海河流域典型区地下水回补适宜性评价

曹文庚，文爱欣，南 天，王 哲，高媛媛，崔亚莉，孙晓悦

(1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北 石家庄 050061；2. 自然资源部地下水科学与工程重点实验室，河北 石家庄 050061；3. 中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；4. 水利部海河水利委员会水文局，天津 300170；5. 水利部南水北调规划计划管理局，北京 100038；6. 华北水利水电大学测绘与地理信息学院，河南 郑州 450045)

海河流域平原区是中国经济社会发展的核心地区，人均水资源量仅占全国平均值的23%[1-2]。位于海河流域中部的大清河流域，是目前中国人水关系最为紧张的地区之一[3]。根据河北省第三次水资源评价初步成果，大清河山区地表水资源呈衰减趋势，山区地表水资源量约14.43亿m3，相较于第二次评价成果和第一次评价成果分别下降17.57亿m3和35.82亿m3，地下水资源量约3.39亿m3，年均水资源总量约17.82亿m3。在大清河流域平原区水资源总量约19.38亿m3，其中地表水资源量和地下水资源量分别为0.66亿m3和18.72亿m3，区内地下水超采问题突出，农业灌溉仍依赖地下水开采。长期的地下水超采使得平原区的河流断流、水污染问题加剧，地下水位降落漏斗范围持续扩大，地面沉降、地裂缝等地质环境问题加剧[2]。海河流域最大的浅层地下水位降落漏斗——高蠡清浅层漏斗由20世纪80年代起开始逐渐形成，至2005年面积增大至1 745.53 km2，至2021年高蠡清漏斗已经向南扩展，并与宁柏隆浅层漏斗复合，形成“高蠡清-宁柏隆”浅层地下水连片漏斗，面积高达9 723.03 km2。为解决大清河流域等华北地区地下水超采问题，水利部联合各部门研究制定《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，对浅层地下水超采治理采用压采和回补同步实施方案，进而逐步恢复至防控目标水位[4]。针对目前粮食保障需求逐渐增加的情况，以地下水回补为主要手段的超采治理方法是适宜和行之有效的。

目前国内外关于地下水回补适宜性评价成果丰硕，地下水人工回补方式主要包括河道入渗补给、井灌补给、地下水库补给及傍河取水补给。费宇红等[5]研究表明在研究区内使用河道入渗补给的方式是可行的。同时山区中的沟谷盆地是适宜进行地下水回补的地区，可利用沟谷地形修建水库、在盆地地区利用注入井的方式等开展地下水回补，能够有效利用山区水资源，对地下水补给具有显著作用。除了回补方式的多样性，回补评价方法也具有多样性，一般的回补评价方法有单指标评价方法、试验法、数值模拟法以及多指标综合评价方法[6-7]。Jang等[8]基于台湾南部屏东平原的钻孔数据，选取土壤质地作为评价指标，采用指示克里金法确定地下水回补适宜区；Mogaji等[9]利用抽水试验数据，将Dempster Shafer理论模型应用于评价尼日利亚西南部硬岩地质地形的地下水补给潜力分区，并通过GIS对评价结果进行验证；An等[10]利用地理信息系统(GIS)和基于MODFLOW的地下水数值模拟技术进行回补适宜性评价和结果验证；Mokarram等[11]选取多个评价指标，基于GIS的层次分析法(AHP)和秩加权平均法(OWA)确定地下水人工补给的合适位置。综上来看，国内外学者多是通过建立评价指标体系并结合GIS进行地下水回补适宜性评价研究，从而确定最适宜进行地下水人工回补的位置，但仍有2个方面亟待进一步深入研究，一是前人多是针对平原区进行回补适宜性评价，未与山区联合拓展至整个流域进行评价；二是前人通过多种方法建立了地下水回补适宜性区，但缺乏对不同回补方案效果的评估验证和对比分析。

本研究以大清河流域为研究区，主要针对大清河流域的平原区以及山间盆地和沟谷进行地下水人工回补适宜性评价，并将数值模型与基于GIS的评价决策模型相结合对研究区的回补适宜性进行定量评价。研究成果以期为海河流域其他超采地区开展地下水回补适宜性评价提供科学参考。

1 研究区概况

大清河流域位于海河流域中部，研究区面积为35 970.99 km2，其中平原地区海拔多在50 m以下[2]，最高山峰海拔大约有2 791 m，总体地势西高东低(图1)。从行政区划来看，研究区横跨河北省6个地级市下属40个县市，此外还包括了北京的房山区、门头沟区及丰台区和山西的浑源县、灵丘县及繁峙县，以及天津的西青区、北辰区、武清区和静海区。

图1 研究区位置Fig.1 Location map of study area

研究区处于温带季风区，四季分明，受地形等因素影响，降水量年内、年际变化明显，多年平均降水量约500～700 mm，降水主要集中在7—8月，年平均气温8～10 ℃。区内存在较多的河流和水库，由于区内降水季节分布不均，河流多为季节性河流，部分河流甚至断流。流经研究区的外调水工程为南水北调工程，是区内的主要供水水源。

研究区山区主要分布碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组和变质岩类裂隙含水岩组，其中山间盆地为松散岩类孔隙含水层组，盆地地区补给主要来自降水、地表水入渗和山前侧向补给，排泄以地下潜流、人工开采为主，该地区地下水位埋深大于40 m。平原区地下水主要赋存在第四系松散岩类孔隙中，可以划分成4个含水层组(图2)：第Ⅰ含水层组地层为全新统(Q4)，为潜水含水层，底界面埋深约10～50 m；第Ⅱ含水层组地层为上更新统(Q3)，底界面埋深约120～170 m，属微承压、半承压含水层，含水层岩性主要为中细砂、中粗砂和砂砾石；第Ⅲ含水层组地层为中更新统(Q2)，底界埋深一般为250～310 m，含水层岩性多为中砂和中粗砂，该层含水层是深层承压地下水的主要开采层；第Ⅳ含水层组地层为下更新统(Q1)，底界埋深约350～550 m，含水层岩性为细砂、中砂和粗砂。由于第Ⅰ含水层与第Ⅱ含水层之间缺少稳定的隔水层，水力联系紧密，加之地下水开采多为2个含水层的混合开采，又进一步加强了两者的水力联系，故在本次研究中，将2个含水层组看作为一个整体，称为浅层地下水，同时也是本次研究的主要含水层[6-7]。

2 研究方法

2.1 基于GIS的地下水回补适宜性评价

2.1.1 指标选取

本次研究从含水层储蓄条件、补给水源条件以及补给入渗条件等多方面综合考虑，选取地下水位埋深、渗透系数、距离南水北调中线干渠距离、距离水库距离、有效储水空间、降水入渗系数、坡度和地表高程8个因素构建GIS-AHP多指标决策模型进行地下水回补适宜性评价(表1，图3)。各指标评分分值采用十分制，分值越高，表示越适宜进行地下水人工回补。

(1) 地下水位埋深(dGW)。dGW一般用来表示含水层蓄水空间的大小，dGW越大，越适宜进行地下水人工补给[6，12]。研究区水位埋深通过2020年12月份统测点水位数据插值获得。

(2) 渗透系数(K)。K代表了一个地区的渗透能力，是表征岩土渗透性的定量指标[6，13]。

(3) 距离南水北调中线干渠距离(lCA)。进行地下水人工补给的前提是存在补给水源条件，南水北调中线工程是研究区内的主要补给水源，考虑运输成本的经济因素，需限制补给水源与回补地区的距离。

表1 各指标评分分级表

图3 评价指标等级分区Fig.3 Classification of evaluation indicators

(4) 距离水库距离(lST)。水库也是研究区内进行地下水回补的补给来源之一，需考虑经济成本等因素影响，限制水库与回补场地之间的距离，水库距离的分级综合考虑了沿着河道的距离、河流比降和河流流向。

(5) 有效储水空间(V)。V通常指给水度与非饱和带厚度的乘积，V的大小关系到含水层所能容纳水量的多少。本次采用华北平原1984年浅层地下水位流场作为规模漏斗形成前水位埋深上限，与2020年华北平原现状浅层地下水位流场进行比较，求得V的限制厚度，乘以给水度，最终计算出V，V与回补适宜性呈正相关[14]。

(6) 降水入渗系数(α)。α影响研究区内降水补给量的入渗，α越大，补给入渗量越大。

(7) 坡度(i)。i控制着地下水的补给过程，i越大越不适宜进行地下水资源的回补。研究区包含山区和平原，多数地区坡度大，但适宜进行地下水人工回补的坡度范围是0～10%，当i>10%时，不适合进行地下水人工回补[6，15]。

(8) 地表高程(E)。E关系到工程施工条件的难易与聚集水量的多少[7，16]。

2.1.2 数据处理

本次研究对评价指标的权重计算采用层次分析法[17-18]，地理信息系统的核心功能之一是空间分析[19]。本文通过对各评价指标文件进行分区与叠加，得到相应的指标等级分区图和回补适宜性分区图。

2.2 数值模拟

数值模拟是进行地下水研究的重要工具[20]，本次研究通过构建大清河流域平原区地下水流数值模型，预测不同补水方案对地下水储变量变化的影响。模型面积约20 060 km2，网格大小为2 000 m×2 000 m，模型共有3层，其中第Ⅰ、Ⅱ含水层组归为模型的第1层，第Ⅲ、IV含水层组为模型的第2、3层。模型西侧为流入边界，东侧为流出边界，第IV含水层组底界为本次研究含水层系统下边界，故将此边界作为模型的隔水边界，Ⅱ、Ⅲ含水层之间受水位差的驱动通过“天窗”进行水量交换，故浅层潜水-弱承压水和深层承压水之间的垂向边界为越流边界。模型参数与前期评价指标所选参数一致，降水入渗量、蒸发和开采量数据都是前10 a气候与保障粮食需求开采情况的复现，模型模拟期为2020年1月至2029年12月，每月为1个应力期，每个应力期1个步长。

本文通过设置不同的补水方案对比地下水储变量的变化情况，补水方案设计原则为以河道入渗为补给方式，在保持总补水量不变的情况下，评价回补效益，验证回补适宜性分区。由于同一河道各段入渗能力不一致，本次研究对河道进行分段处理，采用河道岩性剖面图与模糊数学方法[21]结合，建立河道模糊数学模型进行分段。本次模拟所选用的回补河流包括拒马河、瀑河、唐河和潴龙河。

3 结果与分析

3.1 权重计算

本次评价选取的指标有8个，故判别矩阵是一个8×8的矩阵(表2)。求得的指标权重值见表3。通过一致性计算求得一致性比率CR值为0.039，小于0.1，认为矩阵一致性满意，符合一致性要求，计算的权重值可用于后续评价。

表2 评价指标判别矩阵

表3 指标权重计算值

3.2 回补适宜性分区

利用空间叠加分析得到研究区的回补适宜性分区图(图4)，研究区内综合评分值(S)的范围为2.41～8.19，根据综合评分值利用自然间断点法将研究区回补适宜性划分为4个等级，分别为不适宜(2.41～<4.66)、中等适宜(4.66～<5.90)、较适宜(5.90～<7.38)和适宜(7.38～8.19)。

图4 研究区回补适宜性分区Fig.4 Zoning map of replenishment suitability in the study area

由图4可知，自东北向西南方向适宜性等级逐渐升高，山区内部盆地沟谷多为不适宜和中等适宜区，较适宜区和适宜区多分布在近山前地段，表现出明显的水文地质分带性。研究区回补适宜区主要沿着磁河、潴龙河、青龙河和拒马河分布，磁河的补给适宜区主要分布在在新乐市和无极县，潴龙河的补给适宜区分布在新乐市和行唐县，而青龙河和拒马河的补给适宜区多分布在山前地段，分别集中在顺平县、满城区以及房山区，适宜区分布面积约837.125 km2，占总回补评价区面积的4.5%。

从含水层蓄水条件来看，回补适宜区和较适宜区主要分布在渗透系数、地下水位埋深和有效储水空间大的地区，而中等适宜区和不适宜区的渗透系数、地下水位埋深和有效储水空间都相对要小很多；从补给水源条件来看，回补适宜区和较适宜区大多都存在于靠近南水北调中线干渠或水库的位置，而山间盆地等地区由于距离补给水源位置较远，多被划分为不适宜区和中等适宜区；从补给入渗条件来看，回补适宜区和较适宜区大多分布在山前平原和平原区，降水入渗系数分值均较高，而山区由于地表高程和坡度均较高，导致分级评分分值低，多为不适宜和中等适宜区。

3.3 模拟结果分析

根据回补适宜性评价结果设置4个不同的回补方案，具体方案见表4。方案一“河道无回补”，各河流不进行地下水人工回补；方案二“河道实际补水”，根据《河北省地下水超采综合治理2020年度实施计划》中各河流计划补水量进行回补模拟；方案三“优化河道配水”，根据回补适宜性评价结果可知，拒马河、瀑河多处于不适宜或中等适宜区，而唐河、潴龙河多处于较适宜和适宜区，故保持总补水量不变，增加唐河和潴龙河的补水量进行模拟预测；方案四“河道分段精细化补水”，为了进一步提升补水效益，保持方案三各河流补水量不变，只在河流适宜性等级高的河段进行回补模拟。

表4 回补方案

根据不同补水方案模型运行完成后的均衡文件，计算各方案的水均衡组成(表5)，绘制地下水储变量随时间的变化趋势(图5)。由于仍受到农业灌溉强烈超采地下水的影响，以目前的河道回补量，大清河流域平原区地下水储变量仍呈下降趋势，整体呈负均衡状态，但在不同补水方案条件下，地下水储变量下降幅度存在较大差异。

表5 2020—2029年均衡表

图5 地下水储变量变化曲线Fig.5 Variation curve of groundwater storage variables

2020—2029年间，在方案一条件下，降水入渗量为18.00亿m3/a，占总补给量的73.35%，是研究区地下水的主要补给来源。浅层排泄中，人工开采是最主要的支出，占浅层地下水排泄总量的92.95%。大清河流域平原区地下水储变量累计减少20.88亿m3，年均减少2.10亿m3，与方案一对比，其他3种方案模拟的地下水储变量在模拟期内下降幅度大幅减少(图5)。方案二降水入渗量、河流入渗量分别占总补给量的69.07%、6.81%，人工开采占浅层地下水排泄总量的92.80%，地下水储变量累计减少6.16亿m3，年均减少0.62亿m3。相比方案一，地下水储变量增大了14.82亿m3，整个模拟区内不存在水位下降区，水位在拒马河山前段上升最大，最大水位上升高度为5 m(图6(a))。方案三通过优化河流配水量的补水方案，降水入渗量、河流入渗量分别占总补给量的68.87%、6.67%，地下水储变量累计减少5.54亿m3，年均减少0.51亿m3，相比方案一，地下水储变量增大了15.44亿m3，水位上升最大区域为唐河近山前河段(图6(b))。方案四根据适宜区分布采用河道分段化的补水方案，降水入渗量、河流入渗量分别占总补给量的68.44%、7.15%，地下水储变量累计减少3.59亿m3，年均减少0.36亿m3，与方案一对比，地下水储变量增大了17.39亿m3，水位在唐河的近山前河段上升最大，最大水位上升高度大于6 m(图6(c)，图6(d))。通过模拟验证和效果对比，采用基于GIS的地下水回补适宜性评价后的精细化分段补水效果最佳，在总补水量不变的情况下，通过建立精细化的补水适宜分区进行优化补水，可实现研究区的地下水储变量回升最大，回补效益达到最大化。

图6 大清河流域河道回补适宜方案补水效果分布Fig.6 Distribution map of water supplement effect of the appropriate scheme for river channel recharge in the Daqing River basin

4 结 论

本研究综合考虑含水层储蓄条件、入渗条件、补给水源条件构建GIS-AHP地下水回补适宜性评价决策模型，实现山区及平原区一体化回补适宜性评估，引入基于数值模拟的地下水储变量变化作为流域回补效果评估的判定指标，预测2020—2029年大清河流域平原区地下水储变量变化情况，从而验证地下水回补适宜性分区的合理性。主要结论如下：

(1) 回补适宜性差和中等地区主要分布在平原区的东北部和山区内部的盆地沟谷，由东北部至西南部，适宜性等级逐渐过渡为较适宜和适宜。回补适宜区多沿河道分布，主要分布在拒马河、青水河、潴龙河和磁河等近山前河段，降水入渗系数和有效储水空间是影响地下水回补适宜性的主要因素。

(2) 通过运行不同补水方案对比发现，在保持总补水量不变的情况下，依据回补适宜性分区结果对河道分段精细化补水的回补效益最佳，能大大减缓地下水储变量下降速度，相比于河道无回补，地下水储变量增加了17.39亿m3，整体地下水位上升，且在唐河近山前河段水位上升大于6 m。分析结果表明，基于GIS的回补适宜性评价结果合理，且能与数值模拟结合运用到实际，可为本区地下水超采治理提供支撑。