北京岩溶水系统降水入渗系数研究

纪轶群 王树芳 韩征 黄昱琪 曹颖 郭兆成

摘 要：大气降水入渗补给地下水是一个复杂的过程，以区域水量均衡法和遥感、地理信息技术为依据，论证降水入渗系数与下垫面因子之间的关系，从栅格尺度（30 m×30 m）建立基于专家经验知识和加权评价系统的模型和统计学关系，得出北京各岩溶水研究区降水入渗系数。研究结果表明：①研究区内岩性与构造因子是影响降水入渗补给条件的关键因素;研究区内的碳酸盐岩区最利于降水入渗补给。②利用2011年大气降水资料，分别使用本文提出的降水入渗系数方法和传统降水入渗系数计算方法相互验证，对2011年大气降水入渗量进行计算，表明建立统计回归模型能有效得出栅格尺度（30 m×30 m）上北京山区岩溶水系统降水入渗系数值。

关键词：降水入渗系数;岩溶水系统;水均衡法;北京市

中图分类号：TV213.4 文献标志码：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

水是人類赖以生存和生产发展不可替代的宝贵资源，是实现社会可持续发展和绿色发展的重要基础。地下水是水资源的重要组成部分，特别在我国北方地区，地下水既是重要的供水水源，又是维系生态环境可持续发展的重要因素，大气降水入渗补给是地下水补给的重要来源。岩溶区的降水入渗量占岩溶水补给量的60%以上，岩溶含水系统降水入渗补给量是水均衡计算中的重要指标，准确计算降水补给量至关重要[1]。同时，大气降水入渗补给地下水受到下垫面等多种因素的影响，降水入渗过程异常复杂，入渗补给量的大小不仅受包气带岩性、降水在时间上的分配、地形、植被的影响，而且与地质条件以及人类活动等有关[2-5]。

研究大气降水入渗系数方法主要有室内试验、试验场模拟和动态观测数据分析等[6-8]。室内试验方法概念明确，各项参数易控制，基础变化规律明显;试验场模拟方法可以最大限度地反映实际状态，但仅针对某具体的因素进行规律性分析;动态观测数据分析方法最符合观测点的实际条件，但其反映的只是该特定点和小区域尺度的结果，无法推广应用到实际条件空间差异性极其复杂的区域尺度。

4 结果与分析

4.1 北京岩溶水系统降水入渗条件差异性分析

通过上述方法，在GIS空间分析功能中的栅格计算环境中，把地层岩性、地质构造、地形坡度、水系密度和地表覆盖因子按照专家打分确定的权重进行加权，评价降水入渗补给空间差异性，对影响差异性结果的主控因素进行分析，最后得到基于遥感技术的多因子大气降水入渗空间差异性指数分布图（见图3），评价值范围为2.0～8.1，數值越大表明降水入渗能力越强。

研究区碳酸盐岩（灰岩、白云岩）分布区的大气降水入渗条件较好，灰岩区的评价值最大。在地势较为平坦、断层密度较高和水系密度较低的区域，大气降水入渗的评价值较大，例如平谷岩溶水系统的东北部区域、门头沟岩溶水系统的西南部等。这说明影响大气降水入渗条件是多方面的，不能使用单一条件进行评价，需要综合考虑多方面因素。

4.2 北京岩溶水系统降水入渗系数计算与验证

基于大气降水入渗空间差异性指数分布图，在ArcGIS栅格计算环境中，构建以相关方程 y=0.078 3x-0.153 4为基础的栅格函数，绘制基于遥感技术的大气降水入渗系数分区图（见图4）。

以往在入渗补给量计算时只按照评价地区岩性给出经验降水入渗系数值，该区域传统降水入渗系数α取值：灰岩0.4、白云岩0.35、碎屑岩0.2、火成岩0.1。没有考虑降水入渗是受下垫面综合因素控制的结果。根据降水入渗系数估算值与传统降水入渗值，依据2011年降水量，分别计算不同岩溶系统的入渗量，各山区岩溶水系统降水入渗补给量见表3。大气降水入渗补给量计算公式为

式中：Q入为大气降水入渗补给量，万m3;P为降水量，m;α为降水入渗系数;F为面积，万m2。

按照本文方法得出的降水入渗系数计算的北京山区岩溶水系统2011年降水入渗补给量为56 178万m3，比按照传统降水入渗系数计算的2011年降水入渗补给量为60 050万m3减小6.4%。

5 结 论

（1）利用2012—2013年Spot-5/ETM卫星数据，参考多种高分辨率卫星遥感数据和区域背景资料，可以宏观、快速、高效地对研究区的地质要素进行遥感解译，系统获取研究区地层岩性、地质构造、流域水系、地形地貌等影响大气降水入渗的下垫面信息。

（2）基于层次分析法和专家打分加权评价方法，定量区分不同区域尺度或栅格尺度上大气降水入渗条件的差异，评价结果能够从宏观层次上表达不同地层岩性条件、不同构造条件、不同覆盖条件综合作用下大气降水入渗的相对差异性。

（3）研究区内岩性因子（尤其是灰岩地区）与构造因子是控制降水入渗的主要因子，从整个研究区看，碳酸岩（灰岩、白云岩）区的降水入渗补给条件最优。

（4）采用本文提出的降水入渗系数，计算了2011年研究区大气降水入渗补给量，得出北京山区岩溶水系统降水入渗补给量为56 178万m3，与按传统降水入渗系数计算结果相比变化不大，各岩溶水系统入渗量相对变化不超过10%，各区域补给量总和比传统方法计算的降水入渗值减少6.4%。因此，基于遥感技术和泉域水均衡法确定北京山区岩溶水系统降水入渗系数，将空间信息技术与传统水文地质学方法相结合，能够提高北京岩溶水系统降水入渗补给量计算精度。

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【责任编辑 张华兴】