基于改进DPSIR模型的京津冀地区优先回补地下水水源地筛选方法

朱玉晨, 李亚松, 刘雅慈, 郝奇琛, 陈李宁, 李炳华, 孔祥科*

1.中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北 石家庄 050061 2.中国地质调查局, 河北省地下水污染机理与修复重点实验室, 河北 石家庄 050061 3.中国地质大学(北京), 北京 100083 4.北京市水科学技术研究院, 北京 100048

地下水作为京津冀地区重要的战略水资源和饮用水源，其超采问题和环境质量恶化趋势一直未能得到有效遏制，严重危及该区域饮用水安全与可持续发展[1-3]. 开展地下水超采区治理、保证地下水量与水质安全已迫在眉睫. 地下水回补是系统解决城市供水安全、恢复水源地开采能力、改善地下水环境的有效措施[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积的降落漏斗[8-10]，进而产生巨大的蓄水空间，为地下水回补提供了先天的基础条件[11-13]；另一方面，南水北调中线工程的建成通水以及雨洪水资源利用为京津冀地下水水源地的回补提供了契机[14-15]. 但是，受回补水源、回补空间和回补方式等影响，京津冀不同地区的地下水水源地在回补潜力、回补风险等需求或条件方面各异，如何在有限的回补水源条件下科学有效地评价地下水水源地哪些可优先回补是当前需解决的首要问题.

目前，国内外已有的地下水回补可行性研究多是从场地能否“补的进、存的住”等角度论述[16-18]. 例如，Fuentes等[19]从水源位置、水文地质参数、入渗能力和储水空间等方面评估了澳大利亚Namoi盆地中适合回补的场地和水源；Ghayoumian等[20]将地理空间分析和层次分析法相结合，从地质地貌、土地利用等方面评估了伊朗南部Nabeul-Hammamet地区多个适合再生水回补的场地；张光辉等[21]基于区域水文地质和地形地貌条件，初步圈定了太行山前适合回补的地区；张景华等[22]从回补空间、调蓄水源、补给方式、输汇水条件和入渗能力、取水条件等方面全面研究了北京市地下水库建库条件. 综上，已有研究往往更注重从水文地质条件及工程技术角度对地下水的回补可行性进行评价，忽视了经济、人口、管理、政策等社会要素对回补生态环境和社会经济效益的影响. DPSIR模型(驱动力—压力—状态—影响—响应)作为一种基于因果关系的指标框架[23-25]，能够全面描绘社会经济、人类活动和自然环境等综合因素及其相互关联性[26]，在国际上被广泛应用于可持续发展、环境管理、安全和风险评价等方面[27-30]. 因此，该文借助该模型的理念，从人口-社会-经济-自然互相影响的关系链出发，全面分析对影响水源地回补的自然属性、社会属性因素，进而对京津冀地下水源地的回补优先性进行分级排序.

鉴于此，该研究在借鉴国内外研究成果的基础上，从京津冀社会经济、地下水源地基础地质环境条件及可利用回补水源现状等多方面出发，综合分析影响地下水水源地回补的需求、风险和条件等因素. 针对京津冀水源地回补优先性问题对DPSIR模型体系进行合理改进，通过权威专家筛选指标和打分，数据整体检验、阈值厘定及数据标准化等方法，综合分析各位专家的意见以及主客观权重，构建基于因果关系链的地下水水源地回补优先性评价体系，并对京津冀典型地下水水源地进行回补优先性评价与分级，以期为京津冀地下水水源的涵养靶区选择和决策提供科学依据.

1 研究方法

1.1 数据来源

基于京津冀地区地下水水源地水文地质条件、回补水源条件及可利用的回补方式等条件，现阶段具备一定回补条件的主要为以浅层孔隙水供水的地下水水源地，且其回补水源为优质的水库弃水和南水北调水. 因此，该研究选取京津冀地区内符合以上条件且能够收集到较全面信息的76个地下水水源地作为备选对象.

备选的76个地下水水源地基础数据主要来源于《河北省城市集中式饮用水水源保护区划分》《全国重要饮用水水源地名录》《海河流域重要饮用水水源地安全保障达标评估报告》，部分水源地基础数据来源于实地调查和资料收集；指标中涉及的区域水文地质数据来源于《华北平原地下水可持续利用调查评价》《华北平原地下水污染调查评价》等；京津冀地区社会、人口、经济方面的数据来源于2018年京津冀地区各省市经济统计年鉴.

1.2 基于DPSIR模型的回补优先性评价体系构建方法

1.2.1准则层体系架构

以地下水水源地回补优先性为目标，对DPSIR模型加以改进，准则和指标的选取均以地下水回补为核心. 改进后的DPSIR逻辑结构如图1所示，各准则层含义及其关系如下：社会经济发展和人口增长作为驱动力(D)，导致水源地开采需求激增，其发展规模和人口增长速度体现了回补需求的根本原因[31-32]；驱动力的长期作用对地下水资源和环境产生压力(P)，潜在污染压力导致回补风险增加，开采压力则体现了对回补的间接需求；水源地持续过度开采导致水位持续降低，而经济发展的同时造成生活与工业污染加剧，进而导致浅层地下水水质变差，形成超采和劣变状态(S)，体现了对回补的直接需求；水源地现有水位下降、水质恶化等不利状态的持续发展，对人类社会和自然环境产生了持续影响(I)，进一步体现了回补措施的迫切性；响应准则(R)以回补作为响应措施，从回补涉及的技术、条件、成本收益等方面对众多水源地的优先性进行评价筛选.

图1 改进DPSIR准则层体系架构Fig.1 Criteria of improved DPSIR framework

1.2.2指标筛选及内涵

a) 驱动力指标(D). 近年来京津冀地区经济、人口的高速发展是地下水水源地生态环境问题产生的根本原因，该地区水量超采导致的地下水漏斗问题及水质劣变问题都与之有密切关系[33]. 因此选取人口数量和GDP增速两个指标来评价.

b) 压力指标(P)，主要包括区域浅层地下水水位降幅以及回补影响范围内的工业、生活及农业污染强度. 区域浅层地下水水位降幅反映了地下水开采现状，开采程度越高，水位降幅越大，回补需求越高. 另外，水源地回补二级保护区内潜在的污染风险也对是否开展回补起着决定作用，单位面积农药(化肥)施用量、生活污水排放强度、工业废水排放强度可综合反映潜在污染风险. 在地表潜在污染风险高的地区进行回补的风险性也相对较高.

c) 状态指标(S)，主要包括地下水水源地水位、水质状态和防污性能. 水位状态表示因超采而导致的水位降幅及下降速率. 地下水质量及其变化反映了水源地所在地区发展过程中承受自然或人为污染胁迫的情况. 地下水防污性能是指来自地表的污染物到达最上层含水层的倾向性与可能性[34-35]. 防污性能主要用以反映地下水水源地对污染风险的防护能力，若回补影响区防污性能差，则地下水水源地抵抗回补产生的风险能力较弱.

d) 影响指标(I). 浅层含水层疏干程度用以表示超采导致的环境地质问题；各城市地面沉降面积占比表示因超采导致的地质灾害程度；因水资源短缺导致的生活用水成本增加，通过生活用水单价来体现.

e) 响应指标(R)，主要包括地下水水源地的回补空间、回补工程成本和回补效益. 回补空间是指二级保护区范围内可用于储水的浅层地层空间，由水源地二级保护区面积、最高限制水位与当前水位之差以及含水层介质给水度三者的乘积获得. 回补工程条件在很大程度上决定了回补成本：可利用回补水源主要有水库弃水和南水北调水源，由于地域差异，水库弃水水质参差不齐，水质较差的水源在回补前需要对水源进行预处理，增加预处理成本；引水工程成本通过水源地与回补水源的距离来表示，距离增加则会增加工程成本；回补方式分为天然入渗场地和人工井渠工程两种，人工井渠的建造会增加工程成本. 回补后效益指的是回补后供水成本节省，由于地下含水层具有自净能力，因此通过地下水供水的经济效益更高[36]. 而回补经济效益大小以回补水源真正进入含水层的量为准，因此可分解为3个因子，即可供回补水量、入渗能力(入渗水量与回补水量之比)以及地下水比地表水单位供水量减少的处理成本(综合水价的降低)[37].

通过上述文献筛选法、定性筛选和进一步的专家打分及建议，最终指标体系及准则层划分见图2.

图2 各准则层指标结构Fig.2 Evaluation indicators in each criterion of DPSIR

1.2.3指标层体系构建

1.2.3.1指标及其权重确定

根据1.2.2节对准则的属性分析，通过文献调研法，结合京津冀地区地下水水源地特点，遵循科学性、相对独立性及定量化原则，在分析影响地下水水源地回补优先性的关键因素基础上，建立面向水源地回补优先性评价的指标体系备选集.

指标初步确定后，进一步通过专家咨询筛选和优化评价指标，并对准则层及指标层的重要程度进行打分，重要程度分为5级，即不重要、一般、重要、很重要、极重要，分别对应1分、2分、3分、4分、5分. 为保证评价的准确性，选取来自多领域从事地下水回补相关研究工作的20位专家，包括水文领域(5位)、环境领域(6位)及水文地质领域(9位)，专家根据专业知识和在该地区的研究经验等方面分析各指标对开展回补的影响程度，对指标重要性进行打分并提出优化建议. 最终统计确定各准则层之间的相对权重以及各指标在各准则层内的相对权重.

1.2.3.2整体检验

通过对指标打分情况进行整体检验，规避指标选择和打分存在的主观性. 假设指标体系内有N个指标，M位专家参与打分，按照集中程度、离散程度、协调程度这三方面进行检验[38].

集中程度：

(1)

式中，ECi为第i个指标的意见集中程度，Eij为第i个指标第j级重要程度的得分，nij为对第i个指标评为第j级重要程度的人数.ECi越大，表明该指标重要程度越高.

离散程度：

(2)

式中，δi为专家对第i个指标重要程度评价的分散程度,δi越小，说明对第i个指标的重要程度评价越集中，反之越分散.

协调程度：

Vi=δi/ECi

(3)

式中，Vi为协调程度，作为当集中和离散程度检验结果不一致时的参考，Vi越小，表示指标重要程度越高.

1.2.3.3阈值确定和数据标准化

在指标专家筛选及检验确定的基础上，进一步确定指标的阈值，并根据其与回补的关系分为正负属性. 指标属性中的“正”表示指标在数值上取值越大，优先性越高，“负”则反之.

为了保证不同指标数据加权叠加的合理性，对具有不同取值范围和量纲差异的指标取值进行标准化，通过数值特征缩放，将有量纲的数值映射到数值范围(0,1)区间内，最终使用标准化后的数值参与加权评价. 其中，标准化过程根据指标属性的不同分为正向指标和负向指标.

正向指标映射：

(4)

负向指标映射：

(5)

式中，Xinorm+为第i个正向指标的值，Xinorm-为第i个负向指标的值，Ximin为第i个指标阈值的最小值，Ximax为第i个指标阈值的最大值.

1.2.3.4综合性评价

在确定指标及其权重后，构建地下水水源地回补优先性评价模型，通过加权叠加法进行计算：

(6)

式中，下标中的D、P、S、I、R分别对应驱动力、压力、状态、影响、响应准则层，Su为回补优先性评价指数，n为准则层指标数量，ωDi、ωPi、ωSi、ωIi、ωRi分别为各准则层中的指标层权重，P(xDi)、P(xPi)、P(xSi)、P(xIi)、P(xRi)分别为标准化后各准则层的指标值，WD、WP、WS、WI、WR分别为各准则层的权重.

利用累频法将计算的优先性指数值进行排序和分级，按照优先、较优先、一般、暂不考虑、不适宜5个等级进行划分. 其中，优先性指数为0.8～1.0，表示具备良好的回补潜力且回补风险性小，回补效益高，定为优先回补；优先性指数为0.6～0.8，表示具备较好的回补潜力，且回补风险性较小，回补效益较高，定为较优先；优先性指数为0.4～0.6，表示仅具备一般条件的回补潜力，且回补风险性较小，回补效益较高，定为一般情况；优先性指数为0.2～0.4，表示回补潜力较小或回补风险较大或回补效益较低的水源地，暂不考虑回补；优先性指数为0～0.2，表示几乎无回补潜力或回补风险大或回补效益低，为不适宜回补水源地.

2 结果与讨论

2.1 评价指标整体检验、标准化处理及权重确定

2.1.1整体检验

按照式(1)～(3)对各指标及准则层进行整体检验，表1为DPSIR准则层专家打分和检验结果，表2为地下水水源地回补优先性指标专家打分和检验结果. 从统计结果可以看出，20份打分问卷的集中程度(EC)均大于3.00，可用作评价指标. 其中，准则层中响应、状态和压力指标的重要程度最高，指标层中回补水源类型、浅层含水层储水空间、区域浅层地下水质量、浅层含水层防污性能的重要程度最高，即地下水水源地回补的需求及回补工程实施可行性和效果是回补优先性评价中最重要的因素.

表1 DPSIR准则层专家打分及检验结果

表2 地水源地回补优先性指标专家打分及检验结果

2.1.2评价指标标准化及权重确定

根据专家打分计算出的平均得分比例，将其总和归一化后，每个准则和指标的占比即为其权重(见表3). 准则层权重值相对较为平均，其中响应、压力和状态层的权重值较大. 指标层上各指标权重的区分性相对较大. 决定驱动力的主要指标为地区GDP增速；水质风险压力作用程度比水量压力略大；防污性能和区域浅层地下水质量是状态层中最重要的指标；对影响层决定作用最大的指标为浅层含水层疏干程度与生活用水单价；对于体现回补措施的响应层，回补水源类型及浅层含水层储水空间所起作用远大于其他因素.

根据表3准则层权重计算可以看出：WR>WS>WP>WI>WD，响应、状态和压力指标的权重较大，是整

表3 准则层及指标层权重

个评价体系结果的主要决定准则，即回补过程中所涉及的技术可行性和工程成本效益是决定其优先性的关键，同时水源地强烈的补水需求和社会发展压力也在优先筛选中起着重要作用. 对应指标层权重的分析可以发现，回补水源类型、浅层含水层储水空间及回补方式、地下水质量现状及防污性能的集中程度参数值(表示重要程度)明显较高，是影响回补优先性的主要因素.

2.2 评价结果

基于获取的指标数据，利用构建的综合指数评价模型，对京津冀地区76个备选地下水水源地回补优先性进行分级筛选(见图3). 总体来看，优先回补的水源地有13个，较优先回补的水源地有19个，几乎都集中分布在以南水北调中线工程为轴的山前冲洪积扇地区. 地下水水源地主要受水文地质条件和可利用回补水源的影响，从山前到中部平原再到滨海地区，地下水水源地回补优先性呈下降趋势.

压力层中起主导作用的指标为工业废水排放强度的潜在污染以及浅层地下水位降幅. 由于超采，京津冀平原山前冲洪积扇地区水位下降严重，产生了许多大范围的地下水漏斗，而中东部湖积滨海平原如沧州、天津平原区等区域，由于其地处地下水排泄区，水位埋深小，加之浅层地下水局部咸水分布，水质较差，开采程度低，水位下降并不明显. 唐山山前地区虽然有一定的回补空间和回补水源条件，但由于水源地水质较差及周边潜在污染源分布[39]，降低了其回补的优先性，因此无论从水质还是回补空间角度都暂不考虑回补.

状态层中起主导作用的指标为区域地下水质量、浅层含水层防污性能、地下水位下降速率. 通过DRASTIC评价得到的防污性能总体上表现为山前和河道带防污性能较弱，平原其他地区相对较强，京津冀尺度上影响趋势不明显；浅层地下水质量总体上自山前冲洪积到中部平原及东部滨海平原逐渐变差，导致优先性下降. 京津冀山前平原地区为满足用水需求，不得不持续超采，进而导致持续下降，近年来压采政策的实施使得下降速率有所降低，但对回补仍旧有巨大的需求.

影响层中起主导作用的是浅层含水层疏干程度和表征用水成本的生活用水单价. 京津冀平原区西部、北部山前地区浅层含水层厚度相对较大，加之常年强烈开采，使得浅层含水层大范围疏干，局部地区(如石家庄市区、宁柏隆地区)的疏干程度超过50%，对回补措施形成强烈需求. 京津冀地区居民用水单价均使用三级阶梯水价，对各城市第一阶梯综合水价的对比发现，北京、邢台、保定等位于京津冀冲洪积扇地区的大型城市水价较高，间接说明该地区生活用水资源缺乏，需要通过回补措施加以改善.

响应层中起主导作用的是回补水源类型、浅层含水层储水空间及回补方式. 京津冀地区地表水和地下水水源地都集中分布在山前倾斜平原上，由于山前倾斜平原的特殊位置，地下水水源地含水层厚度大、颗粒粗、给水能力强. 另外，自20世纪50年代以来，京津冀地区在太行山、燕山等沿线修建了31座大型水库，控制山区超过70%的径流量. 这些水库均处在冲洪积扇的顶端且大多以防洪为主，每年都有相当可观的弃水. 由于山前水位埋深较大，且因开采形成水位下降，导致西部山前地区的回补空间远大于中东部平原. 从回补方式来看，天然的回补方式取决于地表及包气带地质条件，山前冲洪积扇及靠近回补水源宽阔河道带地区为理想的天然回补场所. 综上，京津冀地区适宜回补的水源地满足“有理想的储水空间、有良好的入渗能力及补给场所、有可靠的补给水源”的基本条件，这也与该文中DPSIR模型评价结果相一致.

3 结论

a) 在综合分析京津冀地下水水源地实际情况的基础上，借助DPSIR模型理念，针对回补优先性问题对模型进行了合理改进，从驱动力-压力-状态-影响-响应因果关系链的角度出发，基于自然条件、社会需求、经济发展等方面综合分析了影响地下水水源地回补的关键因素，又从回补措施角度分析了其技术条件和效益，筛选出涵盖5个准则层21个指标的综合评价指标集，该指标能全面地分析地下水水源地的回补潜力、回补风险和经济效益，实现多角度、客观识别影响地下水水源地回补优先性的因素.

b) 利用建立的基于改进的DPSIR模型的地下水水源地回补优先性评价体系对京津冀地区76个水源地回补优先性进行评价、分级、筛选. 评价结果表明，位于京津冀山前的冲洪积扇地区在水源地回补中最应优先考虑，中部平原水源地大多为一般或暂不考虑，东部平原区地下水水源地普遍不适宜回补. 地下水水源地的回补水源类型、浅层含水层储水空间、地下水质量、防污性能是影响回补优先性的主要因素.