河北省地下水资源承载力评价及预警研究

2024-06-28杨玉良

农业灾害研究 2024年3期

收稿日期：2023-12-01

作者简介：杨玉良（1980—），男，河北沧州人，工程师，主要从事地下水研究。

摘要：作为水资源的核心组成之一，地下水在保证我国城镇与农村居民的日常生活和生产用水、促进经济与社会发展，以及保持生态环境的健康循环等方面扮演着关键角色。深入分析了河北省地下水资源的承载能力及预警方法，旨在为河北省的地下水资源管理提供科学依据，促进水资源的可持续利用和生态保护。

关键词：河北省；地下水资源；承载能力；预警方法；可持续管理

中图分类号：P642.23 文献标志码：B文章编号：2095–3305（2024）03–0-03

地下水资源作为一个地区水资源管理和生态平衡的关键，一直是水资源研究的重点，尤其是在河北省这种干旱和半干旱地区，地下水资源的合理开发与利用显得尤为重要。通过对河北省地下水资源的全面评估，能够为该省乃至其他地区的水资源管理提供参考。

1 河北省地下水资源开发现状

1.1 水资源开发现状

河北省在地下水资源开发方面具有其特殊性。2021年，河北省的地下水供水量为118.3亿 m3，占总供水量的52.1%。其中，浅层地下水供水量达到109.6亿 m3，占地下水总供水量的92.6%，主要分布在河北省的平原区、山间盆地和黄土丘陵区。这些区域的地下水具有埋藏浅、补给快、储存条件好、富水性强、易于开采等特点，是地下水开发利用的主要对象。深层承压水供水量则为8.7亿 m3，占地下水总供水量的7.4%，主要用于工业、城镇生活和农村生活，分布在河北省的多个城市如石家庄、唐山、邯郸、秦皇岛等地。浅层地下水作为河北省主要的供水来源，其开采和利用受到高度重视，由于长期的过度开采，部分地区出现了地下水位的持续下降现象，尤其是在河北省的北部和东部地区，地下水位每年下降速度在1～3 m，这对地下水资源的可持续利用构成了严重的威胁。

1.2 水资源超采问题

在华北平原，长期的地下水超采导致一系列严重的环境与社会问题，使该区域成为全球地下水过度抽取最严重的地区之一。尤其是在河北省，地下水的持续下降不仅会导致地面沉降问题的加剧，还会引发水文地质环境的复杂变化。河北省地下水降落漏斗主要集中在冀枣衡、沧州和南宫等深层地下水区域，以及宁柏隆、高蠡清、肃宁和石家庄等浅层地下水区域。这些漏斗区的面积达到4.26万 km2。在河北平原，地面沉降累计量超过1 000 mm的区域面积达到9 440 km2。尤其是在沧州市区，地面沉降的最大值已经达到2.727 m。

这种持续的地下水位下降不仅会造成含水层疏干、水质恶化等多种地质环境问题，还会对地区的生态系统和社会经济发展造成深远的影响。

2 地下水资源承载能力评价

2.1 水资源承载能力分析

地下水资源的承载能力是指在不破坏地下水生态系统和确保水资源可持续利用的前提下，地下水能够承载的最大开发和利用程度[1-3]。地下水资源的承载能力不仅关系到水资源的合理开发和利用，还与区域的生态安全、经济发展息息相关。

河北省的地下水水位和资源数据主要收集自该省多年的地下水和地质环境监测工作，主要根据《河北省地质环境图集》整理地下水资源量的信息。此外，地下水的开采数据主要来自历年发布的水利部门公报和水利统计年报。

2.2 水资源承载力评估指标体系

河北省的水资源承载能力评估指标体系是一个多维度、综合性的分析框架，旨在全面评估和监控地下水资源的可持续性和承载力。主要从社会经济、地下水资源及自然生态环境等方面构建该指标体系，评估指标体系见表1[4]。

2.3 承载能力评估方法

河北省地下水资源承载能力的评估是一个复杂的多维度过程，涉及水文地质、社会经济以及环境保护等方面，该过程旨在量化地下水资源的可持续利用程度，以便为资源管理和政策制定提供科学依据。承载能力的评估公式可表示为：

C=f（W，R，P，E）（1）

式（1）中，C代表地下水资源承载能力；W代表水文地质因素的影响；R代表社会经济因素的影响；P代表环境因素的影响；E其他额外因素[5-9]。

为反映地下水资源承载能力的实时状态和长期趋势，需要综合考虑地下水资源的多维度特性和动态变化，计算公式为：

C=α（βiGi）+γ（δiSi）+ε（ζkEk）（2）

式（2）中，α、γ、ε是权重系数，用于调整不同类别因素对承载能力的影响程度；βi、δi、ζk是各个因素的影响系数。

2.4 水资源承载能力等级划分

在地下水资源承载能力的分析中，对水资源承载能力进行等级划分是关键步骤之一，目的是建立一个明确、可量化的标准，用以评估地区水资源的可持续性和管理效率[10-14]。为了定量化地下水资源承载能力的评估，可以采用综合评价模型，具体公式可以表示为：

承载能力综合评分=wixi（3）

式（3）中，wi表示第i个指标的权重，xi代表第i个指标的实际观测值。

3 地下水资源预警方法

地下水资源预警方法的核心在于准确预测水资源的变化趋势，并及时采取措施以避免资源过度开发，利用先进的监控技术持续追踪地下水位和质量的变化，结合气象、地质和水文数据，采用数据分析方法进行综合评估[15]。建立地下水动态预测模型，通过模拟不同情景下地下水资源的变化趋势，预测可能出现的超采或短缺情况，计算公式为：

Pt=α（Wt-Wt-1）+β（Rt-Rt-1）+γEt+δ（4）

式（4）中，Pt代表预警指数；Wt、Wt-1分别为当前和前一时期的地下水位；Rt、Rt-1为相应时期的降雨量；Et为环境因素的综合评分。根据预警指数的高低，将地下水资源的状态划分为不同的预警等级，从而为决策者提供明确的指导，水资源预警等级划分见表3。

蓝色预警表示地下水资源状况良好，无需立即采取行动；黄色预警表示地下水资源存在轻度超载，应开始关注并采取预防措施；橙色预警表示地下水资源出现中度超载，需要采取紧急措施以防止进一步恶化；红色预警表示地下水资源处于重度超载状态，需要立即采取有效的措施以恢复水资源平衡。

4 结果与分析

4.1 水资源承载能力评价结果

河北省的地下水资源承载能力表现出显著的地域差异（图1）。在全省范围内，具有较高或高的地下水承载能力的县区占比约为45%，主要集中在燕山南麓和太行山东麓的丰富水资源地区；承载能力低或较低的县区占全省的18%，主要分布在太行山北部、坝上高原及滨海平原的东部区域。在河北省的平原区，超载现象普遍存在，覆盖全省约70%的区域。而地下水资源盈余的县区仅占全省的10%左右，主要分布在太行山区。

此外，地下水资源承载能力的极端分化在河北省表现得尤为明显，位于太行山中南部山区和燕山南麓平原的西部具备强或较强承载能力的县区占比约为40%，而河北平原中部的湖泊平原及张家口、承德的坝上地区承载能力较弱的县区占比达到30%。

4.2 水资源预警结果

基于对河北省地下水资源承载能力的评估，进行了预警级别的研究（图2）。河北省地下水资源面临较高风险的区域主要集中在河北平原中部的湖泊平原地区，尤其是沧州和衡水地区。太行山东麓的平原地区，尤其是邯郸和邢台交界的区域，以及城市郊区，也显示出红色和橙色的预警级别。

图2 河北省水资源承载能力预警等级的分布特征

4.3 预警结果分析

一方面，河北省的地下水承载状况主要受到人类活动的影响，尤其是地下水的过度开采。太行山区水资源较为充沛，其开发和利用水平相对较低，一般不超过70%。相比之下，河北平原作为一个经济和工农业高度发展的区域，大多数地区的地下水开采率超过100%。以1999年为例，河北省的地下水开采程度高达128%。将地下水承载能力的评价结果与河北省政府公布的地下水超采区、禁采区和限采区的范围进行对比，其显示出高达93%的一致性，说明地下水承载能力的评估与河北省地下水的实际超采状况基本吻合。

另一方面，河北省地下水资源的红色和橙色预警区主要集中在3个关键区域。由于市区及其周边地区的经济快速发展和人口增长，工业和生活用水的需求超过地下水的可承载量；太行山前平原的邯郸和邢台交界区，在过去5年中，虽然深层地下水位的下降幅度通常小于5 m，但浅层水位却普遍下降超过5 m，这种浅层水位的显著下降是导致该区域红色预警的主要原因；在河北平原中部的冲洪湖积平原区的深层水位大多呈下降趋势，尤其是在衡水地区，过去5年间地下水水位变化范围大多在6～10 m之间。这些预警结果与河北省地下水的实际状况及由此产生的地质环境和生态问题相符合。

5 结束语

分析了河北省地下水资源的开发现状、承载能力及预警方法，深入探讨了水资源承载能力的概念、评估指标体系和评估方法，得出了河北省地下水资源承载能力的具体等级划分。研究结果显示，河北省地下水资源面临着超采等挑战，相关部门需要采取更为有效的管理措施来确保资源的可持续利用。

参考文献

[1] 王在兴，郭锐娥.浅析水资源承载能力评价方法与监测预警机制[J].水上安全，2023（11）：41-43.

[2] 宋明远.本溪市水资源承载力评价研究[J].黑龙江水利科技，2023，51（7）：61-64.

[3] 姜锋，张百祖.基于层次分析法和变异系数法的酒泉市水资源承载能力分析评价研究[J].节水灌溉，2023（9）：94-99.

[4] 李帅莹.辽宁地区水资源承载能力监测预警机制及措施研究[J].水利规划与设计，2021（11）：25-28，80.

[5] 李宁，刘晋羽，谢涛.水资源环境承载能力监测预警平台设计探讨[J].环境科技，2015，28（2）：57-61.

[6] 伏岩.湖南省邵阳市城区水资源承载能力分析[J].水上安全，2023（4）：140-142.

[7] 龙秋波，朱文彬，吕爱锋.水资源承载风险监测预警理论与方法探析[J].南水北调与水利科技（中英文），2021，19（6）： 1147-1156.

[8] 陈雅芬，刘海振，张得胜.惠州市水资源承载能力水质要素评价分析[J].吉林水利，2020（2）：34-38：.

[9] 丁菊莺，宋秋波.水资源承载能力监测预警机制建设初探：以海河流域为例[J].海河水利，2019（3）：1-5.