Resources Science
第31卷第3期2009年3月
2009，31（3）：368-374
Vol. 31，No. 3Mar. ，
2009
文章编号：1007-7588（2009）03-0368-07
华北平原地下水的功能特征与功能评价
张光辉1，杨丽芝2，聂振龙1，申建梅1，王金哲1，严明疆1
（1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄050061；
2. 山东省地质调查院，济南250013）
摘要：本文针对华北地下水评价中偏重资源而对地下水的生态功能和地质环境功能重视不足的问题，立足于华北平原地下水系统，从地下水的自然属性切入，以综合发挥地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能为目标，应用系统论和层次分析法，提出了地下水功能的基本理念及其评价关键技术，包括如何构建评价指标体系和评价成果区划应用分析方法，将地下水的资源供给功能、生态维持功能和地质环境稳定功能统一在水循环系统中科学评价，以达到充分发挥地下水主要功能的综合效益最佳的目标。最后，以华北滹沱河流域作为示范区进行实证分析，结果表明，本文提出的评价方法具有很强的实用性，可划分以资源功能为主或以地质环境功能保护为主的适宜区域，这为调控区域地下水的资源功能与地质环境功能之间矛盾方面提供重要的科学基础。
关键词：华北平原；地下水功能；生态与环境约束；评价指标体系；可持续性
1引言
自20世纪50年代以来，华北平原气候旱化、地下水过度开发利用和地表水长期大规模地拦蓄，从源、汇两个方向加剧了该平原地下水系统水量负均衡，导致区域性地下水位降落漏斗出现并不断扩大，地面沉降和海咸水入侵等问题日趋严重[1]。这与以往偏重地下水的资源供给功能（简称“资源功能”），忽视地下水的地质环境稳定功能（简称“地质环境功能”）和生态环境维持功能（简称“生态功能”）密切相关[2~5]。
仅从地下水系统的水量均衡角度考虑，以往华北平原地下水资源评价结果一般是可持续的，但是事实上却出现了严重的问题，即使严格按可开采量约束，也会如此[6~8]。问题出现在评价理论及方法上，在确定可开采量时没有充分考虑地下水的地质环境功能和生态功能对水量的需求，也没有充分考虑到河道长期干涸和地下水位持续下降对地下水
7~10]
补给的影响[1~2，，所以会出现以消耗资源、牺牲环
论及方法急需在指导思想、理念和方法诸方面体现人与自然和谐的思想，按新的要求进行完善和发展
[8，11]
。这样，才有可能充分发挥地下水的资源功能、
生态功能和地质环境功能的整体最佳效益，真正地
12~15]
实现地下水的可持续利用[4~5，。
2地下水功能类型与系统组成
2.1地下水功能概念与类型
华北平原的地下水功能是指区域的各个流域尺度地下水系统中水的质和量及其在空间和时间上的变化对人类社会和环境所产生的作用或效应，包括地下水的资源功能、生态环境功能、地质环境
16~17]功能[11，、水资源调蓄和调节功能等，本文重点讨
论前3项功能。
2.1.1资源功能该功能是指具备一定的补给、储存和更新条件的地下水资源供给保障作用或效应，具有相对独立、稳定的补给源和水的供给保障能力。华北平原地下水的资源功能已被充分开发利用，甚至削弱了地下水的地质环境功能和生态环境功能。在山前平原，浅层地下水资源功能被开发利
境为代价的开发利用过程。因此地下水的评价理
收稿日期：2008-12-12；修订日期：2009-02-05
基金项目：中国地质调查局国土资源大调查项目（编号：[1**********]51）；国家科技支撑项目（编号：2007BAD69B02）；国家973课题（编号：2006CB403401）；国土资源大调查项目（编号：[1**********]51）。
作者简介：张光辉，男，辽宁沈阳人，研究员，博士生导师，长期从事区域水循环演化和地下水可持续利用研究。E-mail ：[email protected]
张光辉等：华北平原地下水的功能特征与功能评价
２００９年３月
发利用中存在不少问题，例如沧州地区地面沉降累
计最大值已达1681mm 。2.1.2地质环境功能（Groundwater Geologic Envi-ronment Function ）该功能是指地下水系统对其所赋存的地质环境稳定性所具有支撑和保护的作用或效应，如果地下水系统发生变化，则地质环境出现相应的改变。在华北平原，由于深层地下水开采引发较严重的地面沉降问题，所以在该区地下水功能评价中需要重视地下水的地质环境功能研究，特别是在中东部平原区它与地下水的资源功能之间
用的比较充分，甚至过度，年均超采量达到27.8×108m 3；在中、东部平原，深层地下水资源功能被开
关系。
2.1.3生态功能（Groundwater Ecological Function ）该功能是指地下水系统对陆表植被或湖泊、湿地或土地质量良性维持的作用或效应，如果地下水系统发生变化，则生态环境出现相应的改变。
华北平原的地下水生态功能不显著，主要表现在东部滨海平原和河道两岸。自20世纪70年代以来，东部滨海平原的地下水生态功能在向良性方面变化，太行山前平原处于弱化状态。2.2地下水功能系统及组成特征
在华北平原，地下水的资源功能、地质环境功能和生态功能共处于统一的地下水循环系统中，受
[1~2]
气候变化和人类活动两个圈层的影响（图1）。其中，气候变化不仅影响地下水系统输入（补给）水量，制约地下水更新动源能力，而且对该系统的输出（消耗）水量也产生重要影响，同时还通过影响人类用水强度和规模（图2a ），间接影响人工开采输出水量。人类活动主要通过不断增大开采量干扰地
图1地下水系统与影响圈层间模式及其功能相互关系
Fig.1Relationship among groundwater function and the influence
systems , and its functions each other
下水功能系统状态（图2b ）。
当然，在滦河地下水系统、海河地下水系统和古黄河地下水系统，以及它们所属的5个地下水子系统，或7个三级地下水系统中，由于它们各自所处地理位置和地下水埋藏条件的不同，所以各自具有不同的分带性。例如滦河地下水系统中古河道带平原缺失，永定河、大清河和子牙河在滨海区由于河道的变迁已难以区分，古黄河下水系统是黄河控制下的自产独立河流与地下水系统的统一。这些都是影响地下水功能状况的难以根本性改变条件，它们决定着地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能及其10个属性根基，致使它们在三维空间分布上存在较大的天然差异，不同分区的地下水优势功能和脆弱功能各不相同，它们的可利用性和可调
图2华北平原降水量变化和人类活动对地下水系统水量输入与输出强度影响
Fig.2Influence of rainfall change and human activity to groundwater recharge and pumpage
注：a. 地下水补给量、开采量与降水量的关系；b. 开采量变化与人口、粮食产量的关系
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节性更是差别不小。
从图1可见，在华北平原地下水功能系统中，存在一部分相对独立的资源功能（图1中B 1区）、生态功能（图1中B 2区）和地质环境功能（图1中B 3区），这往往是它们优势功能分布范畴。图1中I 、II 和III 区是两两功能彼此相互制约的功能区，为地下水功能可调控的区域。SOS 区是多个功能交互制约的功能区，也是地下水功能系统最为脆弱的区带。由此可见，华北平原地下水的“资源功能”仅是地下水功能的一部分，“生态功能”和“地质环境功能”也是地下水的不可忽视、重要组成部分，它们彼此制约和相互作用。B 1、B 2和B 3区作为圈定华北平原地下水各功能开发利用或保护的合理限域。I 、II 和III 区是不宜长期开发利用区，其利用需要考虑气候变化情况，特别是在连年枯水期更需要谨慎对待，应确保后期具有足够的修复能力或条件。SOS 区理论上是严格禁止大规模开发利用的，因为这是最为脆弱的地下水功能限域，无论地下水的哪一功能过度强化，都必然引起地下水的其他功能的相应变化。
体系如图3所示，它由系统目标层（A ）、准则功能层（B ）、属性指标层（C ）和要素指标层（D ）等4级层次结构组成。
A 层是华北平原地下水项目研究的总目标，即地下水可持续利用性。B 层是描述总目标的功能准则，由资源功能B 1、生态功能B 2和地质环境功能B 3个指标构成，即C 1，C 2，C 3，…，C m ，是各功能状况的评构成。C 层是描述各功能层（B ）由m i 的属性指标，价基础。D 层是描述各属性指标（C ）i 的最基础要
素，它们分别从不同侧面反映地下水系统某一属性状况，是具体评价的基本指标，由n 个指标构成，包3.2.2
括D 1，D 2，D 3，…，D n 。
评价标准与关键技术华北平原地下水功能
评价结果的评判标准如表1所示，包括属性评价标准、功能评价标准和系统综合评价标准。
如何构建评价指标体系是华北平原地下水功能评价成果可用性大小的关键，要点有二：
（1）遴选哪些指标作为支撑地下水功能10个属性（见图3）的具体指标，要求这些指标能够客观表达地下水的相应自然属性，同时兼顾必要的社会属性。如果指标过多，会带来不必要的基础资料处理实物工作量；如果指标过少或指标不够准确，会明显影响评价结果精度和可靠性。
（2）如何确定评价范围，如果华北平原内各省市分别构筑各自的评价指标体系和标准，那么将存在如下问题：①无法集成华北平原的区域性成果；②无法进行跨省市的分区地下水功能状况比较；③将导致不同省市相同评价结果，而内涵不同。例如同是地下水资源功能I 级区，如果分布在北京地区，则地下水可持续开采利用性很强；如果是在天津，则地下水可持续利用性只能是较强或一般。原因是北京与天津的评价基点不同，进而同级结果的内涵不同。即使是华北平原各省市采用统一的评价指标体系，而在资料处理时没有采用统一的归一化极值，也同样存在上述问题。因此，对于华北平原而言，必须采用统一的地下水功能评价指标体系和标准，即D 层所有指标在[0，1]区间的基值和物理意义完全相同，这样才能获得具有跨省市区可对比性和较大实用性的地下水功能评价成果。
16~17]
3.3评价方法的选择[11，
3评价原则、体系与方法
3.1评价原则确定
在华北平原地下水功能评价中，遵循5项原则：（1）立足于地下水自然属性，兼顾长期人为因素影响下的社会属性，以人与自然协调、可持续发展为根本目标。
（2）以流域尺度地下水循环规律作为研究基础，以华北平原地下水系统作为评价体系（主体对象），以其一、二、三级分区作为构建地下水功能评价体系单元剖分的基础单元。
（3）以中国地质调查局发布的《地下水功能评价与区划技术要求》（GWI-D5）为技术指针，尽可能地多目标保护、多功能互补和综合发挥作用。
（4）重点评价地下水的各功能区位特征及主要自然属性状况，重视前期资料及成果的利用。
（5）各分区或各省市地下水功能评价与区划，应以华北平原地下水功能评价的剖分单元及其编码体系、评价指标体系、数据处理及其归一化指标体系、评价结果的分级标准为技术支撑，结合各省市地方的社会属性，开展各自的地下水功能评价和区划。这样，评价成果才具有可对比性和更广泛的
16~17]
实用性[11，。3.2评价体系构建
3.2.1体系的层次结构华北平原地下水功能评价能（B 1）、生态功能（B 2）和地质环境功能（B 3）的组合
首先根据可持续利用原则，确定地下水资源功
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图3华北平原地下水功能评价体系的层次结构模型示意
Fig.3The framework of indictor system for groundwater function assessment
群拟实现的总目标及其权值关系1）。为了实现B 层对总目标的描述，以A 层的要求为准则，对B 层指
标进行相对重要性的两两比较，将得到系统（A ）层的判断矩阵：
A ={b ij |i ，j =1~n }n×m
对A 层各要素的重要性如下：b 1，1表示针资源功
（1）
在上述工作基础上，构建A 层→B 层、B 层→C 层、C 层→D 层权重的综合判断矩阵，然后进行层次排序及求解权向量，即确定上述各判断矩阵的同一层次各因子对于上一层次某指标相对重要性的排序
T
向量W =（W 1，W 2，…，Wn ），其标准化向量W 为：
权值，并检验和修正各判断矩阵的一致性。对于正
资源功能对生态功能的相对重要性，为B 1/B 2；b 1，3表B 3；b 2，为1表示生态功能对资源功能的相对重要性，为B 2/B 2=1；b 2，3表示生态功能对地质环境功能的相
能对水资源功能的相对重要性，为B 1/B 1=1；b 1，2表示
示资源功能对地质环境功能的相对重要性，为B 1/
上一层次某个指标相对重要性的排序权值。
（2）
T
W s 2，…，W sn ）为同一层次相应因子对于式中W （s W s 1，
B 2/B 1；b 2，2表示生态功能对生态功能的相对重要性，能的相对重要性，为B 3/B 1；b 3，2表示地质环境功能对
对重要性，为B 2/B 3；b 3，1表示地质环境功能对资源功功能对地质环境功能的相对重要性，为B 3/B 3=1。
对判断矩阵需要进行一致性检验，直到判断矩阵具有满意的一致性为止。在此基础上确定层次总排序权值。若上一层次A 包含m 个因子B 1，B 2，…，B m ，其层次总排序权值分别为a 1，a 2，…，a m ；下
生态功能的相对重要性，为B 3/B 2；b 3，3表示地质环境
表1地下水功能评价的分级与标准
Table 1The grading criteria for groundwater function assessment
分级与标准
地下水可持续性状况地下水功能状况
综评指数值状况分级功能指数值状况分级级别代码
地下水属性状况
属性指数值状况分级
可持续性弱
可持续性较弱
较强可持续性一般
可持续性较强
较弱可持续性强
0~0.17
弱V
0.84~1.00
强I
0.67~0.84
II
0.34~0.67
一般III
0.17~0.34
IV
0~0.2差
0.2~0.4较差
0.4~0.6一般
0.6~0.8较好
0.8~1.0
好
hierarchy process.McGraw-Hill Company ，1980.
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于因子B j 的层次单排序权值分别为b 1j ，b 2j ，…，b nj （当C k 与B j 无关系时，b kj =0）。
获得各因子总排序权值（a ）利用下列公式i 后，计算综合评价指数（R ）
:
（3）
X i 为评价参数，等于式中a i 为评价参数的权值；Σ（d i /dmax ）或Σ（d i /d阈）；n 为评价参数的个数。
根据计算出的一系列R 值，绘制相关指标等值线图，圈定地下水功能状况分区，如图4所示；然后对照相应层次的评价分级标准，判别评价对象的状况，并作出评价。
一层次B 包含n 个因子C 1，C 2，…，C k ，…，C n ，它们对
4实证分析
根据上述方法，对华北平原滹沱河流域进行了实证分析，结果如图4所示。
从图4可以看出，研究区的西北部地下水资源功能较强（图4a ），生态功能较弱（图4b ），同时除了石家庄地下水漏斗区的地质环境功能较强之外，西北部其他区的地质环境功能都较弱（图4c ）。因此，南北部适宜规模开采，同时适当重视地质环境功能的保护，而这里的地下水开发利用对西北部生态环
境可能产生的影响较弱，可作为石家庄的重要水源
地目标区。
在研究区东南部的宁柏隆漏斗分布区，地下水资源功能最弱（图4a ），这里不仅严重超采，而且地层富水性也较差，部分地段含水层已经被疏干。该区的生态功能（图4b ）和地质环境功能都较强（图4c ），大规模开采地下水可能会引起地质环境或生态环境方面的问题，因此不适宜大规模开采，相反需要加强地质环境功能和生态功能的涵养和保护。在正定-深泽-安平一带，地下水开发利用具有较强的可持续性，而东南部地下水可持续利用性则十分脆弱（图4d ），急需采取保护措施，包括减采对策。
通过上述示例表明，在华北平原开展地下水功能评价对指导合理利用地下水资源，同时防控保护地下
18~21]
水的生态功能和地质环境功能具有重要作用[4~5，。
目前，华北平原各省市地调单位应用上述方法已完成各省市以及全区的区域地下水功能评价与区划1），结果表明地下水的资源优势功能区主要分布在燕山和太行山前地带，以及南部的沿黄地带。生态功能保护区主要分布在渤海湾北部的唐海县一带和山东河口区以北，那里的地下水位埋深浅，为半咸水和咸水。地质环境功能保护区主要分布
图4华北滹沱河流域地下水功能评价结果
Fig.4The results of groundwater function assessment in the catchment of the Hutuohe River ，North China Plan
注：指数愈大，对应功能愈强。
华北平原及各省市区地下水可持续利用调查评价，中国地质调查局，
2007.
张光辉等：华北平原地下水的功能特征与功能评价
２００９年３月
在中东部平原地下水开采漏斗区和东部滨海平原
咸水分布区，如德州漏斗、冀枣衡漏斗。
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5结语
如何正确认识和评价华北平原区域地下水超采与地面沉降等环境地质之间矛盾，促使地下水的资源功能、生态功能和环境地质功能均能良好发挥，使它们的综合效益最佳，面临缺少评价理论方法的难题。本文针对这一问题，即在华北平原地下水评价中偏重资源功能而对地下水的生态功能和地质环境功能重视不足的问题，立足于区域地下水系统，从地下水的自然属性切入，应用系统论和层次分析方法，提出了地下水功能的基本理念及其评价关键技术，包括如何构建评价指标体系和评价成果区划应用分析方法。最后，以华北滹沱河流域作为示范区进行实证分析，结果表明本文方法具有实用性，明确地划分出以资源功能为主、或以地质环境功能保护为主的不同区域，可为调控区域地下水的资源功能与地质环境功能之间矛盾提供科学依据。
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ZHANG Guanghui 1，YANG Lizhi 2，NIE Zhenlong 1，SHEN Jianmei 1，WANG Jinzhe 1，YAN Mingjiang 1
（1. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, CAGS, Shijiazhuang 050061，China ；
2. Shandong Institute of Geological Survey, Jinan 250013，China ）
Abstract:In the past decades, the assessment on groundwater disaster was carried out with more
emphases on its resource attributes rather than its ecological and geological environment function in North China plain, which led to many environmental problems. To comprehensively realize groundwater resource function, ecological function and geological environment function and focuse on the natural attributes of groundwater system, we used the regional water cycle theory, systematology and the analytic hierarchy process method (AHP)to develope the primary concepts and methodology of groundwater function assessment, including rules, criteria, mathematic method and indicator system. Then a case study was carried out in the catchment of Hutuohe river basin as the typical area of North China Plain, by which the connotation of groundwater function was enriched and the regionalization method was improved. Although the methodology discussed in this paper has already been adopted by the China Geological Survey in The Technical Requirements of the Investigation and Assessment of National Groundwater Resource and the Relevant Environmental Problems(No.2),it should be pointed out that groundwater function assessment is a new subject in China and there are still many conresponding problems that need solving, so the theory and methodology should be tested and improved in vast practice. Only in this way could the theory and methodology become more concrete for assessing groundwater and social economy development. The purpose of this paper is to collect advices or directions from hydrogeological experts. The assessment on groundwater function has greatly progressed in the neglected problems of groundwater ecological and geological environment from unreasonable exploitation of groundwater in North China. But there are some problems about how to understand and choose the attribute index of the assessment system of groundwater function, which affect assessment results. To understand and choose the attribute index is of great importance to the assessment results, because the attribute index is the core index of the assessment system of the groundwater function. The constitution, primary concepts, characteristic and meanings of the attributive index of groundwater function assessment system has been expounded in this paper. Key words ：North China Plain ；Regional groundwater ；Ecological function ；Geo-environmental function ；Assessment ；Methodology
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2009，31（3）：368-374
Vol. 31，No. 3Mar. ，
2009
文章编号：1007-7588（2009）03-0368-07
华北平原地下水的功能特征与功能评价
张光辉1，杨丽芝2，聂振龙1，申建梅1，王金哲1，严明疆1
（1. 中国地质科学院水文地质环境地质研究所，石家庄050061；
2. 山东省地质调查院，济南250013）
摘要：本文针对华北地下水评价中偏重资源而对地下水的生态功能和地质环境功能重视不足的问题，立足于华北平原地下水系统，从地下水的自然属性切入，以综合发挥地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能为目标，应用系统论和层次分析法，提出了地下水功能的基本理念及其评价关键技术，包括如何构建评价指标体系和评价成果区划应用分析方法，将地下水的资源供给功能、生态维持功能和地质环境稳定功能统一在水循环系统中科学评价，以达到充分发挥地下水主要功能的综合效益最佳的目标。最后，以华北滹沱河流域作为示范区进行实证分析，结果表明，本文提出的评价方法具有很强的实用性，可划分以资源功能为主或以地质环境功能保护为主的适宜区域，这为调控区域地下水的资源功能与地质环境功能之间矛盾方面提供重要的科学基础。
关键词：华北平原；地下水功能；生态与环境约束；评价指标体系；可持续性
1引言
自20世纪50年代以来，华北平原气候旱化、地下水过度开发利用和地表水长期大规模地拦蓄，从源、汇两个方向加剧了该平原地下水系统水量负均衡，导致区域性地下水位降落漏斗出现并不断扩大，地面沉降和海咸水入侵等问题日趋严重[1]。这与以往偏重地下水的资源供给功能（简称“资源功能”），忽视地下水的地质环境稳定功能（简称“地质环境功能”）和生态环境维持功能（简称“生态功能”）密切相关[2~5]。
仅从地下水系统的水量均衡角度考虑，以往华北平原地下水资源评价结果一般是可持续的，但是事实上却出现了严重的问题，即使严格按可开采量约束，也会如此[6~8]。问题出现在评价理论及方法上，在确定可开采量时没有充分考虑地下水的地质环境功能和生态功能对水量的需求，也没有充分考虑到河道长期干涸和地下水位持续下降对地下水
7~10]
补给的影响[1~2，，所以会出现以消耗资源、牺牲环
论及方法急需在指导思想、理念和方法诸方面体现人与自然和谐的思想，按新的要求进行完善和发展
[8，11]
。这样，才有可能充分发挥地下水的资源功能、
生态功能和地质环境功能的整体最佳效益，真正地
12~15]
实现地下水的可持续利用[4~5，。
2地下水功能类型与系统组成
2.1地下水功能概念与类型
华北平原的地下水功能是指区域的各个流域尺度地下水系统中水的质和量及其在空间和时间上的变化对人类社会和环境所产生的作用或效应，包括地下水的资源功能、生态环境功能、地质环境
16~17]功能[11，、水资源调蓄和调节功能等，本文重点讨
论前3项功能。
2.1.1资源功能该功能是指具备一定的补给、储存和更新条件的地下水资源供给保障作用或效应，具有相对独立、稳定的补给源和水的供给保障能力。华北平原地下水的资源功能已被充分开发利用，甚至削弱了地下水的地质环境功能和生态环境功能。在山前平原，浅层地下水资源功能被开发利
境为代价的开发利用过程。因此地下水的评价理
收稿日期：2008-12-12；修订日期：2009-02-05
基金项目：中国地质调查局国土资源大调查项目（编号：[1**********]51）；国家科技支撑项目（编号：2007BAD69B02）；国家973课题（编号：2006CB403401）；国土资源大调查项目（编号：[1**********]51）。
作者简介：张光辉，男，辽宁沈阳人，研究员，博士生导师，长期从事区域水循环演化和地下水可持续利用研究。E-mail ：[email protected]
张光辉等：华北平原地下水的功能特征与功能评价
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发利用中存在不少问题，例如沧州地区地面沉降累
计最大值已达1681mm 。2.1.2地质环境功能（Groundwater Geologic Envi-ronment Function ）该功能是指地下水系统对其所赋存的地质环境稳定性所具有支撑和保护的作用或效应，如果地下水系统发生变化，则地质环境出现相应的改变。在华北平原，由于深层地下水开采引发较严重的地面沉降问题，所以在该区地下水功能评价中需要重视地下水的地质环境功能研究，特别是在中东部平原区它与地下水的资源功能之间
用的比较充分，甚至过度，年均超采量达到27.8×108m 3；在中、东部平原，深层地下水资源功能被开
关系。
2.1.3生态功能（Groundwater Ecological Function ）该功能是指地下水系统对陆表植被或湖泊、湿地或土地质量良性维持的作用或效应，如果地下水系统发生变化，则生态环境出现相应的改变。
华北平原的地下水生态功能不显著，主要表现在东部滨海平原和河道两岸。自20世纪70年代以来，东部滨海平原的地下水生态功能在向良性方面变化，太行山前平原处于弱化状态。2.2地下水功能系统及组成特征
在华北平原，地下水的资源功能、地质环境功能和生态功能共处于统一的地下水循环系统中，受
[1~2]
气候变化和人类活动两个圈层的影响（图1）。其中，气候变化不仅影响地下水系统输入（补给）水量，制约地下水更新动源能力，而且对该系统的输出（消耗）水量也产生重要影响，同时还通过影响人类用水强度和规模（图2a ），间接影响人工开采输出水量。人类活动主要通过不断增大开采量干扰地
图1地下水系统与影响圈层间模式及其功能相互关系
Fig.1Relationship among groundwater function and the influence
systems , and its functions each other
下水功能系统状态（图2b ）。
当然，在滦河地下水系统、海河地下水系统和古黄河地下水系统，以及它们所属的5个地下水子系统，或7个三级地下水系统中，由于它们各自所处地理位置和地下水埋藏条件的不同，所以各自具有不同的分带性。例如滦河地下水系统中古河道带平原缺失，永定河、大清河和子牙河在滨海区由于河道的变迁已难以区分，古黄河下水系统是黄河控制下的自产独立河流与地下水系统的统一。这些都是影响地下水功能状况的难以根本性改变条件，它们决定着地下水的资源功能、生态功能和地质环境功能及其10个属性根基，致使它们在三维空间分布上存在较大的天然差异，不同分区的地下水优势功能和脆弱功能各不相同，它们的可利用性和可调
图2华北平原降水量变化和人类活动对地下水系统水量输入与输出强度影响
Fig.2Influence of rainfall change and human activity to groundwater recharge and pumpage
注：a. 地下水补给量、开采量与降水量的关系；b. 开采量变化与人口、粮食产量的关系
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第31卷第3期
节性更是差别不小。
从图1可见，在华北平原地下水功能系统中，存在一部分相对独立的资源功能（图1中B 1区）、生态功能（图1中B 2区）和地质环境功能（图1中B 3区），这往往是它们优势功能分布范畴。图1中I 、II 和III 区是两两功能彼此相互制约的功能区，为地下水功能可调控的区域。SOS 区是多个功能交互制约的功能区，也是地下水功能系统最为脆弱的区带。由此可见，华北平原地下水的“资源功能”仅是地下水功能的一部分，“生态功能”和“地质环境功能”也是地下水的不可忽视、重要组成部分，它们彼此制约和相互作用。B 1、B 2和B 3区作为圈定华北平原地下水各功能开发利用或保护的合理限域。I 、II 和III 区是不宜长期开发利用区，其利用需要考虑气候变化情况，特别是在连年枯水期更需要谨慎对待，应确保后期具有足够的修复能力或条件。SOS 区理论上是严格禁止大规模开发利用的，因为这是最为脆弱的地下水功能限域，无论地下水的哪一功能过度强化，都必然引起地下水的其他功能的相应变化。
体系如图3所示，它由系统目标层（A ）、准则功能层（B ）、属性指标层（C ）和要素指标层（D ）等4级层次结构组成。
A 层是华北平原地下水项目研究的总目标，即地下水可持续利用性。B 层是描述总目标的功能准则，由资源功能B 1、生态功能B 2和地质环境功能B 3个指标构成，即C 1，C 2，C 3，…，C m ，是各功能状况的评构成。C 层是描述各功能层（B ）由m i 的属性指标，价基础。D 层是描述各属性指标（C ）i 的最基础要
素，它们分别从不同侧面反映地下水系统某一属性状况，是具体评价的基本指标，由n 个指标构成，包3.2.2
括D 1，D 2，D 3，…，D n 。
评价标准与关键技术华北平原地下水功能
评价结果的评判标准如表1所示，包括属性评价标准、功能评价标准和系统综合评价标准。
如何构建评价指标体系是华北平原地下水功能评价成果可用性大小的关键，要点有二：
（1）遴选哪些指标作为支撑地下水功能10个属性（见图3）的具体指标，要求这些指标能够客观表达地下水的相应自然属性，同时兼顾必要的社会属性。如果指标过多，会带来不必要的基础资料处理实物工作量；如果指标过少或指标不够准确，会明显影响评价结果精度和可靠性。
（2）如何确定评价范围，如果华北平原内各省市分别构筑各自的评价指标体系和标准，那么将存在如下问题：①无法集成华北平原的区域性成果；②无法进行跨省市的分区地下水功能状况比较；③将导致不同省市相同评价结果，而内涵不同。例如同是地下水资源功能I 级区，如果分布在北京地区，则地下水可持续开采利用性很强；如果是在天津，则地下水可持续利用性只能是较强或一般。原因是北京与天津的评价基点不同，进而同级结果的内涵不同。即使是华北平原各省市采用统一的评价指标体系，而在资料处理时没有采用统一的归一化极值，也同样存在上述问题。因此，对于华北平原而言，必须采用统一的地下水功能评价指标体系和标准，即D 层所有指标在[0，1]区间的基值和物理意义完全相同，这样才能获得具有跨省市区可对比性和较大实用性的地下水功能评价成果。
16~17]
3.3评价方法的选择[11，
3评价原则、体系与方法
3.1评价原则确定
在华北平原地下水功能评价中，遵循5项原则：（1）立足于地下水自然属性，兼顾长期人为因素影响下的社会属性，以人与自然协调、可持续发展为根本目标。
（2）以流域尺度地下水循环规律作为研究基础，以华北平原地下水系统作为评价体系（主体对象），以其一、二、三级分区作为构建地下水功能评价体系单元剖分的基础单元。
（3）以中国地质调查局发布的《地下水功能评价与区划技术要求》（GWI-D5）为技术指针，尽可能地多目标保护、多功能互补和综合发挥作用。
（4）重点评价地下水的各功能区位特征及主要自然属性状况，重视前期资料及成果的利用。
（5）各分区或各省市地下水功能评价与区划，应以华北平原地下水功能评价的剖分单元及其编码体系、评价指标体系、数据处理及其归一化指标体系、评价结果的分级标准为技术支撑，结合各省市地方的社会属性，开展各自的地下水功能评价和区划。这样，评价成果才具有可对比性和更广泛的
16~17]
实用性[11，。3.2评价体系构建
3.2.1体系的层次结构华北平原地下水功能评价能（B 1）、生态功能（B 2）和地质环境功能（B 3）的组合
首先根据可持续利用原则，确定地下水资源功
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图3华北平原地下水功能评价体系的层次结构模型示意
Fig.3The framework of indictor system for groundwater function assessment
群拟实现的总目标及其权值关系1）。为了实现B 层对总目标的描述，以A 层的要求为准则，对B 层指
标进行相对重要性的两两比较，将得到系统（A ）层的判断矩阵：
A ={b ij |i ，j =1~n }n×m
对A 层各要素的重要性如下：b 1，1表示针资源功
（1）
在上述工作基础上，构建A 层→B 层、B 层→C 层、C 层→D 层权重的综合判断矩阵，然后进行层次排序及求解权向量，即确定上述各判断矩阵的同一层次各因子对于上一层次某指标相对重要性的排序
T
向量W =（W 1，W 2，…，Wn ），其标准化向量W 为：
权值，并检验和修正各判断矩阵的一致性。对于正
资源功能对生态功能的相对重要性，为B 1/B 2；b 1，3表B 3；b 2，为1表示生态功能对资源功能的相对重要性，为B 2/B 2=1；b 2，3表示生态功能对地质环境功能的相
能对水资源功能的相对重要性，为B 1/B 1=1；b 1，2表示
示资源功能对地质环境功能的相对重要性，为B 1/
上一层次某个指标相对重要性的排序权值。
（2）
T
W s 2，…，W sn ）为同一层次相应因子对于式中W （s W s 1，
B 2/B 1；b 2，2表示生态功能对生态功能的相对重要性，能的相对重要性，为B 3/B 1；b 3，2表示地质环境功能对
对重要性，为B 2/B 3；b 3，1表示地质环境功能对资源功功能对地质环境功能的相对重要性，为B 3/B 3=1。
对判断矩阵需要进行一致性检验，直到判断矩阵具有满意的一致性为止。在此基础上确定层次总排序权值。若上一层次A 包含m 个因子B 1，B 2，…，B m ，其层次总排序权值分别为a 1，a 2，…，a m ；下
生态功能的相对重要性，为B 3/B 2；b 3，3表示地质环境
表1地下水功能评价的分级与标准
Table 1The grading criteria for groundwater function assessment
分级与标准
地下水可持续性状况地下水功能状况
综评指数值状况分级功能指数值状况分级级别代码
地下水属性状况
属性指数值状况分级
可持续性弱
可持续性较弱
较强可持续性一般
可持续性较强
较弱可持续性强
0~0.17
弱V
0.84~1.00
强I
0.67~0.84
II
0.34~0.67
一般III
0.17~0.34
IV
0~0.2差
0.2~0.4较差
0.4~0.6一般
0.6~0.8较好
0.8~1.0
好
hierarchy process.McGraw-Hill Company ，1980.
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于因子B j 的层次单排序权值分别为b 1j ，b 2j ，…，b nj （当C k 与B j 无关系时，b kj =0）。
获得各因子总排序权值（a ）利用下列公式i 后，计算综合评价指数（R ）
:
（3）
X i 为评价参数，等于式中a i 为评价参数的权值；Σ（d i /dmax ）或Σ（d i /d阈）；n 为评价参数的个数。
根据计算出的一系列R 值，绘制相关指标等值线图，圈定地下水功能状况分区，如图4所示；然后对照相应层次的评价分级标准，判别评价对象的状况，并作出评价。
一层次B 包含n 个因子C 1，C 2，…，C k ，…，C n ，它们对
4实证分析
根据上述方法，对华北平原滹沱河流域进行了实证分析，结果如图4所示。
从图4可以看出，研究区的西北部地下水资源功能较强（图4a ），生态功能较弱（图4b ），同时除了石家庄地下水漏斗区的地质环境功能较强之外，西北部其他区的地质环境功能都较弱（图4c ）。因此，南北部适宜规模开采，同时适当重视地质环境功能的保护，而这里的地下水开发利用对西北部生态环
境可能产生的影响较弱，可作为石家庄的重要水源
地目标区。
在研究区东南部的宁柏隆漏斗分布区，地下水资源功能最弱（图4a ），这里不仅严重超采，而且地层富水性也较差，部分地段含水层已经被疏干。该区的生态功能（图4b ）和地质环境功能都较强（图4c ），大规模开采地下水可能会引起地质环境或生态环境方面的问题，因此不适宜大规模开采，相反需要加强地质环境功能和生态功能的涵养和保护。在正定-深泽-安平一带，地下水开发利用具有较强的可持续性，而东南部地下水可持续利用性则十分脆弱（图4d ），急需采取保护措施，包括减采对策。
通过上述示例表明，在华北平原开展地下水功能评价对指导合理利用地下水资源，同时防控保护地下
18~21]
水的生态功能和地质环境功能具有重要作用[4~5，。
目前，华北平原各省市地调单位应用上述方法已完成各省市以及全区的区域地下水功能评价与区划1），结果表明地下水的资源优势功能区主要分布在燕山和太行山前地带，以及南部的沿黄地带。生态功能保护区主要分布在渤海湾北部的唐海县一带和山东河口区以北，那里的地下水位埋深浅，为半咸水和咸水。地质环境功能保护区主要分布
图4华北滹沱河流域地下水功能评价结果
Fig.4The results of groundwater function assessment in the catchment of the Hutuohe River ，North China Plan
注：指数愈大，对应功能愈强。
华北平原及各省市区地下水可持续利用调查评价，中国地质调查局，
2007.
张光辉等：华北平原地下水的功能特征与功能评价
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在中东部平原地下水开采漏斗区和东部滨海平原
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5结语
如何正确认识和评价华北平原区域地下水超采与地面沉降等环境地质之间矛盾，促使地下水的资源功能、生态功能和环境地质功能均能良好发挥，使它们的综合效益最佳，面临缺少评价理论方法的难题。本文针对这一问题，即在华北平原地下水评价中偏重资源功能而对地下水的生态功能和地质环境功能重视不足的问题，立足于区域地下水系统，从地下水的自然属性切入，应用系统论和层次分析方法，提出了地下水功能的基本理念及其评价关键技术，包括如何构建评价指标体系和评价成果区划应用分析方法。最后，以华北滹沱河流域作为示范区进行实证分析，结果表明本文方法具有实用性，明确地划分出以资源功能为主、或以地质环境功能保护为主的不同区域，可为调控区域地下水的资源功能与地质环境功能之间矛盾提供科学依据。
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（1. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, CAGS, Shijiazhuang 050061，China ；
2. Shandong Institute of Geological Survey, Jinan 250013，China ）
Abstract:In the past decades, the assessment on groundwater disaster was carried out with more
emphases on its resource attributes rather than its ecological and geological environment function in North China plain, which led to many environmental problems. To comprehensively realize groundwater resource function, ecological function and geological environment function and focuse on the natural attributes of groundwater system, we used the regional water cycle theory, systematology and the analytic hierarchy process method (AHP)to develope the primary concepts and methodology of groundwater function assessment, including rules, criteria, mathematic method and indicator system. Then a case study was carried out in the catchment of Hutuohe river basin as the typical area of North China Plain, by which the connotation of groundwater function was enriched and the regionalization method was improved. Although the methodology discussed in this paper has already been adopted by the China Geological Survey in The Technical Requirements of the Investigation and Assessment of National Groundwater Resource and the Relevant Environmental Problems(No.2),it should be pointed out that groundwater function assessment is a new subject in China and there are still many conresponding problems that need solving, so the theory and methodology should be tested and improved in vast practice. Only in this way could the theory and methodology become more concrete for assessing groundwater and social economy development. The purpose of this paper is to collect advices or directions from hydrogeological experts. The assessment on groundwater function has greatly progressed in the neglected problems of groundwater ecological and geological environment from unreasonable exploitation of groundwater in North China. But there are some problems about how to understand and choose the attribute index of the assessment system of groundwater function, which affect assessment results. To understand and choose the attribute index is of great importance to the assessment results, because the attribute index is the core index of the assessment system of the groundwater function. The constitution, primary concepts, characteristic and meanings of the attributive index of groundwater function assessment system has been expounded in this paper. Key words ：North China Plain ；Regional groundwater ；Ecological function ；Geo-environmental function ；Assessment ；Methodology