朱玉晨, 李亞松, 劉雅慈, 郝奇琛, 陳李寧, 李炳華, 孔祥科*

1.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 2.中國地質調查局, 河北省地下水污染機理與修復重點實驗室, 河北 石家莊 050061 3.中國地質大學(北京), 北京 100083 4.北京市水科學技術研究院, 北京 100048

地下水作為京津冀地區(qū)重要的戰(zhàn)略水資源和飲用水源，其超采問題和環(huán)境質量惡化趨勢一直未能得到有效遏制，嚴重危及該區(qū)域飲用水安全與可持續(xù)發(fā)展[1-3]. 開展地下水超采區(qū)治理、保證地下水量與水質安全已迫在眉睫. 地下水回補是系統(tǒng)解決城市供水安全、恢復水源地開采能力、改善地下水環(huán)境的有效措施[4-7]. 一方面，由于多年超采，京津冀地下水水源地形成了大面積的降落漏斗[8-10]，進而產生巨大的蓄水空間，為地下水回補提供了先天的基礎條件[11-13]；另一方面，南水北調中線工程的建成通水以及雨洪水資源利用為京津冀地下水水源地的回補提供了契機[14-15]. 但是，受回補水源、回補空間和回補方式等影響，京津冀不同地區(qū)的地下水水源地在回補潛力、回補風險等需求或條件方面各異，如何在有限的回補水源條件下科學有效地評價地下水水源地哪些可優(yōu)先回補是當前需解決的首要問題.

目前，國內外已有的地下水回補可行性研究多是從場地能否“補的進、存的住”等角度論述[16-18]. 例如，F(xiàn)uentes等[19]從水源位置、水文地質參數(shù)、入滲能力和儲水空間等方面評估了澳大利亞Namoi盆地中適合回補的場地和水源；Ghayoumian等[20]將地理空間分析和層次分析法相結合，從地質地貌、土地利用等方面評估了伊朗南部Nabeul-Hammamet地區(qū)多個適合再生水回補的場地；張光輝等[21]基于區(qū)域水文地質和地形地貌條件，初步圈定了太行山前適合回補的地區(qū)；張景華等[22]從回補空間、調蓄水源、補給方式、輸匯水條件和入滲能力、取水條件等方面全面研究了北京市地下水庫建庫條件. 綜上，已有研究往往更注重從水文地質條件及工程技術角度對地下水的回補可行性進行評價，忽視了經濟、人口、管理、政策等社會要素對回補生態(tài)環(huán)境和社會經濟效益的影響. DPSIR模型(驅動力—壓力—狀態(tài)—影響—響應)作為一種基于因果關系的指標框架[23-25]，能夠全面描繪社會經濟、人類活動和自然環(huán)境等綜合因素及其相互關聯(lián)性[26]，在國際上被廣泛應用于可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境管理、安全和風險評價等方面[27-30]. 因此，該文借助該模型的理念，從人口-社會-經濟-自然互相影響的關系鏈出發(fā)，全面分析對影響水源地回補的自然屬性、社會屬性因素，進而對京津冀地下水源地的回補優(yōu)先性進行分級排序.

鑒于此，該研究在借鑒國內外研究成果的基礎上，從京津冀社會經濟、地下水源地基礎地質環(huán)境條件及可利用回補水源現(xiàn)狀等多方面出發(fā)，綜合分析影響地下水水源地回補的需求、風險和條件等因素. 針對京津冀水源地回補優(yōu)先性問題對DPSIR模型體系進行合理改進，通過權威專家篩選指標和打分，數(shù)據(jù)整體檢驗、閾值厘定及數(shù)據(jù)標準化等方法，綜合分析各位專家的意見以及主客觀權重，構建基于因果關系鏈的地下水水源地回補優(yōu)先性評價體系，并對京津冀典型地下水水源地進行回補優(yōu)先性評價與分級，以期為京津冀地下水水源的涵養(yǎng)靶區(qū)選擇和決策提供科學依據(jù).

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

基于京津冀地區(qū)地下水水源地水文地質條件、回補水源條件及可利用的回補方式等條件，現(xiàn)階段具備一定回補條件的主要為以淺層孔隙水供水的地下水水源地，且其回補水源為優(yōu)質的水庫棄水和南水北調水. 因此，該研究選取京津冀地區(qū)內符合以上條件且能夠收集到較全面信息的76個地下水水源地作為備選對象.

備選的76個地下水水源地基礎數(shù)據(jù)主要來源于《河北省城市集中式飲用水水源保護區(qū)劃分》《全國重要飲用水水源地名錄》《海河流域重要飲用水水源地安全保障達標評估報告》，部分水源地基礎數(shù)據(jù)來源于實地調查和資料收集；指標中涉及的區(qū)域水文地質數(shù)據(jù)來源于《華北平原地下水可持續(xù)利用調查評價》《華北平原地下水污染調查評價》等；京津冀地區(qū)社會、人口、經濟方面的數(shù)據(jù)來源于2018年京津冀地區(qū)各省市經濟統(tǒng)計年鑒.

1.2 基于DPSIR模型的回補優(yōu)先性評價體系構建方法

1.2.1準則層體系架構

以地下水水源地回補優(yōu)先性為目標，對DPSIR模型加以改進，準則和指標的選取均以地下水回補為核心. 改進后的DPSIR邏輯結構如圖1所示，各準則層含義及其關系如下：社會經濟發(fā)展和人口增長作為驅動力(D)，導致水源地開采需求激增，其發(fā)展規(guī)模和人口增長速度體現(xiàn)了回補需求的根本原因[31-32]；驅動力的長期作用對地下水資源和環(huán)境產生壓力(P)，潛在污染壓力導致回補風險增加，開采壓力則體現(xiàn)了對回補的間接需求；水源地持續(xù)過度開采導致水位持續(xù)降低，而經濟發(fā)展的同時造成生活與工業(yè)污染加劇，進而導致淺層地下水水質變差，形成超采和劣變狀態(tài)(S)，體現(xiàn)了對回補的直接需求；水源地現(xiàn)有水位下降、水質惡化等不利狀態(tài)的持續(xù)發(fā)展，對人類社會和自然環(huán)境產生了持續(xù)影響(I)，進一步體現(xiàn)了回補措施的迫切性；響應準則(R)以回補作為響應措施，從回補涉及的技術、條件、成本收益等方面對眾多水源地的優(yōu)先性進行評價篩選.

圖1 改進DPSIR準則層體系架構Fig.1 Criteria of improved DPSIR framework

1.2.2指標篩選及內涵

a) 驅動力指標(D). 近年來京津冀地區(qū)經濟、人口的高速發(fā)展是地下水水源地生態(tài)環(huán)境問題產生的根本原因，該地區(qū)水量超采導致的地下水漏斗問題及水質劣變問題都與之有密切關系[33]. 因此選取人口數(shù)量和GDP增速兩個指標來評價.

b) 壓力指標(P)，主要包括區(qū)域淺層地下水水位降幅以及回補影響范圍內的工業(yè)、生活及農業(yè)污染強度. 區(qū)域淺層地下水水位降幅反映了地下水開采現(xiàn)狀，開采程度越高，水位降幅越大，回補需求越高. 另外，水源地回補二級保護區(qū)內潛在的污染風險也對是否開展回補起著決定作用，單位面積農藥(化肥)施用量、生活污水排放強度、工業(yè)廢水排放強度可綜合反映潛在污染風險. 在地表潛在污染風險高的地區(qū)進行回補的風險性也相對較高.

c) 狀態(tài)指標(S)，主要包括地下水水源地水位、水質狀態(tài)和防污性能. 水位狀態(tài)表示因超采而導致的水位降幅及下降速率. 地下水質量及其變化反映了水源地所在地區(qū)發(fā)展過程中承受自然或人為污染脅迫的情況. 地下水防污性能是指來自地表的污染物到達最上層含水層的傾向性與可能性[34-35]. 防污性能主要用以反映地下水水源地對污染風險的防護能力，若回補影響區(qū)防污性能差，則地下水水源地抵抗回補產生的風險能力較弱.

d) 影響指標(I). 淺層含水層疏干程度用以表示超采導致的環(huán)境地質問題；各城市地面沉降面積占比表示因超采導致的地質災害程度；因水資源短缺導致的生活用水成本增加，通過生活用水單價來體現(xiàn).

e) 響應指標(R)，主要包括地下水水源地的回補空間、回補工程成本和回補效益. 回補空間是指二級保護區(qū)范圍內可用于儲水的淺層地層空間，由水源地二級保護區(qū)面積、最高限制水位與當前水位之差以及含水層介質給水度三者的乘積獲得. 回補工程條件在很大程度上決定了回補成本：可利用回補水源主要有水庫棄水和南水北調水源，由于地域差異，水庫棄水水質參差不齊，水質較差的水源在回補前需要對水源進行預處理，增加預處理成本；引水工程成本通過水源地與回補水源的距離來表示，距離增加則會增加工程成本；回補方式分為天然入滲場地和人工井渠工程兩種，人工井渠的建造會增加工程成本. 回補后效益指的是回補后供水成本節(jié)省，由于地下含水層具有自凈能力，因此通過地下水供水的經濟效益更高[36]. 而回補經濟效益大小以回補水源真正進入含水層的量為準，因此可分解為3個因子，即可供回補水量、入滲能力(入滲水量與回補水量之比)以及地下水比地表水單位供水量減少的處理成本(綜合水價的降低)[37].

通過上述文獻篩選法、定性篩選和進一步的專家打分及建議，最終指標體系及準則層劃分見圖2.

圖2 各準則層指標結構Fig.2 Evaluation indicators in each criterion of DPSIR

1.2.3指標層體系構建

1.2.3.1指標及其權重確定

根據(jù)1.2.2節(jié)對準則的屬性分析，通過文獻調研法，結合京津冀地區(qū)地下水水源地特點，遵循科學性、相對獨立性及定量化原則，在分析影響地下水水源地回補優(yōu)先性的關鍵因素基礎上，建立面向水源地回補優(yōu)先性評價的指標體系備選集.

指標初步確定后，進一步通過專家咨詢篩選和優(yōu)化評價指標，并對準則層及指標層的重要程度進行打分，重要程度分為5級，即不重要、一般、重要、很重要、極重要，分別對應1分、2分、3分、4分、5分. 為保證評價的準確性，選取來自多領域從事地下水回補相關研究工作的20位專家，包括水文領域(5位)、環(huán)境領域(6位)及水文地質領域(9位)，專家根據(jù)專業(yè)知識和在該地區(qū)的研究經驗等方面分析各指標對開展回補的影響程度，對指標重要性進行打分并提出優(yōu)化建議. 最終統(tǒng)計確定各準則層之間的相對權重以及各指標在各準則層內的相對權重.

1.2.3.2整體檢驗

通過對指標打分情況進行整體檢驗，規(guī)避指標選擇和打分存在的主觀性. 假設指標體系內有N個指標，M位專家參與打分，按照集中程度、離散程度、協(xié)調程度這三方面進行檢驗[38].

集中程度：

(1)

式中，ECi為第i個指標的意見集中程度，Eij為第i個指標第j級重要程度的得分，nij為對第i個指標評為第j級重要程度的人數(shù).ECi越大，表明該指標重要程度越高.

離散程度：

(2)

式中，δi為專家對第i個指標重要程度評價的分散程度,δi越小，說明對第i個指標的重要程度評價越集中，反之越分散.

協(xié)調程度：

Vi=δi/ECi

(3)

式中，Vi為協(xié)調程度，作為當集中和離散程度檢驗結果不一致時的參考，Vi越小，表示指標重要程度越高.

1.2.3.3閾值確定和數(shù)據(jù)標準化

在指標專家篩選及檢驗確定的基礎上，進一步確定指標的閾值，并根據(jù)其與回補的關系分為正負屬性. 指標屬性中的“正”表示指標在數(shù)值上取值越大，優(yōu)先性越高，“負”則反之.

為了保證不同指標數(shù)據(jù)加權疊加的合理性，對具有不同取值范圍和量綱差異的指標取值進行標準化，通過數(shù)值特征縮放，將有量綱的數(shù)值映射到數(shù)值范圍(0,1)區(qū)間內，最終使用標準化后的數(shù)值參與加權評價. 其中，標準化過程根據(jù)指標屬性的不同分為正向指標和負向指標.

正向指標映射：

(4)

負向指標映射：

(5)

式中，Xinorm+為第i個正向指標的值，Xinorm-為第i個負向指標的值，Ximin為第i個指標閾值的最小值，Ximax為第i個指標閾值的最大值.

1.2.3.4綜合性評價

在確定指標及其權重后，構建地下水水源地回補優(yōu)先性評價模型，通過加權疊加法進行計算：

(6)

式中，下標中的D、P、S、I、R分別對應驅動力、壓力、狀態(tài)、影響、響應準則層，Su為回補優(yōu)先性評價指數(shù)，n為準則層指標數(shù)量，ωDi、ωPi、ωSi、ωIi、ωRi分別為各準則層中的指標層權重，P(xDi)、P(xPi)、P(xSi)、P(xIi)、P(xRi)分別為標準化后各準則層的指標值，WD、WP、WS、WI、WR分別為各準則層的權重.

利用累頻法將計算的優(yōu)先性指數(shù)值進行排序和分級，按照優(yōu)先、較優(yōu)先、一般、暫不考慮、不適宜5個等級進行劃分. 其中，優(yōu)先性指數(shù)為0.8～1.0，表示具備良好的回補潛力且回補風險性小，回補效益高，定為優(yōu)先回補；優(yōu)先性指數(shù)為0.6～0.8，表示具備較好的回補潛力，且回補風險性較小，回補效益較高，定為較優(yōu)先；優(yōu)先性指數(shù)為0.4～0.6，表示僅具備一般條件的回補潛力，且回補風險性較小，回補效益較高，定為一般情況；優(yōu)先性指數(shù)為0.2～0.4，表示回補潛力較小或回補風險較大或回補效益較低的水源地，暫不考慮回補；優(yōu)先性指數(shù)為0～0.2，表示幾乎無回補潛力或回補風險大或回補效益低，為不適宜回補水源地.

2 結果與討論

2.1 評價指標整體檢驗、標準化處理及權重確定

2.1.1整體檢驗

按照式(1)～(3)對各指標及準則層進行整體檢驗，表1為DPSIR準則層專家打分和檢驗結果，表2為地下水水源地回補優(yōu)先性指標專家打分和檢驗結果. 從統(tǒng)計結果可以看出，20份打分問卷的集中程度(EC)均大于3.00，可用作評價指標. 其中，準則層中響應、狀態(tài)和壓力指標的重要程度最高，指標層中回補水源類型、淺層含水層儲水空間、區(qū)域淺層地下水質量、淺層含水層防污性能的重要程度最高，即地下水水源地回補的需求及回補工程實施可行性和效果是回補優(yōu)先性評價中最重要的因素.

表1 DPSIR準則層專家打分及檢驗結果

表2 地水源地回補優(yōu)先性指標專家打分及檢驗結果

2.1.2評價指標標準化及權重確定

根據(jù)專家打分計算出的平均得分比例，將其總和歸一化后，每個準則和指標的占比即為其權重(見表3). 準則層權重值相對較為平均，其中響應、壓力和狀態(tài)層的權重值較大. 指標層上各指標權重的區(qū)分性相對較大. 決定驅動力的主要指標為地區(qū)GDP增速；水質風險壓力作用程度比水量壓力略大；防污性能和區(qū)域淺層地下水質量是狀態(tài)層中最重要的指標；對影響層決定作用最大的指標為淺層含水層疏干程度與生活用水單價；對于體現(xiàn)回補措施的響應層，回補水源類型及淺層含水層儲水空間所起作用遠大于其他因素.

根據(jù)表3準則層權重計算可以看出：WR>WS>WP>WI>WD，響應、狀態(tài)和壓力指標的權重較大，是整

表3 準則層及指標層權重

個評價體系結果的主要決定準則，即回補過程中所涉及的技術可行性和工程成本效益是決定其優(yōu)先性的關鍵，同時水源地強烈的補水需求和社會發(fā)展壓力也在優(yōu)先篩選中起著重要作用. 對應指標層權重的分析可以發(fā)現(xiàn)，回補水源類型、淺層含水層儲水空間及回補方式、地下水質量現(xiàn)狀及防污性能的集中程度參數(shù)值(表示重要程度)明顯較高，是影響回補優(yōu)先性的主要因素.

2.2 評價結果

基于獲取的指標數(shù)據(jù)，利用構建的綜合指數(shù)評價模型，對京津冀地區(qū)76個備選地下水水源地回補優(yōu)先性進行分級篩選(見圖3). 總體來看，優(yōu)先回補的水源地有13個，較優(yōu)先回補的水源地有19個，幾乎都集中分布在以南水北調中線工程為軸的山前沖洪積扇地區(qū). 地下水水源地主要受水文地質條件和可利用回補水源的影響，從山前到中部平原再到濱海地區(qū)，地下水水源地回補優(yōu)先性呈下降趨勢.

壓力層中起主導作用的指標為工業(yè)廢水排放強度的潛在污染以及淺層地下水位降幅. 由于超采，京津冀平原山前沖洪積扇地區(qū)水位下降嚴重，產生了許多大范圍的地下水漏斗，而中東部湖積濱海平原如滄州、天津平原區(qū)等區(qū)域，由于其地處地下水排泄區(qū)，水位埋深小，加之淺層地下水局部咸水分布，水質較差，開采程度低，水位下降并不明顯. 唐山山前地區(qū)雖然有一定的回補空間和回補水源條件，但由于水源地水質較差及周邊潛在污染源分布[39]，降低了其回補的優(yōu)先性，因此無論從水質還是回補空間角度都暫不考慮回補.

狀態(tài)層中起主導作用的指標為區(qū)域地下水質量、淺層含水層防污性能、地下水位下降速率. 通過DRASTIC評價得到的防污性能總體上表現(xiàn)為山前和河道帶防污性能較弱，平原其他地區(qū)相對較強，京津冀尺度上影響趨勢不明顯；淺層地下水質量總體上自山前沖洪積到中部平原及東部濱海平原逐漸變差，導致優(yōu)先性下降. 京津冀山前平原地區(qū)為滿足用水需求，不得不持續(xù)超采，進而導致持續(xù)下降，近年來壓采政策的實施使得下降速率有所降低，但對回補仍舊有巨大的需求.

影響層中起主導作用的是淺層含水層疏干程度和表征用水成本的生活用水單價. 京津冀平原區(qū)西部、北部山前地區(qū)淺層含水層厚度相對較大，加之常年強烈開采，使得淺層含水層大范圍疏干，局部地區(qū)(如石家莊市區(qū)、寧柏隆地區(qū))的疏干程度超過50%，對回補措施形成強烈需求. 京津冀地區(qū)居民用水單價均使用三級階梯水價，對各城市第一階梯綜合水價的對比發(fā)現(xiàn)，北京、邢臺、保定等位于京津冀沖洪積扇地區(qū)的大型城市水價較高，間接說明該地區(qū)生活用水資源缺乏，需要通過回補措施加以改善.

響應層中起主導作用的是回補水源類型、淺層含水層儲水空間及回補方式. 京津冀地區(qū)地表水和地下水水源地都集中分布在山前傾斜平原上，由于山前傾斜平原的特殊位置，地下水水源地含水層厚度大、顆粒粗、給水能力強. 另外，自20世紀50年代以來，京津冀地區(qū)在太行山、燕山等沿線修建了31座大型水庫，控制山區(qū)超過70%的徑流量. 這些水庫均處在沖洪積扇的頂端且大多以防洪為主，每年都有相當可觀的棄水. 由于山前水位埋深較大，且因開采形成水位下降，導致西部山前地區(qū)的回補空間遠大于中東部平原. 從回補方式來看，天然的回補方式取決于地表及包氣帶地質條件，山前沖洪積扇及靠近回補水源寬闊河道帶地區(qū)為理想的天然回補場所. 綜上，京津冀地區(qū)適宜回補的水源地滿足“有理想的儲水空間、有良好的入滲能力及補給場所、有可靠的補給水源”的基本條件，這也與該文中DPSIR模型評價結果相一致.

3 結論

a) 在綜合分析京津冀地下水水源地實際情況的基礎上，借助DPSIR模型理念，針對回補優(yōu)先性問題對模型進行了合理改進，從驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應因果關系鏈的角度出發(fā)，基于自然條件、社會需求、經濟發(fā)展等方面綜合分析了影響地下水水源地回補的關鍵因素，又從回補措施角度分析了其技術條件和效益，篩選出涵蓋5個準則層21個指標的綜合評價指標集，該指標能全面地分析地下水水源地的回補潛力、回補風險和經濟效益，實現(xiàn)多角度、客觀識別影響地下水水源地回補優(yōu)先性的因素.

b) 利用建立的基于改進的DPSIR模型的地下水水源地回補優(yōu)先性評價體系對京津冀地區(qū)76個水源地回補優(yōu)先性進行評價、分級、篩選. 評價結果表明，位于京津冀山前的沖洪積扇地區(qū)在水源地回補中最應優(yōu)先考慮，中部平原水源地大多為一般或暫不考慮，東部平原區(qū)地下水水源地普遍不適宜回補. 地下水水源地的回補水源類型、淺層含水層儲水空間、地下水質量、防污性能是影響回補優(yōu)先性的主要因素.