通过永定河渗漏补给地下水的适宜性评估研究

2022-01-19曹欣怡翟远征李木子潘成忠郑富新夏雪莲滕彦国王金生

水文地质工程地质 2022年1期

曹欣怡，翟远征，李木子，潘成忠，郑富新，芦红，夏雪莲，滕彦国，王金生

（1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875；2.中国地质环境监测院，北京 100081）

地下水是人类非常重要的用水来源，甚至是某些干旱半干旱地区的唯一饮用水源。近年来，在人类活动和气候变化的双重影响下，很多地区的地下水位持续下降，引发了地面沉降、海水入侵、地裂缝等地质灾害[1]。地下水超采和含水层水量亏空成为备受关注的全球性问题。缓解现状的途径可概括为减少地下水的开采和增加补给方面[2]。在人口密集区，单靠减少地下水开采解决该问题的作用有限。人为干扰地下水补给措施被日益关注[3-6]。地下水人工回灌已在很多地区被广泛应用。回灌方式包括通过将地表水注入盆地、河道、沟壑使其下渗补给地下水和向竖井中注水直接补给地下水[7-8]。其中，相对于竖井回灌，通过河道渗漏补给地下水的方式不会发生堵塞、入渗条件好、无需占用额外的土地资源、效果良好[9]，因而受到广泛关注。

已有实践表明，河道渗漏受河床介质类型、河床过水断面面积、含水层赋存条件和地下水开采强度等多种因素的影响，并不是所有河流或河段都适宜开展地下水人工补给工作[10-14]。国内外研究集中在河道渗漏规律[15]、河道渗漏补给量[16-17]、河道渗漏对地下水的影响[18-19]、地下水调蓄潜力[7,20-21]等方面。然而通过河道补水渗漏补给地下水是一个系统性工程，它受到地表条件和地下条件的共同作用，不能割裂。目前尚缺乏综合的、为大家广泛接受的考虑各类地表条件和地下条件的补水适宜性定量评估方法。

本研究以永定河生态补水[22-23]为契机，以北京平原段河道和下伏含水层为研究区，旨在建立通过河道渗漏补给地下水的适宜性评估方法，通过在永定河北京平原段的应用，为永定河生态补水提供科学依据，并为此类通过河道补水渗漏补给地下水的工程提供参考。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

永定河是海河流域的主要河流系统之一，由发源于山西省的桑干河和发源于内蒙古的洋河2条支流汇聚而成，最终流入渤海。永定河北京段可分为山峡段（108.5 km）、平原北段（18.4 km）和平原南段（60.8 km）。官厅坝下到三家店为山峡段，三家店以下为平原段，流经门头沟、石景山、丰台、房山和大兴5个区[18-19]。本文以永定河北京平原段（三家店到梁各庄）为研究区（图1），研究通过永定河渗漏补给地下水的适宜性。

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

研究区为暖温带半干旱大陆性季风气候，多年平均气温11.7℃，多年平均降水量584.7 mm，年际变化较大[24]，年蒸发量1 500～2 200 mm。该区北部的第四系沉积物较薄，岩性颗粒较粗，主要为砂卵砾石，层次单一，向南逐渐演变为粉细砂，岩层也由单层增加到多层。含水层主要接受大气降水、地表水、城市排水管网渗漏的补给和山区侧向补给，其中大气降水是最主要的补给。地下水排泄以人工开采为主，还包括从侧向边界的流出和蒸发排泄[25-26]。

1.2 评估方法

1.2.1 方法框架

通过河道补水补给地下水的适宜性主要受渗漏补给潜力和包气带的调蓄能力控制。河水渗漏补给地下水的潜力越大，蒸散损耗越小，补水效率越高；包气带的调蓄能力越大，能够接纳的水量越大，越能有效补给地下水水位下降区，使地下水位逐渐恢复（图2）。基于此思路，设计评估方法的流程总体上包括：评估范围划定、渗漏补给潜力评估、包气带调蓄能力评估、适宜性等级划分和成图、结果分析与检验5个步骤，检验工作可以在有条件的地区开展，以使评估结果更具有参考价值（图3）。

图2 河水入渗补给地下水Fig.2 River water infiltrating to recharge groundwater

1.2.2 评估指标体系建立

从渗漏补给潜力和包气带的调蓄能力2个方面选择评估指标（图3），建立LMBGITSC通过河道渗漏补给地下水的适宜性评估模型。

图3 通过河道渗漏补给地下水适宜性评估流程Fig.3 Flow chart of the suitability assessment of groundwater recharge by leakage of a river

河床的土地利用类型会影响河水的下渗过程。存在硬化防渗层的河段，水很难下渗，补水效果最差；有河水覆盖的河段，其下部的河床和包气带含水率较大，且水面蒸发大，河道补水后，对地下水的补给效果也较差[4]。已经长有林草的断流河段，补水后河水较易下渗，但是植被具有一定的截流作用，相对于裸地，水较难下渗。因此，将河床土地利用类型划分为已硬化段、水域、林草地和裸地4类。

河床的介质类型在很大程度上影响河水的下渗过程。比如淤泥质的河床，其河水和地下水的水力联系相对较弱，容易形成脱节型河流。将河床介质分为以下10类：非胀缩和非凝聚性黏土、黏质壤土（黏土）、粉质壤土、壤土、砂质壤土（砂土）、胀缩或凝聚性黏土、粉砂和细砂、砾石/中砂和粗砂、卵砾石、河床薄或缺失。

河宽宽度对河道补水后的河水下渗过程的影响主要由可下渗面积体现，河床越宽，单位长度河段内河水下渗面积越大，可下渗的水分越多，对地下水的补给量越大。

河床地形坡度对于水分下渗过程的影响主要是地形坡度大时，产生的径流量大，下渗水量减少，不利于河水下渗补给地下水[3]。

包气带是指潜水水位以上或承压含水层顶板以上、土壤层以下的非饱和区或非连续饱和区。包气带介质类型会影响河水的垂向入渗。包气带介质分为以下10种类型：黏土、亚黏土、亚砂土、粉砂、粉细砂、细砂、中砂、粗砂、砂砾石、卵砾石。颗粒粒径越大、越松散，河水越容易下渗补给地下水。

包气带厚度指从地表到地下水位的距离。通过河道补水补给地下水时，包气带厚度越大，潜在的包气带调蓄能力越大，补水效率更大。虽然包气带厚度会影响河水的入渗时间，但是对通过河道补水渗漏补给地下水来说，包气带厚度只是影响水抵达地下水面的时间，即厚度越大，所需的时间越长，但是并不会显著影响补给量，因为漏到地下的水在重力作用下只能向地下水面处入渗，最终成为狭义的“地下水”；也不会影响地下储水空间的“接纳能力”，因为接纳能力仅与“库容”有关，与时间无关。因此，包气带厚度对“适宜性”的影响总体上可认为是线性的。

给水度反映的是含水层给出水的能力。对于地下水水位下降区，在进行地下水补给之后，地下水水位将逐渐上升，水位上升后的包气带将成为新的饱和带（图2），因此包气带给水度能够反映补水区地层对地下水的调蓄能力，给水度越大，调蓄能力就越大。

通过河道补水补给地下水，除了包气带的垂向渗透性，包气带的水平渗透性对地下水补给效率也有很大影响。在河道补水后，河水集中下渗，包气带逐渐饱和，在河道下部形成水丘，从而产生水分的侧向运移。包气带的水平渗透性越大，水分越容易向四周扩散，形成更大的补给面积，从而对含水层产生持续的补给。否则，在河道下部的包气带全部饱和后，河水下渗减少，补水效率大大降低。包气带在非饱和条件下的渗透性与其饱和程度有密切关系，由于河水入渗期间包气带是变饱和的，因此渗透系数也是不稳定的。为了便于评价，本文用包气带饱和后的水平渗透性表征水分的侧向运移对于地下水补给效率的影响。

1.2.3 指标的分级和评分

将以上指标按照影响河水入渗补给地下水难易程度进行等级划分和赋值。指标中既有定量指标，也有定性指标，在评估时都需要转化成定量的评分才能进行综合计算。各类指标按不同的适宜性等级直接给出[1，10]范围内的一个评分，其中河床介质类型、河床地形坡度、包气带渗透性、包气带厚度和包气带水平渗透性参考了文献[27]的相关指标（表1）。

表1 通过河道渗漏补给地下水适宜性评估指标的等级划分和各等级评分Table 1 Classification and grading of the suitability assessment indexes of groundwater recharge by leakage of a river

1.2.4 指标权重的计算

层次分析法是确定指标权重的有力工具，本研究采用层次分析法确定各评估因子的权重。补水适宜性为目标层A，渗漏补给潜力和包气带调蓄能力为准则层，分别记为B1、B2，河床土地利用类型、河床介质类型、河床宽度、河床地形坡度、包气带介质类型、包气带厚度、包气带给水度、包气带水平渗透性为指标层，分别记为C1～C8。渗漏补给潜力是通过河道补水渗漏补给地下水的前提，若水分不能下渗，则无法对地下水进行补给，因此认为渗漏补给潜力比包气带的调蓄能力更重要。采用1～9标度法[28]进行赋值。据此确定准则层权重矩阵（表2）。通过两两对比各指标的相对重要性，确定指标层权重矩阵（表3-表4）。

表2 准则层权重矩阵Table 2 Weight matrix of the criterion layer

表3 B1-C权重矩阵Table 3 Weight matrix of B1-C

表4 B2-C权重矩阵Table 4 Weight matrix of B2-C

利用方根法计算判断矩阵的最大特征值和特征向量，并进行一致性检验，经过层次总排序后获得最终各指标的权重值[29]（表5）。

表5 各评估指标权重Table 5 Weights of each evaluation index

1.2.5 适宜性评估结果

适宜性指数RI表示为：

式中：RI——适宜性指数；

W——相应指标的权重；

R——相应指标的评分值；

L——河床土地利用类型；

M——河床介质类型；

W——河床宽度；

G——河床地形坡度；

I——包气带介质类型；

T——包气带厚度；

S——包气带给水度；

C——包气带水平渗透性。

根据RI将评估区通过河道渗漏补给地下水的适宜性划分为五个等级（表6）。利用ArcGIS计算得到评估区通过河道渗漏补给地下水的适宜性分区图。

表6 通过河道补水渗漏补给地下水的适宜性分级Table 6 Classification of the suitability of groundwater recharge by leakage of a river

1.3 数据来源

河床土地利用类型和河床宽度数据通过遥感影像解译得到。河床介质类型和包气带介质类型根据研究区水文地质剖面图和相关文献资料获得。根据研究区的DEM高程数据在ArcGIS中进行坡度计算得到河床地形坡度。包气带厚度根据从北京水务局获取的地下水位埋深数据得到。包气带给水度和包气带水平渗透性数据根据实测数据和经验值综合得到。

2 结果与讨论

2.1 参数分区和评分

根据本次建立的方法，利用获取的研究区河床土地利用类型、河床介质类型、河床宽度、河床地形坡度、包气带介质类型、包气带厚度、包气带给水度、包气带水平渗透性数据，绘制各指标分区图，并根据表1为各个指标赋值（图4）。河床土地利用类型多为林草地，除了五湖的防渗层外，部分河段为水域。河床介质由北向南颗粒逐渐变细。河床宽度主要为500～1 000 m及1 000 m以上，河床地形坡度较平缓，基本在0～2 ‰之间。包气带介质类型服从冲洪积扇岩性由扇顶到前缘的变化规律，由卵砾石逐渐变为颗粒较细的粉细砂，给水度、包气带水平渗透性也因此由北到南逐渐减小。包气带厚度从北到南也逐渐减小。

图4 永定河补水适宜性评估指标分区Fig.4 Assessment indexes partitions of the water supply suitability in the Yongding River

2.2 适宜性分区

根据式（1），在ArcGIS中叠加计算各评估指标，根据计算出的适宜性指数RI值和表6进行永定河补水适宜性分区，并绘制永定河补水适宜性分区图（图5）。

图5 通过永定河渗漏补给地下水的适宜性分区Fig.5 Suitability indexes partitions of groundwater recharge by leakage of the Yongding River

研究区补水条件较好，因此适宜性分区图只包含前4个等级。根据评估结果可以看出，永定河最适宜进行补水的河段为三家店到南六环段（除五湖防渗段外），这主要是由于永定河上游包气带岩性为砂卵砾石，渗透性好，水文地质条件好，利于河水的下渗，且该段包气带较厚，给水度和渗透系数较大，加上近些年地下水超采严重，含水层亏空大，具有良好的调蓄能力，补水效率高。中间的五湖段由于实施了防渗工程，阻挡了河水下渗，所以不利于补水。南六环到西麻各庄之间由于河床宽度较大、河床地形坡度平缓，且水文地质条件较好，含水层亏空较大，可以补给更多的水量，因此，较适宜补水，但总体不及上游河段。西麻各庄到梁各庄段河床渗透性一般，介质类型主要为粉细砂，不利于河水的下渗及侧向运移，且包气带厚度较小，含水层亏空较小，因此该河段进行补水的适宜性为中等。

2.3 结果检验

2.3.1 结果与实测数据对比

从2020年实测地下水位变幅（图6）可以看出，永定河进行生态补水1个月后和2个月后，三家店到南六环段两岸延伸地区的地下水水位出现了明显的上升，说明在该河段进行河道补水后，河水可以下渗到地下水面，有效补给含水层。对比本研究得到的适宜性分区，除了防渗段外，三家店到南六环河段均为优等适宜区，说明在该河段的非防段进行河道补水可以有效补给地下水。虽然防渗层阻碍了河水的下渗，但是由于该河段位于冲洪积扇的扇顶，包气带介质类型为砂卵砾石，其垂向和水平方向的渗透性都很大，非常利于河水的下渗和地下水的侧向迁移。因此河水从非防渗段下渗后可以快速地向四周进行横向扩展，从而使该河段两岸的地下水位都明显上升。并且在河流水位较高时，水流可以超越防渗层高度，发生河道内的侧渗。可以看出，在补水2个月后，南六环以上河段地下水位上升区的范围明显扩大，说明河水对地下水产生了有效的侧向补给。同时，除了三家店到梧桐苑段，芦城乡东侧局部区域地下水的升幅相对较大，与该段为优等适宜区相吻合，进一步验证了本模型的正确性。

图6 补水开始一个月后（a）和两个月后（b）的地下水位变幅（改编自文献[19]）Fig.6 Variation of groundwater level one month (a) and two months (b) after the start of water supply (adapted from [19])

虽然根据评估结果，南六环到梁各庄的适宜性较好，但是地下水水位下降了，这主要与该河段两岸地区的地下水动态成因类型有关。该河段地下水动态主要受河流入渗、降水和地下水开采3种因素的影响，而上游河段主要受河流入渗和降水的影响[30]。由于6月前降水量小，地下水水位受降水影响不大[18]，3—5月是春灌时期，农作物需水量大，开采量大，往年同期地下水水位呈下降趋势。因此，该河段两岸地下水水位的下降原因是河水入渗补给量远小于开采量。另一原因是，从三家店放水后，经过上游河段的河水下渗过程，到达下游河段的河道过水量大大减小，地下水得到的有效补给量也随之大大减少。

2.3.2 渗漏补给潜力

通过河道渗漏产生的地下水补给量是衡量渗漏补给潜力的直接指标。据研究，2019年补水后三家店——北广阳城段的地下水补给量可达1.28 ×108m3[17]，三家店——卢沟桥河道渗漏损失率约为58 %。2020年补水后卢沟桥——南六环路的河道渗漏损失率约40 %[18]。由此可以说明三家店——南六环段渗漏补给潜力非常大。从地下水水位变幅来看（图6），梧桐苑以上河段地下水水位的升幅最大，梧桐苑到南六环段次之，这主要由该河段的河床介质和包气带介质类型决定。河水的下渗能够引起地下水水位变化，但是河水由地表经过包气带下渗到达地下水面需要一定的时间，即地下水水位对河道补水的响应存在滞后性。地下水响应越快，说明包气带的导水能力越强，含水层越容易得到补给。因此，地下水水位上升的滞后时间能够反映包气带的导水能力。4月23日地表水头到达位于城市段的石景山莲石湖，4月27日地下水水位开始上升，滞后时间约为4 d。5月8日地表水头到达永定河郊野段的大兴赵村，5月24日地下水水位开始上升，滞后时间约为16 d[19]。这也证明永定河北京段上游河段包气带导水能力更强，渗漏补给潜力更大，更适宜开展地下水补水工程。

2.3.3 包气带的调蓄能力

包气带的调蓄能力主要与包气带厚度和渗透性有关。据研究，上游三家店水库——卢沟桥——大兴段对含水层的横向影响范围由大变小，夏场以上河段影响范围可达10 km[22]。说明上游河段的河水下渗后可以迅速向河道两侧运移，补给面积更大，包气带的调蓄能力更强，从而补水效率更大。

从地下水水位的涨落速度看，（图6），三家店到梧桐苑段的地下水水位在补水1个月后迅速上升，而在2个月之后，水位出现回落，说明该段包气带的调蓄能力强，地下水可以向四周横向运移，迅速消化大量入渗的河水。而梧桐苑到南六环段相比于补水1个月后，2个月后的地下水水位出现小幅上升，说明该段河道补水有效补给了含水层，且补给到上游三家店到梧桐苑段的地下水也向该段发生了运移。

根据各监测点的地下水动态数据（图7）分析，位于门头沟和石景山区的梧桐苑及以上河段在2020年4月补水后，6月地下水水位出现了明显上升，7月已经下降，说明该段地下水对河道补水的响应非常迅速，也说明包气带调蓄能力巨大。据研究，该地段地下水库的回灌能力可达2.42 ×108m3[21]。而同样距离河道较近的大兴区，地下水水位8月才开始上升，10月出现下降趋势，包气带调蓄能力较差。同样距离河道较远的丰台（除张仪村）和房山观测点相比，丰台区的地下水水位6月开始逐渐上升，而后受到降雨和冬季补水的影响，持续上升。而房山区的地下水水位8月才开始上升。包气带表现出来的调蓄能力从永定河平原段上游向下游逐渐减弱，与水文地质条件从冲洪积扇扇顶到扇缘的变化规律一致，也验证了本模型的补水适宜性分区结果。

图7 地下水位埋深的时间变化:（a）门头沟和石景山区（b）丰台区（c）房山区（d）大兴区Fig.7 Temporal variation of groundwater level depth: (a) Mentougou district and Shijingshan district;(b) Fengtai district; (c) Fangshan district; (d) Daxing district