王金哲,張光輝,聶振龍,嚴明疆,王瑩

(中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所,河北石家莊050061)

淺層地下水系統(tǒng)的變化不僅與當?shù)氐淖匀坏乩憝h(huán)境有關,也和人類活動強度密切相關。目前,大規(guī)模人類活動無時不在悄然改變著天然水循環(huán)的大氣、地表、土壤和地下各個過程,致使現(xiàn)代環(huán)境下水循環(huán)呈現(xiàn)出明顯的“天然—人工”二元特性[1-2]。但由于人類活動是一個抽象的綜合性概念,許多方面量化比較困難,因而以往的研究多為定性或集中于單一因素的分析[3-5]。如何將人類活動對水循環(huán)的干擾影響分離出來從而直觀認識其作用程度已成為近幾年的研究熱點?；诖?近幾年也有學者在人類活動對水循環(huán)的影響量化研究進行了有益的探索,采用的方法歸納起來有地球動力學方法[6]、人工神經(jīng)網(wǎng)絡缺省因子檢驗法[7]、變異系數(shù)法[8]和投影尋蹤回歸模型[9]。但不同的研究方法有不同的適用范圍和優(yōu)缺點,從計算精度、步驟繁瑣程度、指標容量等方面考慮,本研究嘗試采用加權綜合指數(shù)法,選取研究區(qū)影響淺層地下水系統(tǒng)的典型人類活動作為指標,以MAPGIS為數(shù)據(jù)處理平臺,建立了人類活動對淺層地下水干擾程度量化研究的指標體系,并以滹沱河流域平原區(qū)為例,進行了實例驗證。

1 評價方法

1.1 方法原理

加權綜合指數(shù)法是通過加權來測定一組項目的綜合變動狀況。該方法將與評價目標有關的所有要素綜合整理在一起,確定各要素的相對重要性,給出定量指標,然后通過數(shù)學方法求解,作為綜合分析、評價的基礎[10]。在本項研究中,綜合指數(shù)法就是將影響淺層地下水系統(tǒng)的分指標指數(shù)和權重進行迭加形成綜合指數(shù),根據(jù)綜合指數(shù)量化評價人類活動對淺層地下水系統(tǒng)造成的干擾程度。

其評價模型如下:

式中:R——綜合評價指數(shù);ai——評價參數(shù)的權重;Xi——評價參數(shù);n——評價參數(shù)的個數(shù)。

1.2 權重計算

權重計算時選用灰色關聯(lián)度法。其計算模型為:

設有m個與母因素(x0)有一定關聯(lián)作用的子因素(x1,x2,…,xm),每個評價因子都有n個統(tǒng)計值,構成母序列和子序列。

母、子序列在t=1到t=n的關聯(lián)性用關聯(lián)系數(shù)表示:

式中:Δmin,Δmax——m條子線在區(qū)間[1,n]母線的距離 Δok(i)的最大值與最小值;ζ——分辨系數(shù),一般取0.5。

于是有第k條子線與母線在[1,n]間的關聯(lián)度為:

采用公式(4)使關聯(lián)度和為“1”對關聯(lián)度進行標準化,標準化后的關聯(lián)度即可做為每個評價因子的權重。

1.3 綜合評價

根據(jù)計算出來的一系列R值,對照相應的評價分級標準,然后根據(jù)評價區(qū)的具體條件進行綜合分析,判別評價對象的真實狀況,判別依據(jù)見表1。一般認為,人類活動對地下水干擾程度大于0.5時,人類活動對地下水動態(tài)起主導作用[6]。

表1 人類活動對淺層地下水干擾程度綜合指數(shù)等級劃分及其含義

2 研究區(qū)概況

滹沱河流域平原區(qū)位于河北省中南部,地處滹沱河以南、滏陽河以北、太行山以東山前傾斜平原,主要包括石家莊地區(qū)和衡水地區(qū)的大部分縣市,邢臺地區(qū)的柏鄉(xiāng)、新河兩縣小部分區(qū)域包括在內?？偯娣e8 204 km2。

該區(qū)屬溫帶半濕潤、半干旱大陸性季風氣候,降水量年際變化較大,多年平均降雨量493 mm。滹沱河曾是本區(qū)最大河流,屬海河的子牙河水系,自西向東貫穿該區(qū),在獻縣與滏陽河交匯,流域面積2.48×104km2,目前已干涸。黃壁莊水庫和崗南水庫是位于滹沱河出山口的兩個串聯(lián)水庫,庫容分別是1.50×109m3和 1.20×109m3。

3 評價體系構建及數(shù)據(jù)處理

3.1 評價體系構建

體系的構建首先需選取指標,指標選取依據(jù)主導型、可度量、可操作性和覆蓋面廣的原則,并考慮可直觀反映研究區(qū)地下水系統(tǒng)的現(xiàn)狀因子,影響和反映人類活動的簡單易解釋因子,人類活動與地下水系統(tǒng)在內的相互影響、相互制約的表征因子,并能通過更新數(shù)據(jù)就可以調整為新的指標[11]。從上述因素考慮,選取了8個指標作為滹沱河流域平原區(qū)人類活動對淺層地下水干擾程度量化研究的評價因子,分別為開采量、人口、機井數(shù)量、糧食產(chǎn)量、農(nóng)作物播種面積、蔬菜產(chǎn)量、水澆地面積和工業(yè)總產(chǎn)值。

3.2 數(shù)據(jù)處理

3.2.1 指標變量數(shù)據(jù)整理 滹沱河流域平原區(qū)包含19個縣市。指標的原始數(shù)據(jù)變量序列搜集整理于1958—2008年石家莊市、衡水和邢臺市統(tǒng)計年鑒,通過核算8個指標變量分別在20世紀50—90年代和21世紀初期的平均值,得到8個指標在不同時代的變量值。

3.2.2 變量數(shù)據(jù)標準化 為使8個指標之間具有可比性,從而完整地組合到一起,首先統(tǒng)一這些指標的量綱。采用極值標準化方法對指標進行標準化。

3.2.3 變量數(shù)據(jù)提取 根據(jù)研究區(qū)現(xiàn)有資料局限、研究程度、面積范圍大小和評價精度要求,運用MAPGIS軟件對研究區(qū)進行網(wǎng)格化,選取的剖分網(wǎng)格為正方形。由于該區(qū)地下水資源評價、水文地質條件、開發(fā)利用程度等方面研究程度較高,根據(jù)基礎數(shù)據(jù)的最小單元和示范區(qū)面積,確定剖分網(wǎng)格間距為1.25 km,共剖分單元128×76個,其中有效計算單元共計5 645個。

3.3 確定權重

采用灰色關聯(lián)度法確定權重。通常情況下,淺層地下水的變化指標用地下水水位或地下水位埋深表示,在本研究中,用地下水開采量作為淺層地下水系統(tǒng)變化的特征值。原因有兩個方面:一是根據(jù)收集資料的實際情況,指標變量都是以縣為單位的多年動態(tài)變化值,每個年代人類活動對淺層地下水的干擾都是在前期各項人類活動多年累計基礎上疊加的結果。即各項指標反映的是以縣為單位的區(qū)域值,而通常意義上的地下水位或地下水埋深是反映某一點的值,不能把人類活動對區(qū)域地下水系統(tǒng)的干擾很好地反映出來。二是地下水開采量是與地下水互動相關的變量,能較準確地表征淺層地下水系統(tǒng)的變化,而且一個地區(qū)的地下水開采量是用這一地區(qū)內不同位置點的開采量值進行累加得到的變量。所以,用地下水開采量作為淺層地下水系統(tǒng)變化的特征值,也就是母序列。子序列為7個指標變量,經(jīng)過計算,得到人類活動對淺層地下水干擾程度評價7個指標的權重值(表2)。

表2 人類活動各指標對淺層地下水的干擾權重

3.4 評價指數(shù)計算

在取得各指標的基本參數(shù)和權重后,運用公式(1)就可得到人類活動對淺層地下水的干擾程度這一綜合指數(shù)。

把不同時代的綜合指數(shù)與相對應的坐標建立空間對應關系,借助MAPGIS工作平臺,使用空間分析的DTM功能就可繪制工作區(qū)人類活動對淺層地下水干擾程度的分布圖。

4 研究區(qū)人類活動對淺層地下水干擾程度定量評價

本研究中繪制了20世紀50—90年代和21世紀初期的人類活動對淺層地下水干擾程度分布(圖1),通過對5個時段進行評價,可縱觀20世紀50年代以來人類活動對滹沱河流域平原區(qū)淺層地下水系統(tǒng)干擾程度的演變特征。

20世紀50年代,滹沱河流域平原區(qū)農(nóng)業(yè)落后,工業(yè)不發(fā)達,河道自然溢流,濕地遍布,淺層地下水的開采量為1.35×109m3。這一時期人類活動為低基數(shù)發(fā)展階段,對淺層地下水干擾程度綜合指數(shù)變化區(qū)間為0～0.4,都小于0.5,也就是,淺層地下水系統(tǒng)保持自然平衡狀態(tài),以自然因素調節(jié)為主,人類活動沒有占據(jù)主導地位。人類活動對淺層地下水干擾程度0～0.2之間的分布面積為2 461.5 km2,主要分布在研究區(qū)的中東部;0.2～0.4之間的分布面積為6 343.5 km2,主要分布研究區(qū)的西部地區(qū)。這一時期,人類活動對淺層地下水系統(tǒng)的干擾程度較弱,大部分地區(qū)的淺層地下水系統(tǒng)自身修復能力較強。

20世紀60年代,“以蓄為主”推動的第一次水利建設高潮和圍繞建成“上蓄、中疏、下排、適當?shù)販狈篮轶w系開始的第二次水利建設高潮,使研究區(qū)的地下水系統(tǒng)不再處于平靜的自然平衡狀態(tài),自然狀態(tài)下的補、徑、排關系被破壞。但受當時經(jīng)濟技術條件的限制,人類活動對淺層地下水的干擾程度較弱,淺層地下水的開采量為1.71×109m3,地下水系統(tǒng)可以修復,之后建立新的平衡。這一時期,人類活動對淺層地下水的干擾程度綜合指數(shù)變化區(qū)間為0～0.4,0～0.2之間的分布面積為1 750.5 km2,主要分布在中西部;0.2～0.4之間的分布面積為6 343.5 km2,主要分布在東部。與20世紀50年代相比,干擾程度低的區(qū)域在減小,干擾程度較低的區(qū)域在逐漸增大,也就是說,人類活動對淺層地下水的干擾程度增強,淺層地下水系統(tǒng)對遭到的破壞可以自身修復。

圖1 滹沱河流域平原區(qū)不同時代人類活動對淺層地下水干擾程度分布圖

20世紀70年代,圍湖造田和大規(guī)模的打井高潮,以及工業(yè)的復蘇使人類活動出現(xiàn)高潮,對地下水的影響明顯增強,淺層地下水開采量增加為2.55×109m3,表現(xiàn)為水澆地面積的增加使得農(nóng)業(yè)對地下水的開采量明顯增加,20世紀60年代中期水澆地面積近為3.00×104hm2,20世紀70年代末為2.03×105hm2。這一時期,滹沱河流域平原區(qū)人類活動對淺層地下水干擾程度綜合指數(shù)變化區(qū)間為0～0.6,出現(xiàn)了人類活動對淺層地下水干擾占主導作用的大面積區(qū)域,面積有5 321.4 km2,位于研究區(qū)的西部和中部大部分地區(qū)。干擾程度低的區(qū)域急劇縮減,僅為79.6 km2,幾乎消失殆盡。與20世紀60年代相比,人類活動對淺層地下水的干擾程度仍在增強,大部分地區(qū)的淺層地下水系統(tǒng)修復需要較長時間。

20世紀80年代,研究區(qū)水利化程度進一步發(fā)展,機井數(shù)量大幅增加,糧食產(chǎn)量增長效果顯著,與之相應,淺層地下水系統(tǒng)受到強烈的擾動,淺層地下水開采量為3.03×109m3,是研究時段的最大消耗時期。這一時期,滹沱河流域平原區(qū)人類活動對淺層地下水干擾程度綜合指數(shù)變化區(qū)間為0.2～0.7,人類活動對淺層地下水的干擾強度向更強方向發(fā)展,出現(xiàn)干擾程度較強的區(qū)域,面積為1 414.4 km2,主要分布在中部和西部。而且,干擾程度低的區(qū)域完全消失,干擾程度較低至一般的區(qū)域在20世紀70年代基礎上有所減小,減小面積為1 414.4 km2,即這部分縮減的區(qū)域轉化為干擾程度較強的區(qū)域。與20世紀70年代相比,人類活動對淺層地下水的干擾程度不斷增強,地下水系統(tǒng)遭到的破壞不斷增強,可以自身修復的區(qū)域不斷縮小。

20世紀90年代,隨著地下水的資源功能、生態(tài)功能和地質環(huán)境功能等諸多問題的出現(xiàn),人類活動被迫進入理性高基數(shù)發(fā)展階段,主動探求更好的水資源利用配置,如1995年的黃壁莊水庫水引入石家莊市、合理井灌和渠灌等,但受區(qū)內地理位置和缺少地表水的現(xiàn)實,造成人們仍然不得不以開采地下水為主,淺層地下水的開采量為2.82×109m3。這一時期,人類活動對淺層地下水干擾程度綜合指數(shù)變化區(qū)間為0.2～0.8,干擾程度繼續(xù)增強,干擾程度占主導作用的區(qū)域繼續(xù)迅速擴展,出現(xiàn)干擾程度強的區(qū)域,位于石家莊市。干擾程度較強的區(qū)域面積從20世紀70年代的0 km2增至90年代的4 899.1 km2,主要位于研究區(qū)的西部和中部地區(qū),干擾程度低的區(qū)域萎縮至研究區(qū)東部的小部分區(qū)域,干擾程度較低的區(qū)域萎縮的速度加快,與20世紀 80年代相比,從 3 404 km2縮減到1 297.7 km2,減少了2 106.3 km2。干擾程度低的區(qū)域完全消失。說明人類活動對淺層地下水的干擾程度持續(xù)增強,地下水系統(tǒng)遭到的破壞持續(xù)增強,絕大部分地區(qū)的淺層地下水系統(tǒng)修復需要較長時間,甚至不能修復。

進入21世紀,滹沱河流域平原區(qū)實施了農(nóng)業(yè)上的節(jié)水降耗措施和工業(yè)生產(chǎn)用水的循環(huán)率等技術推廣應用,石家莊市作為地下水的用水大戶也從20世紀90年代開始加大地表水入市力度,這些措施的實施,使人類活動對淺層地下水的干擾程度有所降低,淺層地下水的開采量為2.77×109m3,相比20世紀90年代有所減小。但由于前期的發(fā)展和積累,人類活動強度對淺層地下水的干擾強度在20世紀90年代的基礎上繼續(xù)增大。目前,綜合指數(shù)變化區(qū)間為0.2～1.0,0.4～1.0之間分布的區(qū)域幾乎占據(jù)整個研究區(qū),面積為 7 374.6 km2,占研究區(qū)總面積的83.8%。干擾程度強的區(qū)域為中上游的石家莊市和正定縣、辛集市、寧晉縣和深州市的縣城位置,呈斑塊狀分布,面積有1 624 km2。說明人類活動對淺層地下水的干擾程度持續(xù)增強,地下水系統(tǒng)遭到的破壞更為嚴重,不能修復的區(qū)域逐漸擴展。

從20世紀50年代到21世紀初期,人類活動對滹沱河流域平原淺層地下水的干擾程度在時空分布上呈現(xiàn)出明顯的特征?？臻g上,不同時代都表現(xiàn)出從西部向東部干擾程度逐漸減小;從整個研究區(qū)看,干擾程度增大的趨勢從西部向東部逐漸推進;干擾程度從分級簡單的0～0.4發(fā)展到目前0.2～1.0不同級別共存的復雜分布狀態(tài)。時間上,隨著時間的推移,整個研究區(qū)的干擾程度都表現(xiàn)出增強態(tài)勢,在不同地區(qū)增強幅度不一致,人類活動對淺層地下水干擾影響經(jīng)歷了不占據(jù)主導作用→逐漸占據(jù)主導作用→幾乎完全占據(jù)主導作用的發(fā)展過程。

5 結論

采用加權綜合指數(shù)法量化評價人類活動對區(qū)域淺層地下水干擾程度的方法,根據(jù)主導性、可度量性、可操作和覆蓋面廣的原則,選取了量化評價指標,在此基礎上,對近50 a來滹沱河流域平原區(qū)人類活動對淺層地下水的干擾程度進行了量化評價?？偟膩砜?人類活動對滹沱河流域平原區(qū)淺層地下水干擾程度時空分布上呈現(xiàn)出明顯的特征。

在空間上,不同時代都表現(xiàn)出從西部向東部干擾程度逐漸減小;從整個研究區(qū)發(fā)展形勢看,干擾程度增大的趨勢從西部向東部逐漸推進;干擾程度從分級簡單的0～0.4發(fā)展到目前0.2～0.4,0.4～0.6,0.6～0.8和0.8～1.0不同級別共存的復雜分布狀態(tài)。

在時間上,隨著時間的推移,整個研究區(qū)的干擾程度都表現(xiàn)出增強態(tài)勢,在不同地區(qū)增強幅度不一致;人類活動對淺層地下水干擾影響經(jīng)歷了從不占據(jù)主導作用到逐漸占據(jù)主導作用再到幾乎完全占據(jù)主導作用的發(fā)展過程。

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