北京巖溶水系統降水入滲系數研究

2020-10-12 14:26:14紀軼群王樹芳韓征黃昱琪曹穎郭兆成

人民黃河 2020年2期

紀軼群王樹芳韓征黃昱琪曹穎郭兆成

摘?要：大氣降水入滲補給地下水是一個復雜的過程，以區域水量均衡法和遙感、地理信息技術為依據，論證降水入滲系數與下墊面因子之間的關系，從柵格尺度（30 m×30 m）建立基于專家經驗知識和加權評價系統的模型和統計學關系，得出北京各巖溶水研究區降水入滲系數。研究結果表明：①研究區內巖性與構造因子是影響降水入滲補給條件的關鍵因素;研究區內的碳酸鹽巖區最利于降水入滲補給。②利用2011年大氣降水資料，分別使用本文提出的降水入滲系數方法和傳統降水入滲系數計算方法相互驗證，對2011年大氣降水入滲量進行計算，表明建立統計回歸模型能有效得出柵格尺度（30 m×30 m）上北京山區巖溶水系統降水入滲系數值。

關鍵詞：降水入滲系數;巖溶水系統;水均衡法;北京市

中圖分類號：TV213.4?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.008

Abstract：The groundwater recharge from atmospheric precipitation is a complex process， which is related to the fl unsaturated zone lithology， topography， vegetation， geological conditions， human activities and etc. The precise precipitation infiltration rate is the key to evaluate groundwater resources. This work included water balance method and spatial information technology （remote sensing and geographic information technology） to analyze the factors that influencing the precipitation infiltration rate; and utilized GIS technology to build weighted evaluation model（weighted averages method） on the grid scale in order to identify the spatial difference index of precipitation infiltration. This paper calculated typical infiltration factors based on spring area?using water balance method， and established statistical relationship between precipitation infiltration rate and spatial difference index. Then these results were applied to a mountainous region of karst water system in Beijing，which was verified by obtained precipitation infiltration data in 2011. It demonstrates that the unsaturated zone lithology and structures are the key factors affecting recharge conditions of precipitation infiltration， and the karst region has the best conditions for precipitation infiltration. Verified by 2011 data， the statistical regression model is able to precisely calculate the precipitation infiltration rate of the karst water system in karst area of Beijing on the grid scale.

Key words： infiltration coefficient of precipitation; karst water system; water balance method; Beijing City

水是人類賴以生存和生產發展不可替代的寶貴資源，是實現社會可持續發展和綠色發展的重要基礎。地下水是水資源的重要組成部分，特別在我國北方地區，地下水既是重要的供水水源，又是維系生態環境可持續發展的重要因素，大氣降水入滲補給是地下水補給的重要來源。巖溶區的降水入滲量占巖溶水補給量的60%以上，巖溶含水系統降水入滲補給量是水均衡計算中的重要指標，準確計算降水補給量至關重要[1]。同時，大氣降水入滲補給地下水受到下墊面等多種因素的影響，降水入滲過程異常復雜，入滲補給量的大小不僅受包氣帶巖性、降水在時間上的分配、地形、植被的影響，而且與地質條件以及人類活動等有關[2-5]。

研究大氣降水入滲系數方法主要有室內試驗、試驗場模擬和動態觀測數據分析等[6-8]。室內試驗方法概念明確，各項參數易控制，基礎變化規律明顯;試驗場模擬方法可以最大限度地反映實際狀態，但僅針對某具體的因素進行規律性分析;動態觀測數據分析方法最符合觀測點的實際條件，但其反映的只是該特定點和小區域尺度的結果，無法推廣應用到實際條件空間差異性極其復雜的區域尺度。

4?結果與分析

4.1?北京巖溶水系統降水入滲條件差異性分析

通過上述方法，在GIS空間分析功能中的柵格計算環境中，把地層巖性、地質構造、地形坡度、水系密度和地表覆蓋因子按照專家打分確定的權重進行加權，評價降水入滲補給空間差異性，對影響差異性結果的主控因素進行分析，最后得到基于遙感技術的多因子大氣降水入滲空間差異性指數分布圖（見圖3），評價值范圍為2.0～8.1，數值越大表明降水入滲能力越強。

研究區碳酸鹽巖（灰巖、白云巖）分布區的大氣降水入滲條件較好，灰巖區的評價值最大。在地勢較為平坦、斷層密度較高和水系密度較低的區域，大氣降水入滲的評價值較大，例如平谷巖溶水系統的東北部區域、門頭溝巖溶水系統的西南部等。這說明影響大氣降水入滲條件是多方面的，不能使用單一條件進行評價，需要綜合考慮多方面因素。

4.2?北京巖溶水系統降水入滲系數計算與驗證

基于大氣降水入滲空間差異性指數分布圖，在ArcGIS柵格計算環境中，構建以相關方程 y=0.078 3x-0.153 4為基礎的柵格函數，繪制基于遙感技術的大氣降水入滲系數分區圖（見圖4）。

以往在入滲補給量計算時只按照評價地區巖性給出經驗降水入滲系數值，該區域傳統降水入滲系數α取值：灰巖0.4、白云巖0.35、碎屑巖0.2、火成巖0.1。沒有考慮降水入滲是受下墊面綜合因素控制的結果。根據降水入滲系數估算值與傳統降水入滲值，依據2011年降水量，分別計算不同巖溶系統的入滲量，各山區巖溶水系統降水入滲補給量見表3。大氣降水入滲補給量計算公式為

式中：Q入為大氣降水入滲補給量，萬m3;P為降水量，m;α為降水入滲系數;F為面積，萬m2。

按照本文方法得出的降水入滲系數計算的北京山區巖溶水系統2011年降水入滲補給量為56 178萬m3，比按照傳統降水入滲系數計算的2011年降水入滲補給量為60 050萬m3減小6.4%。

5?結?論

（1）利用2012—2013年Spot-5/ETM衛星數據，參考多種高分辨率衛星遙感數據和區域背景資料，可以宏觀、快速、高效地對研究區的地質要素進行遙感解譯，系統獲取研究區地層巖性、地質構造、流域水系、地形地貌等影響大氣降水入滲的下墊面信息。

（2）基于層次分析法和專家打分加權評價方法，定量區分不同區域尺度或柵格尺度上大氣降水入滲條件的差異，評價結果能夠從宏觀層次上表達不同地層巖性條件、不同構造條件、不同覆蓋條件綜合作用下大氣降水入滲的相對差異性。

（3）研究區內巖性因子（尤其是灰巖地區）與構造因子是控制降水入滲的主要因子，從整個研究區看，碳酸巖（灰巖、白云巖）區的降水入滲補給條件最優。

（4）采用本文提出的降水入滲系數，計算了2011年研究區大氣降水入滲補給量，得出北京山區巖溶水系統降水入滲補給量為56 178萬m3，與按傳統降水入滲系數計算結果相比變化不大，各巖溶水系統入滲量相對變化不超過10%，各區域補給量總和比傳統方法計算的降水入滲值減少6.4%。因此，基于遙感技術和泉域水均衡法確定北京山區巖溶水系統降水入滲系數，將空間信息技術與傳統水文地質學方法相結合，能夠提高北京巖溶水系統降水入滲補給量計算精度。

參考文獻：

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