河北省地下水資源承載力評價及預警研究

收稿日期：2023-12-01

作者簡介：楊玉良（1980—），男，河北滄州人，工程師，主要從事地下水研究。

摘 要：作為水資源的核心組成之一，地下水在保證我國城鎮與農村居民的日常生活和生產用水、促進經濟與社會發展，以及保持生態環境的健康循環等方面扮演著關鍵角色。深入分析了河北省地下水資源的承載能力及預警方法，旨在為河北省的地下水資源管理提供科學依據，促進水資源的可持續利用和生態保護。

關鍵詞：河北省；地下水資源；承載能力；預警方法；可持續管理

中圖分類號：P642.23 文獻標志碼：B文章編號：2095–3305（2024）03–0-03

地下水資源作為一個地區水資源管理和生態平衡的關鍵，一直是水資源研究的重點，尤其是在河北省這種干旱和半干旱地區，地下水資源的合理開發與利用顯得尤為重要。通過對河北省地下水資源的全面評估，能夠為該省乃至其他地區的水資源管理提供參考。

1 河北省地下水資源開發現狀

1.1 水資源開發現狀

河北省在地下水資源開發方面具有其特殊性。2021年，河北省的地下水供水量為118.3億 m3，占總供水量的52.1%。其中，淺層地下水供水量達到109.6億 m3，占地下水總供水量的92.6%，主要分布在河北省的平原區、山間盆地和黃土丘陵區。這些區域的地下水具有埋藏淺、補給快、儲存條件好、富水性強、易于開采等特點，是地下水開發利用的主要對象。深層承壓水供水量則為8.7億 m3，占地下水總供水量的7.4%，主要用于工業、城鎮生活和農村生活，分布在河北省的多個城市如石家莊、唐山、邯鄲、秦皇島等地。淺層地下水作為河北省主要的供水來源，其開采和利用受到高度重視，由于長期的過度開采，部分地區出現了地下水位的持續下降現象，尤其是在河北省的北部和東部地區，地下水位每年下降速度在1～3 m，這對地下水資源的可持續利用構成了嚴重的威脅。

1.2 水資源超采問題

在華北平原，長期的地下水超采導致一系列嚴重的環境與社會問題，使該區域成為全球地下水過度抽取最嚴重的地區之一。尤其是在河北省，地下水的持續下降不僅會導致地面沉降問題的加劇，還會引發水文地質環境的復雜變化。河北省地下水降落漏斗主要集中在冀棗衡、滄州和南宮等深層地下水區域，以及寧柏隆、高蠡清、肅寧和石家莊等淺層地下水區域。這些漏斗區的面積達到4.26萬 km2。在河北平原，地面沉降累計量超過1 000 mm的區域面積達到9 440 km2。尤其是在滄州市區，地面沉降的最大值已經達到2.727 m。

這種持續的地下水位下降不僅會造成含水層疏干、水質惡化等多種地質環境問題，還會對地區的生態系統和社會經濟發展造成深遠的影響。

2 地下水資源承載能力評價

2.1 水資源承載能力分析

地下水資源的承載能力是指在不破壞地下水生態系統和確保水資源可持續利用的前提下，地下水能夠承載的最大開發和利用程度[1-3]。地下水資源的承載能力不僅關系到水資源的合理開發和利用，還與區域的生態安全、經濟發展息息相關。

河北省的地下水水位和資源數據主要收集自該省多年的地下水和地質環境監測工作，主要根據《河北省地質環境圖集》整理地下水資源量的信息。此外，地下水的開采數據主要來自歷年發布的水利部門公報和水利統計年報。

2.2 水資源承載力評估指標體系

河北省的水資源承載能力評估指標體系是一個多維度、綜合性的分析框架，旨在全面評估和監控地下水資源的可持續性和承載力。主要從社會經濟、地下水資源及自然生態環境等方面構建該指標體系，評估指標體系見表1[4]。

2.3 承載能力評估方法

河北省地下水資源承載能力的評估是一個復雜的多維度過程，涉及水文地質、社會經濟以及環境保護等方面，該過程旨在量化地下水資源的可持續利用程度，以便為資源管理和政策制定提供科學依據。承載能力的評估公式可表示為：

C=f（W，R，P，E）（1）

式（1）中，C代表地下水資源承載能力；W代表水文地質因素的影響；R代表社會經濟因素的影響；P代表環境因素的影響；E其他額外因素[5-9]。

為反映地下水資源承載能力的實時狀態和長期趨勢，需要綜合考慮地下水資源的多維度特性和動態變化，計算公式為：

C=α（βiGi）+γ（δiSi）+ε（ζkEk）（2）

式（2）中，α、γ、ε是權重系數，用于調整不同類別因素對承載能力的影響程度；βi、δi、ζk是各個因素的影響系數。

2.4 水資源承載能力等級劃分

在地下水資源承載能力的分析中，對水資源承載能力進行等級劃分是關鍵步驟之一，目的是建立一個明確、可量化的標準，用以評估地區水資源的可持續性和管理效率[10-14]。為了定量化地下水資源承載能力的評估，可以采用綜合評價模型，具體公式可以表示為：

承載能力綜合評分=wixi（3）

式（3）中，wi表示第i個指標的權重，xi代表第i個指標的實際觀測值。

3 地下水資源預警方法

地下水資源預警方法的核心在于準確預測水資源的變化趨勢，并及時采取措施以避免資源過度開發，利用先進的監控技術持續追蹤地下水位和質量的變化，結合氣象、地質和水文數據，采用數據分析方法進行綜合評估[15]。建立地下水動態預測模型，通過模擬不同情景下地下水資源的變化趨勢，預測可能出現的超采或短缺情況，計算公式為：

Pt=α（Wt-Wt-1）+β（Rt-Rt-1）+γEt+δ（4）

式（4）中，Pt代表預警指數；Wt、Wt-1分別為當前和前一時期的地下水位；Rt、Rt-1為相應時期的降雨量；Et為環境因素的綜合評分。根據預警指數的高低，將地下水資源的狀態劃分為不同的預警等級，從而為決策者提供明確的指導，水資源預警等級劃分見表3。

藍色預警表示地下水資源狀況良好，無需立即采取行動；黃色預警表示地下水資源存在輕度超載，應開始關注并采取預防措施；橙色預警表示地下水資源出現中度超載，需要采取緊急措施以防止進一步惡化；紅色預警表示地下水資源處于重度超載狀態，需要立即采取有效的措施以恢復水資源平衡。

4 結果與分析

4.1 水資源承載能力評價結果

河北省的地下水資源承載能力表現出顯著的地域差異（圖1）。在全省范圍內，具有較高或高的地下水承載能力的縣區占比約為45%，主要集中在燕山南麓和太行山東麓的豐富水資源地區；承載能力低或較低的縣區占全省的18%，主要分布在太行山北部、壩上高原及濱海平原的東部區域。在河北省的平原區，超載現象普遍存在，覆蓋全省約70%的區域。而地下水資源盈余的縣區僅占全省的10%左右，主要分布在太行山區。

此外，地下水資源承載能力的極端分化在河北省表現得尤為明顯，位于太行山中南部山區和燕山南麓平原的西部具備強或較強承載能力的縣區占比約為40%，而河北平原中部的湖泊平原及張家口、承德的壩上地區承載能力較弱的縣區占比達到30%。

4.2 水資源預警結果

基于對河北省地下水資源承載能力的評估，進行了預警級別的研究（圖2）。河北省地下水資源面臨較高風險的區域主要集中在河北平原中部的湖泊平原地區，尤其是滄州和衡水地區。太行山東麓的平原地區，尤其是邯鄲和邢臺交界的區域，以及城市郊區，也顯示出紅色和橙色的預警級別。

圖2? 河北省水資源承載能力預警等級的分布特征

4.3 預警結果分析

一方面，河北省的地下水承載狀況主要受到人類活動的影響，尤其是地下水的過度開采。太行山區水資源較為充沛，其開發和利用水平相對較低，一般不超過70%。相比之下，河北平原作為一個經濟和工農業高度發展的區域，大多數地區的地下水開采率超過100%。以1999年為例，河北省的地下水開采程度高達128%。將地下水承載能力的評價結果與河北省政府公布的地下水超采區、禁采區和限采區的范圍進行對比，其顯示出高達93%的一致性，說明地下水承載能力的評估與河北省地下水的實際超采狀況基本吻合。

另一方面，河北省地下水資源的紅色和橙色預警區主要集中在3個關鍵區域。由于市區及其周邊地區的經濟快速發展和人口增長，工業和生活用水的需求超過地下水的可承載量；太行山前平原的邯鄲和邢臺交界區，在過去5年中，雖然深層地下水位的下降幅度通常小于5 m，但淺層水位卻普遍下降超過5 m，這種淺層水位的顯著下降是導致該區域紅色預警的主要原因；在河北平原中部的沖洪湖積平原區的深層水位大多呈下降趨勢，尤其是在衡水地區，過去5年間地下水水位變化范圍大多在6～10 m之間。這些預警結果與河北省地下水的實際狀況及由此產生的地質環境和生態問題相符合。

5 結束語

分析了河北省地下水資源的開發現狀、承載能力及預警方法，深入探討了水資源承載能力的概念、評估指標體系和評估方法，得出了河北省地下水資源承載能力的具體等級劃分。研究結果顯示，河北省地下水資源面臨著超采等挑戰，相關部門需要采取更為有效的管理措施來確保資源的可持續利用。

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