简论华北平原地下水脆弱性演变及对埋深变化的响应

摘要：人类长期大规模开发利用地下水，使地下水位埋深增大，进而引起地下水脆弱性变化，这对采取合理的地下水保护措施具有指导意义。应用改进的drastic模型对华北平原1959年、1984年和2005年地下水脆弱性进行了评价，结果表明华北平原地下水脆弱性以一般脆弱性、较低脆弱性和较高脆弱性为主，低脆弱性和高脆弱性所占比例较小；与1959相比，2005年低脆弱性区和较低脆弱性区面积增大，一般脆弱性区、较高脆弱性区和高脆弱性区面积减少；与1984年-2005年相比地下水脆弱性各级面积变化速率远大于1959年-1984年。地下水脆弱性降低程度与地下水位降幅呈正相关性。

关键词：地下水脆弱性；分布特征；演化特征；地下水位

evolution features and respond to groundwater depth variationof groundwater vulnerability in north china plain

meng su-hua, fei yu-hong, zhang zhao-ji, qian yong, li ya-song, liu zhong-pei

(the institute of hydrogeology and environmental geology, cags, shijiazhuang 050061, china)

abstract: groundwater depth was increased due to extensive exploitation and utilization of groundwater, and led to the variation of groundwater vulnerability, which have guidance meaning for taking rational measures to protect groundwater. using the improved drastic model to assess groundwater vulnerability of 1959，1984 and 2005, the results showed that groundwater vulnerability of north china plain were mainly moderate, low and high, the very low and very high vulnerability were of small proportion. comparing with 1959, the area of very low and low vulnerability expanded, while area of moderate, high and very high vulnerability reduced in 2005. change rate of groundwater vulnerability areas from 1984 to 2005 was faster than that from 1959 to 1984. the degree that groundwater vulnerability decreases is positive correlation with water table decline.

key words: groundwater vulnerability；distribution features；evolution features；groundwater level

1968年法国的margat［1］首次提出地下水脆弱性的概念，在其后几十年间各国学者从不同角度给出了不同的定义。1993年美国国家科学研究委员会［1］给出了比较广泛认可的地下水脆弱性定义:污染物到达最上层含水层之上某特定位置的倾向性与可能性。与此同时,这个委员会将地下水脆弱性分为两类:本质脆弱性和特殊脆弱性。本质脆弱性指不考虑人类活动和污染源而只考虑水文地质内部因素的脆弱性，它具有相对静态、不可变和人为不可控制性。但由于人类活动对地下水环境的长期强烈累计影响，使影响地下水脆弱性的某些因子的状况发生变化，使地下水脆弱性在空间和时间上发生演变［2］。

地下水脆弱性评价是地下水资源保护和管理的重要依据，它作为一种预防地下水污染的重要手段已被广泛运用到水井水源地的保护和流域地下水资源的综合管理之中［3］。本文对华北平原1959年、1984年和2005年的地下水脆弱性进行了评价和对比分析，探讨了华北平原地下水本质脆弱性在人类活动影响下的时空演变特征及对埋深变化的响应。

1 研究区背景

华北平原位于

将drastic模型直接应用到华北平原地下水脆弱性评价中，难以获得高质量评价结果。有些参数对研究区地下水脆弱性评价并无实际意义，如在本区，地势平坦，地形坡降由山前1‰～2‰变为东部滨海平原的0.1‰～0.2‰，按照drastic方法的评分标准［9］，全研究区的地形参数评分均为10分，故可不考虑。另外华北平原土壤类型比较单一，也可不考虑。含水层介质用含水层累积厚度代替，含水层累积厚度指含水系统中砂层和卵砾石层的累积厚度，反映了地下水储水空间的大小，厚度越大，储水空间越大，地下水的稀释能力越强。因此本研究选取地下水位埋深、净补给量、包气带综合岩性、含水层累积厚度、渗透系数5个因子作为评价指标，采用如下模型：

?d.rw.d+r.rw.r+i.rw.i+t.rw.t+c.rw.c=dritc?（1）

式中：?d、r、i、t、c—地下水位埋深、净补给量、包气带综合岩性、含水层累积厚度和渗透系数；r—评价指标评分等级；w-评价指标的权重；dritc?—脆弱性综合指数。

2.2 指标意义及分级

各指标按10个等级评分（表1）。地下水位埋深和净补给量采用drastic的评分标准，包气带综合岩性采用专家打分法，遵循砂质颗粒评分间距小，土质颗粒评分间距大的原则。渗透系数和含水层累积厚度评分参照雷静［8］的模拟结果。评分值越大，表示地下水脆弱性越高。

地下水位埋深、净补给量和渗透系数采用“华北平原地下水可持续利用调查评价”监测数据，包气带综合岩性和含水层累积厚度由钻孔资料计算。

table 1 ranges andratings for dritc factors评分地下水位埋深/m净补给量/mm含水层累积厚

100～2>25410～0>100 由于区域地下水位下降，包气带厚度增大，为准确识别包气带对地下水脆弱性的影响，本次研究采用厚度加权法对包气带岩性进行评分，方法是，收集区内2 800个水文地质钻孔，采用?vb?编程逐个钻孔逐层计算，公式如下：

?a=∑a.ih.i∑h.i?（2）

式中：?a—岩性加权平均评分值；a.i—计算层段内不同岩层的评分（表2）；h.i?—计算层段内各岩层厚度，计算层段为地面到地下水位部分。

table 2 ranges and ratings forvadose zone media

岩性黏土粉质黏土粉土细粉砂粉砂细砂中砂粗砂卵石砾石

评分02.545.57899.5102.3 权重确定

根据本研究划分的分区，采用层次分析法确定山前冲洪积平原、海河冲积湖积平原、东部冲积海积平原和古黄河冲洪积平原的权重，如表3所示。?cr?=-0.003，说明判断矩阵具有较好的一致性。权重越大，对地下水脆弱性影响越大。

table 3 weight of evaluation factors in different partitions

平原类型

埋深包气带综合岩性渗透系数净补给量含水层累积厚度山前冲洪积平原0.230.310.130.230.1

海河冲积湖积平原0.280.340.10.210.07

东部冲积海积平原0.300.320.10.210.07

古黄河冲洪积平原0.310.340.10.170.082.4 评价结果分析

应用上述改进的地下水脆弱性评价指标体系，采用2 km×2 km正方形剖分单元（共计34 253个），由式（1）计算求得每个剖分单元的综合指数，然后利用mapgis编绘地下水脆弱性分区图(图1－图3)，划分为低脆弱性、较低脆弱性、一般脆弱性、较高脆弱性和高脆弱性5个等级。

从区域分布上看，华北平原地下水脆弱性以一般脆弱性、较低脆弱性和较高脆弱性为主，低脆弱性和高脆弱性所占比例较小（表4）。高及较高脆弱性地区主要分布在山前平原冲洪积扇地带、古黄河冲洪积平原东部地区。山前平原岩性颗粒粗，渗透系数大，含水层累积厚度较薄；古黄河冲洪积平原东部地下水位埋深浅、含水层累积厚度偏薄、渗透系数较大。低脆弱性区与浅层地下水降落漏斗分布基本一致，其余地区为一般及较低脆弱性。

table 4 percentage of groundwatervulnerability in northchinaplain on different times

（%） 年份低脆弱性较低脆弱性一般脆弱性较高脆弱性高脆弱性

1959013.1266.6020.000.28

19840.1227.1359.7812.810.16

20056.0546.7040.466.750.04图1 1959年华北平原地下水脆弱性分布图

fig.1 groundwater vulnerability of 1959 innorthchinaplain

?图2 1984年华北平原地下水脆弱性分布图

fig.2 groundwater vulnerability of 1984 innorthchinaplain图3 2005年华北平原地下水脆弱性分布图

fig.3 groundwater vulnerability of 2005innorth china plain

山前平原，1959年以一般和较高脆弱性为主，2005年以一般和较低脆弱性为主。海河冲积湖积平原，1959年主要为一般脆弱性；1984年主要为较低脆弱性与一般脆弱性，宁晋县分布有小面积低脆弱性；2005年以较低脆弱性和低脆弱性为主。东部平原地下水脆弱性基本未变化。古黄河冲洪积平原沿黄一带地下水脆弱性未变化，在浅层地下水开采强度较大的临西县、临清市、冠县、濮阳市、新乡市地下水脆弱性明显降低。

3 地下水脆弱性变化及对埋深变化的响应

3.1 变化特征

分析地下水脆弱性变化程度知，1984年与1959年相比，部分地区脆弱性降低一级；2005年与1984年相比，研究区地下水脆弱性以不变和降低一级为主，在宁晋、饶阳、肥乡，开采比较强烈的肃宁脆弱性降低了两级。与1959年相比，2005年山前平原和海河冲积湖积平原地下水脆弱性普遍降低一级，在地下水位降幅大的地区（主要为浅层地下水位漏斗分布区）脆弱性降低了二级，东部平原及沿黄地带地下水脆弱性级别基本未变。

对比不同年份的地下水脆弱性面积变化速率（表5），1984年-2005年地下水脆弱性各级面积变化速度远高于1959年-1984年。说明20世纪80年代后，工农业迅速发展，地下水的开采量增加，地下水位埋深增大，人类活动对地下水脆弱性产生了重要影响。

table 5 area change coefficient of groundwater vulnerability in north china plain

km?2/a时 间低脆弱性区较低脆弱性区一般脆弱性区较高脆弱性区高脆弱性区

1959年-1984年6781-379-400-7

1984年-2005年3931 298-1 281-402-83.2 地下水脆弱性对埋深变化的响应

在上述5个评价指标中，地下水位埋深受补给量和开采量的影响而变化，包气带综合岩性和含水层累积厚度与地下水位埋深的大小直接相关。自20世纪70年代中后期以来，区域降水量减少，地下水补给量减少，且开采量增大，导致地下水位大幅度下降，埋深增大。

据华北平原地下水可持续利用调查评价项目成果，1959年地下水动力场基本保持天然状态［10］；1984年“57”项研究显示，山前平原区浅层地下水位普遍下降5～20 m，中东部及滨海平原区略有下降；2001年，山前地下水位普遍下降10～30 m，中东部普遍下降5～10 m，滨海平原区普遍下降0～5 m［11］。

本研究根据2 800个钻孔资料和水文地质条件，厘定了包气带岩性、含水层累积厚度和地下水位埋深变化对脆弱性评价影响，结果表明，影响地下水脆弱性的主导因素为地下水位埋深的变化。

下面通过统计分析的方法来研究地下水位埋深变化对地下水脆弱性的影响机制，表6为2005年相对于1959年在不同地下水位降幅（间距为2 m）范围内的地下水脆弱性变化。从表6可以看出，当地下水位降幅为0~6 m时，对地下水脆弱性的影响较小；随着地下水位降幅的增大，地下水脆弱性级别不变化的概率呈逐渐减小的趋势(90.46%～3.94%)，同时脆弱性降低一级的概率增大(9.36%～87.28%)；当地下水位降幅为11 m时，地下水脆弱性降低二级的可能性开始出现，并且随着地下水位降幅增大，地下水脆弱性降低二级的概率逐渐增大(2.20%～48.73%)；当地下水位降幅在18～22 m时，脆弱性降低一级的概率达到最大值87.28%，然后随地下水位降幅增加概率逐渐减小(87.28%～44.49%)。当地下水位降幅为34~38 m时，脆弱性降低二级的概率达到最大值48.73%，同样随地下水位降幅增加概率逐渐下降(48.73%～37.25%～21.26%)。综上得出：地下水脆弱性变化程度与地下水位降幅呈正相关性。当地下水位下降时，地下水脆弱性不同程度的变化概率随地下水位下降幅度增大而增大，随后随地下水位降幅增大而减小，发生更大程度的变化。随地下水位持续下降，其它影响因素也发生变化，地下水脆弱性变化与地下水位降幅的关系也逐渐减弱。

表6 1959年-2005年地下水脆弱性随地下水位降幅变化的概率

地下水位降幅/m脆弱性级别不变概率（%）脆弱性降低一级概率（%）脆弱性降低二级概率

人们对地下水脆弱性评价时往往只考虑当前状况，而对各指标的变化及对脆弱性的影响程度考虑甚少。本次工作通过分析大量钻孔资料和地下水动态监测资料，发现伴随浅层地下水位下降，地下水位埋深增大，包气带厚度增大，降雨入渗补给量减少(同样降雨量条件下），不仅增加了污染物在进入含水层前降解的机会，还降低了污染物可能的进入量，从而使得地下水脆弱性降低。

当地下水位降幅为0~6 m时，对地下水脆弱性的影响较小；随着地下水位降幅的增大，地下水脆弱性降低一级的概率增大；当地下水位降幅为11 m时，地下水脆弱性降低二级的可能性开始出现；当地下水位降幅在18~22 m时，脆弱性降低一级的概率达到最大值87.28%。当地下水位降幅为34~38 m时，地下水脆弱性降低二级的概率达到最大值48.73%。

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