沉降總量(C2)。筆者將其作為該評價指標(B1)的評價要素。

地下水儲存環境(B2)是指由于地下水位的變化引起地下含水空間的變化。評價區與此有關的常見的地質環境問題主要有地下水位下降(C3)、地下水降落漏斗(C4)和咸淡水界面下移(C5)。前二者均使含水空間變小，后者是地下淡水儲存空間被咸水占據。因此，可將地下水位下降速率(C3)、地下水降落漏斗擴展速率(C4)和咸淡水界面下移(C5)作為該評價指標(B2)的評價要素。

地下水資源變化(B3)是指由于自然和人為因素的影響使地下水資源產生質和量的變化。這種變化體現在地下水補給資源量(C6)、地下水水質(C7)及地下水富水程度(C8)的變化方面，可將其作為該評價指標(B3)的評價要素。

2 評價方法

2.1 權重計算 地下水與地質環境之間具有復雜的關聯性，相互關聯、相互制約的因素眾多。評價地下水對地質環境支撐能力的強弱，首先將眾多因素按照其相互關系分級別、分層次地建立起一個評價指標系統。該復雜的系統中，各因素的權重選取是評價的關鍵。該研究在專家打分的基礎上，利用層次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)確定評價權重的選取。AHP是美國著名運籌學家T.L.Saaty于1977年提出，它是一種定性和定量相結合的決策方法，把復雜的問題分解為多個組成因素，通過兩兩比較確定層次中諸因素的相對重要性，然后通過綜合判斷以決定諸因素相對重要性總的順序。AHP的核心是利用1～9的整數及其倒數作為標度來構造兩兩比較判斷矩陣。一般，對n個因素來說，就可得到兩兩判斷矩陣A=(aij)n×n。通過求其最大特征值，及其對應的特征向量W，歸一化后，即為某一層次指標對于上一層次某相關指標的相對重要性權值。

2.2 綜合評價 獲得各層元素的總排序權值后，需要計算各層各元素的綜合評價指數，建立相應的評價分級標準，進行目標層、指標層和要素層的綜合評價。該研究中，筆者首先利用專家打分法和層次分析法建立各評價參數(指標)的權重，計算各單元的綜合指數，建立地下水對地質環境支撐能力評價的綜合指數劃分標準，確定各單元的綜合評價級別，形成地下水對地質環境支撐能力的綜合評價體系。

表1 要素層各要素對指標層影響的劃分標準

表2 地下水對生態環境支撐能力評價分級標準

Table 2 Evaluation and classification standard of supporting capacity of groundwater on ecological environment

級別Level狀況分級Classification支撐能力SupportingcapacityⅠ0～<0．17強 Ⅱ0．17～<0．34較強Ⅲ0．34～<0．67中等Ⅳ0．67～<0．84較弱Ⅴ0．84～<1．00弱

2.2.1 綜合指數計算。評價綜合指數可利用下式計算：

式中，R為綜合評價指數；ci為評價參數的權重(由層次分析法獲得)；Xi為評價參數(為歸一化后的參數值)；n為評價參數的個數。

2.2.2 各要素對指標層影響的劃分標準。影響研究區地質環境的因素很多，為了在層次分析中構造兩兩比較判斷矩陣，更科學地比較兩兩要素，結合研究區地質環境的實際情況，參考專家打分分值，建立要素層各要素對指標層影響的劃分標準(表1)。

2.2.3 綜合指數分級標準。根據衡水地區的實際情況并參考相關的國家或行業標準和前人研究成果，將地下水對生態環境支撐能力評價的綜合指數劃分為5級，其劃分標準見表2。

圖2 衡水地區地下水對地質環境支撐能力評價Fig.2 Evaluation of supporting capacity of groundwater on geological environment in Hengshui region

3 評價結果

根據層次分析的基本理論和方法，結合衡水市的實際情況，對衡水地區進行了地下水對生態環境支撐能力評價，評價結果見圖2。從圖2可以看出，由于衡水地區深層地下水嚴重超采，出現了區域性的深層地下水降落漏斗，特別是冀棗衡漏斗和德州景縣漏斗，使得該地區地面沉降、咸淡水界面下移嚴重，大部分區域地下水對地質環境支撐能力處于中等到弱的級別，從西北向東南支撐能力越來越弱。該評價結果可作為該地區合理開發深層地下水資源、防治地質環境進一步惡化的依據。

[1] 張兆吉，費宇紅，陳宗宇，等.華北平原地下水可持續利用調查評價[M].北京：地質出版社，2009.

[2] 許廣明，劉立軍，費宇紅，等.華北平原地下水調蓄研究[J].資源科學，2009(3)：375-381.

[3] 張宗祜，沈照理，薛禹群，等.華北平原地下水環境演化[M].北京：地質出版社，2000.

[4] 陳望和.河北地下水[M].北京：地震出版社，1999.

The Evaluation of Supporting Capacity of Groundwater for the Geological Environment in Hebei Hengshui Area

CHENG Shuang-hu1, LI Ming-liang1, LI An-na2*et al

(1. Hydrology and Water Resources Survey Bureau of Hebei Province, Shijiazhuang, Hebei 050031; 2. Hebei Geo University, Shijiazhuang, Hebei 050031)

According to the hydrogeological conditions and present situation of geological environment in Hengshui City, the index system for evaluating the supporting capacity of groundwater for the geological environment was established. Using expert scoring method and analytic hierarchy process, the weight of each evaluation factor was constructed. Using the comprehensive evaluation index method, the supporting capacity of groundwater for geological environment was evaluated. The results showed that: land subsidence, brackish water interface move down obviously, the supporting capacity of groundwater for the geological environment is from moderate to weak from northwest to southeast.

Geological environment; Groundwater resources; Index system

河北省地下水超采綜合治理試點項目地下水業務支持系統。

程雙虎(1963- )，男，河北辛集人，正高級工程師，從事水文水資源研究。*通訊作者，講師，從事地下水資源研究。

2016-08-11

S 181.3

A

0517-6611(2016)28-0065-03