地下水系统脆弱性对人类活动响应研究 ——以华北滹滏平原为例

论文摘要

地下水系统脆弱性评价是制定地下水利用和保护综合措施的重要依据。本文从加深认识地下水系统脆弱性本质属性的要求、认识人类活动与地下水相互作用关系的要求、合理利用和保护地下水资源的要求和实现经济可持续发展的要求四个方面阐述了地下水系统脆弱性对人类活动响应研究的意义，由此确定本文的研究目的，即通过研究近50年来地下水系统脆弱性对人类活动的响应机制，揭示人类活动对地下水的影响机理，为实现地下水资源可持续开发与保护提供理论依据。根据近50年来华北地区滹滏平原地下水开采强度、地下水位下降速率以及水质变化特征，分为三个时期，从地下水动力场和和地下水化学场演变特征分析入手，阐明了人类活动对地下水系统脆弱性的影响状况，包括：①长期过量开采引起地下水位的持续下降，改变了地下水的天然补给、径流和排泄条件。②大范围地下水位降落漏斗形成和变化过程。③人类开采对地下水化学场的天然平衡的影响。本文侧重地下水防污性和地下水资源脆弱性评价。选择地下水位埋深、包气带岩性、含水层砂层厚度、含水层水力传导系数和降雨补给量作为地下水防污性评价指标，以补给量、给水度、地下水质量、富水性、地下水可开采量、地下水储存量和开采强度作为地下水资源脆弱性评价指标。采用灰色关联度法和BP神经网络法两种方法分别计算了地下水防污性和地下水资源脆弱性评价指标权重。然后应用DRITC方法和综合指数法分别计算了地下水防污性和地下水资源脆弱性综合指数，形成地下水防污性图和地下水资源脆弱性图。在此基础上，从空间和时间上结合分析了地下水防污性和地下水资源脆弱性区位特征及变化趋势。滹滏平原中部地下水防污性好于西部，西部地下水防污性好于东部，地下水资源脆弱性由北向南升高，淡水区地下水资源脆弱性低于咸水区。研究结果表明，①滹滏平原当地下水位降幅为0～7m时，地下水防污性变化不明显，当为7～25m时，地下水防污性增强一级概率较大，当地下水位降幅大于25m时，地下水防污性增大二级概率较大。②在滹滏平原淡水区，当地下水位降幅为0～12m时，地下水资源脆弱性一般变化不显著，当12～24m时，升高一级概率较大，当地下水位降幅大于24m时，地下水资源脆弱性升高二级可能性较大；咸水地区，当地下水位降幅在4～10m时，地下水资源脆弱性一般不发生变化，为14～18m时，升高一级概率较大，当地下水位降幅大于22m时，地下水资源脆弱性升高二级概率较大。③地下水位埋深增大是地下水防污性增强的主要因素。人类活动(抽取地下水)改变地下水位埋深，间接改变包气带厚度和降雨入渗补给系数，使污染物进入地下水时间、数量和与周围环境发生物理化学反应的机会改变，致使地下水防污性能发生变化。地下水资源脆弱性则主要取决于地下水系统内部条件，人类活动(抽取地下水)只是使地下水资源脆弱性变化的诱导因素，只有人类活动对地下水环境产生强烈影响时，才转变为影响地下水资源脆弱性的主要因素。根据地下水防污性和地下水资源脆弱性研究结果，将滹滏平原地下水系统脆弱性划分为4个一级区和13个二级区。确定滹滏平原淡水区最佳地下水位埋深为27～30m和咸水区最佳地下水位埋深为15～19m。根据上述综合评价结果，将滹滏平原地下水合理开采利用和保护划分为4个区和11个子区。本文特色及创新点是以数学方法计算评价指标权重克服了DRASTIC方法重唯一性。并且首次从地下水质与量两方面对滹滏平原地下水系统脆弱性进行了综合评价和趋势分析，阐明了地下水系统脆弱性对人类活动的响应机制。最后应用研究综合结果提出了滹滏平原地下水合理利用与保护对策。

论文目录

• 摘要
• Abstraction
• 绪言
• 1 选题的依据及研究意义
• 1.1 加深认识地下水系统脆弱性本质属性的要求
• 1.2 认识人类活动与地下水相互作用关系的要求
• 1.3 合理利用和保护地下水资源的要求
• 1.4 实现经济可持续发展的要求
• 2 研究现状
• 2.1 地下水脆弱性概念
• 2.2 地下水防污性评价方法研究现状
• 2.3 地下水防污性评价现状
• 2.4 地下水资源脆弱性研究现状
• 3 研究目标及内容
• 4 研究总体思路和方法
• 5 主要进展及创新点
• 第一章 滹滏平原概况
• 1 自然地理概况
• 2 地质及水文地质环境
• 2.1 地质条件
• 2.2 水文地质条件
• 2.2.1 含水层基本特征
• 2.2.2 水文地质分区
• 2.2.3 水化学分布特征
• 2.2.4 地下水开采
• 3 人类活动对地下水环境影响状况
• 3.1 不同时期人类活动阶段特征
• 3.1.1 第一阶段人类活动特征
• 3.1.2 第二阶段人类活动特征
• 3.1.3 第三阶段人类活动特征
• 3.2 人类活动对地下水动力场的影响
• 3.2.1 人类活动影响下地下水补给、径流及排泄变化
• 3.2.2 地下水位降落漏斗状况
• 3.3 人类活动对地下水化学场的影响
• 3.3.1 天然地下水化学场演变
• 3.3.2 环境污染物质
• 第二章 地下水系统脆弱性评价方法
• 1 地下水系统脆弱性评价指标
• 2 地下水资源脆弱性评价方法
• 2.1 地下水资源脆弱性评价因素
• 2.2 综合指数法及数据处理方法
• 2.2.1 数据提取与处理
• 2.2.2 综合指数计算
• 3 地下水防污性评价方法
• 3.1 DRASTIC评价模型
• 3.1.1 DRASTIC评价模型
• 3.1.2 DRASTIC模型评价因子体系
• 3.1.3 DRASTIC评价模型因子权重体系
• 3.2 DRASTIC评价模型指标分级及特征值
• 3.3 权重计算
• 3.3.1 BP神经网络法
• 3.3.2 灰色关联度法
• 第三章 地下水系统脆弱性评价
• 1 地下水防污性评价
• 1.1 地下水防污性评价指标遴选及评分
• 1.2 地下水防污性评价指标空间特征
• 1.2.1 含水层水力传导系数
• 1.2.2 含水层砂层厚度
• 1.2.3 包气带岩性
• 1.2.4 降雨补给量
• 1.2.5 地下水位埋深
• 1.3 地下水防污性评价
• 1.3.1 单元剖分及数据提取
• 1.3.2 权重计算
• 1.3.3 地下水防污性评价及结果分析
• 2 地下水资源脆弱性评价
• 2.1 地下水资源脆弱性指标遴选及其空间特征
• 2.1.1 开采强度
• 2.1.2 可开采量
• 2.1.3 地下水储存量
• 2.1.4 地下水质量
• 2.1.5 补给量
• 2.1.6 给水度
• 2.1.7 富水性
• 2.2 地下水资源脆弱性评价
• 2.2.1 评价指标数据标准化及等级划分
• 2.2.2 权重计算
• 2.2.3 地下水资源脆弱性评价及结果分析
• 第四章 地下水系统脆弱性对人类活动响应研究
• 1 地下水防污性对人类活动响应研究
• 1.1 人类活动对地下水位埋深的影响
• 1.2 地下水防污性变化对人类活动响应分析
• 2 地下水资源脆弱性对人类活动响应研究
• 2.1 人类活动对下水资源的影响
• 2.2 地下水资源脆弱性对人类活动响应分析
• 2.2.1 地下水资源脆弱性变化与地下水位埋深变化的关系
• 2.2.2 地下水资源脆弱性对人类活动的响应机制
• 第五章 地下水系统脆弱性综合分析
• 1 地下水系统脆弱性评价
• 2 地下水防污性与资源脆弱性之间变化关系
• 3 地下水利用与保护综合对策
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士期间参加科研学术活动及发表论文