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。E2mail:Huanjing@heinfo.net

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(GroundwaterFunction)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(GroundwaterResource2function)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(GroundwaterEcologicalFunction)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(GroundwaterGeologicEnvironmentFunction)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

#62# 水文地质工程地质2006年第4期 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.1 Frameworkofthehierarchysystemforgroundwaterfunctionassessment

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(Bi)的属性指标,由m个指标C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、,,、Cm构成,是各功能状况的评价基础。D层是描述各属性指标(Ci)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,,Dn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Table1 Gradingcriteriaforgroundwaterfunctionassessment

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IIIIIIIVV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

#63# 2006年第4期水文地质工程地质 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)Table2 Exampleofbasicdatasheetforgroundwaterfunctionassessment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ssssssssssss

(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={bij|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B1PB1=1;b1,2表示资源功能对生态功能的相对重要性,为B1PB2;b1,3表示资源功能对地质环境功能的相对

重要性,为B1PB3;b2,1表示生态功能对资源功能的相对重要性,为B2PB1;b2,2表示生态功能对生态功能的相对重要性,为B2PB2=1;b2,3表示生态功能对地质环境功

能的相对重要性,为B2PB3;b3,1表示地质环境功能对资源功能的相对重要性,为B3PB1;b3,2表示地质环境功能对生态功能的相对重要性,为B3PB2;b3,3表示地质环境功能对地质环境功能的相对重要性,为B3PB3=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Table3 DiscriminatingmatrixforgroundwaterfunctionweightsAB1B2B3B1b1,1b1,2b1,3B2b2,1b2,2b2,3B3b3,1b3,2b3,3 其中,bi,j>0,bi,j#bj,i=1;当i=j时,bi,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,,,Wn)T,其标准化向量W为Ws=W1Eni=1Wi,W2Eni=1Wi,,,WnEni=1WiT式中Ws(Ws1,Ws2,,,Wsn)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,,,Bm,其层次总排序权值分别为a1、a2,,,am;下一层次B包含n个因子C1、C2,,,Ck,,,Cn,它们对于因子Bj的层次单排序权值分别为b1j、b2j,,,bnj(当Ck与Bj无关系时,bkj=0)。于是,