CN113673816A - 一种河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，包括根据评价区河道地形地貌、土地利用类型、水文地质的数据获取补水适宜性评价指标；根据补水适宜性评价指标设置权重矩阵，并分别获取权重矩阵中各个补水适宜性评价指标的目标权重值；按照对河水入渗补给地下水的难易程度，对补水适宜性评价指标进行分级，并对每个等级进行赋值，获取补水适宜性评价指标各个等级的独立评价结果；根据目标权重值和所述独立评价结果获取评价区河道的河道渗漏补给地下水的适宜性评价结果。本发明根据河水的入渗能力和含水层的调蓄能力两个角度来定量评价河道渗漏补给地下水的适宜性，为地下水人工补给工程的实施提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及人工补给地下水技术领域，进一步地说，是涉及一种河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法。
背景技术
面对地下水超采，越来越多的地区出现因地下水位下降而引起的地质环境问题，对地表-地下水相互作用的研究是各国全球所面临的共同难题。回补与压采是地表-地下水相互作用的主要方式。各个国家针对这一问题，广泛开展了相关工作，对地表-地下水相互作用做了充分研究。如斯里兰卡Hambantota地区随淡水需求的增加，面对降水丰、枯年的不同情况，经常出现周期性水资源短缺，对当地地下水资源的长期可持续利用造成了严峻考验。针对这一问题，Senanyake.IP等人研究了地下水压采与人工回灌相结合情景下的地表-地下水相互作用研究，该研究通过对研究区各部分地下水回补潜力进行分级，并将区内的Ambalantota区划分为地下水宜补区，研究结果表明适当回补与控制开采地下水对地下水涵养具有良好效果。
在需水总量不变的情况下，单纯的压采不具备可操作性，必须结合外来水补给才能保证供水稳定。因此从某种程度上讲，地下水回补是压采的前提条件。地下水回补主要是将地表水注入盆地、沟壑、河道或其他设施中，使其渗入土壤并向下移动补给以含水层的措施。一般地下水回补采用渗透补给，这需要可渗透的表层土壤。如不具备这些条件，可使非饱和沟渠或竖井，或通过人工竖井将水直接注入含水层。良好的地下水回补系统需要对地层的渗透系数进行确定，并保证含水层具有足够的导水性，以避免地下水丘堆积过度。在进行地下水回补前，应充分进行场地调查，并通过渗水试验进行下渗回补评估。
地下水回补项目的实施需要确定场地是否适宜进行回补。目前，我国尚未有类似的地下水回补适宜性评价技术指南。
基于河道入渗将地表水补给到含水层中是一种快速、高效的地下水回补方式。虽然我国早年在部分地区开展了典型河道的回补试点工作，但相关研究仍处于初步阶段，缺少河道补水适宜性的定量评估方法。
因此，本研究根据河水的入渗能力和含水层的调蓄能力两个角度来定量评价河道渗漏补给地下水的适宜性。
发明内容
为解决现有技术中出现的问题，本发明提出了一种河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法。本发明根据河水的入渗能力和含水层的调蓄能力两个角度来定量评价通过河道渗漏补给地下水的适宜性，为人工补给地下水工程的实施提供技术支撑。
本发明的目的之一是提供一种河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，包括：
根据评价区河道地形地貌、土地利用类型、水文地质的数据获取补水适宜性评价指标；
根据所述补水适宜性评价指标设置权重矩阵，并分别获取所述权重矩阵中各个补水适宜性评价指标的目标权重值；
按照对河水入渗补给地下水的难易程度，对所述补水适宜性评价指标进行分级，并对每个等级进行赋值，获取所述补水适宜性评价指标各个等级的独立评价结果；
根据所述目标权重值和所述独立评价结果获取评价区河道的通过河道渗漏补给地下水的适宜性评价结果。
优选的，
所述补水适宜性评价指标包括：河水入渗能力评价指标和/或含水层调蓄能力评价指标；
所述河水入渗能力评价指标包括：河床土地利用类型、河床介质类型、河床宽度、河床地形坡度、包气带介质类型；
所述含水层调蓄能力评价指标包括：包括包气带厚度、包气带给水度、包气带渗透性。
优选的，
其中，所述分别获取所述权重矩阵中各个补水适宜性评价指标的目标权重值，包括：
获取所述权重矩阵的矩阵值；
根据所述矩阵值获取对应的权重值；
对所述权重值进行验证，得到验证结果；
所述验证结果显示验证未通过时，重新获取所述权重矩阵的矩阵值，直至验证结果显示验证通过；
所述验证结果显示验证通过时，将所述验证通过的权重值设为所述目标权重值。
优选的，
所述获取所述权重矩阵的矩阵值，包括：
将所述权重矩阵中的补水适宜性评价指标进行两两比较，得到比较结果；
根据所述比较结果确定所述权重矩阵的矩阵值。
优选的，
所述根据所述矩阵值获取对应的权重值，包括：
根据所述权重矩阵和矩阵值构造判断矩阵；
计算所述判断矩阵每一行元素的乘积Mi；
计算所述Mi的n次方根Wi′，所述n为所述判断矩阵的行数；
对Wi′标准化获取特征向量W，所述W＝(W1，W2，W3，…，Wn)；
根据所述特征向量获取对应的权重值。
优选的，
所述对所述权重值进行验证，包括：
获取所述判断矩阵的最大特征根λmax，
所述
所述(PW)i表示向量PW的第i个元素；
根据CR值对所述权重值进行验证，
CR＝CI/RI；所述CR为判断矩阵的随机一致性比率；
CI为判断矩阵的一般一致性指标；CI＝(λmax-n)/(n-1)；
RI为判断矩阵的平均随机一致性指标；RI＝(CI1+CI2+…+CIn)/n。
优选的，
所述CR<0.1，则认为该判断矩阵通过一致性检验，否则就不具有满意一致性。
优选的，
所述对所述补水适宜性评价指标进行分级，并对每个等级进行赋值指对每个等级在1-10的数值范围内进行赋值。
优选的，
所述根据所述目标权重值和所述独立评价结果获取评价区河道的补水适宜性评价结果，包括：
各个补水适宜性评价指标的目标权重值乘以各个补水适宜性评价指标的独立评价结果后相加求和得到河道补水适宜性指数值，根据河道补水适宜性指数值，确定评价区河道的补水适宜性评价结果。
优选的，
所述根据所述目标权重值和所述独立评价结果获取评价区河道的补水适宜性评价结果，包括：
各个补水适宜性评价指标的目标权重值乘以各个补水适宜性评价指标的独立评价结果后相加求和得到河道补水适宜性指数值，根据河道补水适宜性指数值，利用ArcGIS软件的叠加工具进行叠加得到评价区河道补水适宜性分区图。
本发明的上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：
上述方案中，从河水的入渗能力和含水层的调蓄能力两个方面选择评价指标，确定目标权重值和独立评价结果，从而能够根据目标权重值和独立评价结果确定评价区河道的补水适宜性评价结果或利用ArcGIS软件的叠加工具进行叠加得到评价区河道渗漏补给地下水的适宜性分区图，实现河道补水适宜性评价，建立了LMBGITSC河道渗漏补给地下水的适宜性评估模型。
附图说明
图1为本发明的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图及实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明的进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域技术人员根据本发明内容对本发明做出的一些非本质的改进和调整仍属本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，为本发明实施例提供的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，包括：
S101根据评价区河道地形地貌、土地利用类型、水文地质的数据获取补水适宜性评价指标；所述补水适宜性评价指标包括：河水入渗能力评价指标和含水层调蓄能力评价指标；
所述河水入渗能力评价指标包括：河床土地利用类型、河床介质类型、河床宽度、河床地形坡度、包气带介质类型；
所述含水层调蓄能力评价指标包括：包括包气带厚度、包气带给水度、包气带渗透性。
其中，可通过场地调查取样、钻孔资料、文献调查、DEM坡度提取等方式获取上述各评价指标的信息，在此不再一一赘述。
在本实施例中，根据层次分析法，先建立层次结构模型的目标层、准则层、方案层，A指目标层，即河道渗漏补给地下水的适宜性；B指准则层，包括河水入渗能力(B1)和含水层调蓄能力(B2)；
B1-(C1-C5)表示准则层1到其所对应的指标层。B1指河水入渗能力；C1-C5指C1、C2、C3、C4、C5这5个指标层，分别代表河床土地利用类型(L)、河床介质类型(M)、河床宽度(B)、河床地形坡度(G)、包气带介质类型(I)。
B2-(C6-C8)表示准则层2到其所对应的指标层。B2指含水层调蓄能力；C6、C7、C8为指标层，分别为包气带厚度(T)、包气带给水度(S)、包气带渗透性(C)。
S102根据层次分析法，对所述补水适宜性评价指标设置权重矩阵，并分别获取所述权重矩阵中各个补水适宜性评价指标的目标权重值；
其中，获取权重矩阵的矩阵值的过程可以包括：将权重矩阵中的各个评价指标进行两两比较，得到比较结果；根据比较结果确定权重矩阵的矩阵值。用aij表示ai对aj的重要性，根据心理学家的研究结果，人们定性区别信息等级的极限为7±2。故采用如表1所示的1～9比例标度规则。评判矩阵具有如下性质：aij>0；aij＝1/aji；i＝j时，aij＝1。
表1比例标度表
| 因素i比因素j | 量化值 |
| 同等重要 | 1 |
| 稍微重要 | 3 |
| 较强重要 | 5 |
| 强烈重要 | 7 |
| 极端重要 | 9 |
| 两相邻判断的中间值 | 2，4，6，8 |
其中，所述分别获取所述权重矩阵中各个补水适宜性评价指标的目标权重值，包括：可以通过判断矩阵计算出最大特征值对应的特征向量，该特征向量为本层次因素相对于上一层次中某因素的相对重要性权重值。因此，根据矩阵值获取对应的权重值，可以包括：根据权重矩阵和矩阵值构造判断矩阵P；计算判断矩阵每一行元素的乘积Mi；计算Mi的n次方根Wi′，n为判断矩阵的行数；对Wi′标准化获取特征向量W，W＝(W1，W2，W3，…，Wn)；根据特征向量获取对应的权重值。其中，
在本实施例中，对所述权重值进行验证，包括：
获取所述判断矩阵的最大特征根λmax，
所述
所述(PW)i表示向量PW的第i个元素；
根据CR值对所述权重值进行验证，
CR＝CI/RI；所述CR为判断矩阵的随机一致性比率；
CI为判断矩阵的一般一致性指标；CI＝(λmax-n)/(n-1)；
RI为判断矩阵的平均随机一致性指标；RI＝(CI1+CI2+…+CIn)/n。
CR<0.1后，则认为该判断矩阵通过一致性检验，否则就不具有满意一致性。
在本实施例中，对永定河河道中的评价区河道进行评价，具体计算过程如下：
其中，A-B表示目标层到准则层。A指目标层，即河道渗漏补给地下水的适宜性；B指准则层，包括河水入渗能力(B1)和含水层调蓄能力(B2)
其中，B1-(C1-C5)表示准则层1到其所对应的指标层。B1指河水入渗能力；C1-C5指C1、C2、C3、C4、C5这5个指标层，分别代表河床土地利用类型(L)、河床介质类型(M)、河床宽度(B)、河床地形坡度(G)、包气带介质类型(I)。
其中，B2-(C6-C8)表示准则层2到其所对应的指标层。B2指含水层调蓄能力；C6、C7、C8为指标层，分别为包气带厚度(T)、包气带给水度(S)、包气带渗透性(C)。
按照上述方根法计算各判断矩阵的权重值和最大特征根λmax，并依据上述公式对CR进行判断，直至CR<0.1后，则认为该判断矩阵通过一致性检验。因层次分析法中计算判断矩阵的权重值和最大特征根λmax为现有成熟的计算方法，本发明不再详细记载具体的计算过程。
经过上述计算，得到的各个补水适宜性评价指标的目标权重值如表2：
表2 LMBGITSC模型各指标说明和权重
S103按照对河水入渗补给地下水的难易程度，对所述补水适宜性评价指标进行分级，并对每个等级进行赋值，获取补水适宜性评价指标各个等级的独立评价结果；
在本实施例中对补水适宜性评价指标进行分级，并对每个等级进行赋值指对每个等级在1-10的数值范围内进行赋值，具体如表3所示。
河床土地利用类型：河床的土地利用类型会影响河水的下渗过程。存在硬化防渗层的河段，水分很难下渗，补水效果最差；对于有河水覆盖的河段，其下部的河床和包气带往往含水率较大，且水面蒸发大，进行河道补水后，对地下水的补给效果也较差。已经长有林草的断流河段，补水后河水的较易下渗，但是植被具有一定的截流作用，相对于裸地，其水分下渗能力稍差一些。因此，将河床土地利用类型划分为已硬化段、水域、林草地和裸地四类。
表3河道渗漏补给地下水的补水适宜性评估指标等级划分和赋值
河床宽度：河宽宽度对河道补水后的水分下渗过程的影响主要体现在可下渗面积上，河床越宽，单位长度的河段内河水的下渗面积越大，可以下渗的水分就越多，对地下水的补给量越大。
河床介质类型：河床的介质类型在很大程度上影响河水的下渗过程。比如淤泥质的河床，其河水和地下水的水力联系相对较弱，容易形成脱节型河流。在此，将河床介质分为以下10类：非胀缩和非凝聚性粘土、粘质壤土(粘土)、粉质壤土、壤土、砂质壤土(砂土)、胀缩或凝聚性粘土、粉砂和细砂、砾石/中砂和粗砂、卵砾石、薄或缺失。
河床地形坡度：河床地形坡度对于水分下渗过程的影响主要是由于地形坡度大时，产生的径流量大，用于下渗的水量减少，不利于河水的下渗对地下水进行补给，此处以‰为单位。
包气带介质类型：包气带是指潜水水位以上或承压含水层顶板以上土壤层以下的非饱和区或非连续饱和区。分为以下10种类型：粘土、亚粘土、亚砂土、粉砂、粉细砂、细砂、中砂、粗砂、砂砾石、卵砾石。颗粒粒径越大、越松散，水分越容易下渗补给地下水。
包气带厚度：包气带厚度指从地表到地下水位的距离。在通过河道补水补给地下水时，包气带厚度越大，意味着潜在的含水层调蓄能力越大，补水的效率更大。
包气带给水度：给水度是指地下水位下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的比值。给水度反映的是含水层给出水的能力，对于地下水位下降区，在进行地下水补给之后，地下水位将逐渐上升，水位上的包气带将成为新的饱和带，因此用包气带给水度这个参数能够反映补水区地层对地下水的调蓄能力，给水度越大，调蓄能力就越大。
包气带渗透性：针对通过河道补水来补给地下水这一措施，包气带的水平渗透性对地下水补给效率有很大影响。在河道补水后，河水集中下渗，包气带逐渐饱和，会在河道下部形成水丘，从而产生水分的侧向运移。包气带的水平渗透性越大，水分越容易向四周扩展，形成更大的补给面积，从而对含水层产生持续的补给。否则，在河道下部的包气带全部饱和后，水分下渗就会减少，补水效率大大降低。
以永定河河道中的待评价段河道，其中，
河床土地利用类型(L)为水域，对应的评价结果为2；
河床介质类型(M)为非涨缩和非凝聚性粘土(岩石)，对应的评价结果为1；
河床宽度(B)为(100,150]，对应的评价结果为5；
河床地形坡度(G)为(5,6]，对应的评价结果为6；
包气带介质类型(I)为亚砂土，对应的评价结果为3；
包气带厚度(T)为(15,20]，对应的评价结果为7；
包气带给水度(S)为(0.10,0.15]，对应的评价结果为4；
包气带渗透性(C)为(60,80]，对应的评价结果为8；
S104根据所述目标权重值和所述独立评价结果获取评价区河道的补水适宜性评价结果。
各个补水适宜性评价指标的目标权重值乘以各个补水适宜性评价指标的独立评价结果后相加求和得到河道补水适宜性指数值RGW，在本实施例中，RGW＝WLRL+WMRM+WBRB+WGRG+WIRI+WTRT+WSRS+WCRC；式中，RGW表示河道补水适宜性指数，R表示各个补水适宜性评价指标的赋值(即独立评价结果)；W表示指标的权重；下角标L、M、B、G、I、T、S、C分别表示河床土地利用类型、河床介质类型、河床宽度、河床地形坡度、包气带介质类型、包气带厚度、包气带给水度、包气带渗透性。
通过计算可得：
RGW＝0.365×2+0.141×1+0.050×5+0.026×6+0.168×3+0.065×7+0.026×4+0.159×8＝3.612
根据河道补水适宜性评价指标的数值，确定评价区河道的补水适宜性评价结果，如表5；或利用ArcGIS软件的叠加工具进行叠加得到评价区河道渗漏补给地下水的适宜性分区图。
通过河道补水适宜性评价指标的数值RGW为3.612，小于5分，则评价区河道的等级V级，为不适宜补水区。
表5河道渗漏补给地下水的适宜性分级
| 适宜性指数R<sub>GW</sub> | 等级 | 适宜性评价 |
| 8～10分 | I级 | 优等适宜区 |
| 7～8分 | II级 | 良好适宜区 |
| 6～7分 | III级 | 中等适宜区 |
| 5～6分 | IV级 | 较差适宜区 |
| <5分 | V级 | 不适宜区 |
评价结果的检验方法：
对于河道渗漏补给地下水的适宜性评估结果的检验主要根据两个原则：(1)在河道补水后，河道附近的地下水位涨幅越大的河段，说明大量的水分下渗到达了地下水面，补水效率高，越适宜补水；(2)河道补水后，补水影响到的河道两岸范围越宽的河段，说明水分不仅垂直入渗到达了地下水面，且水分发生了横向扩散，对含水层的补给面更大，补水效率更高，越适宜补水。具体实施时，可以根据历史补水事件之后的实测数据进行检验，也可以通过建立数值模型，模拟河道补水之后地下水的动态，验证评估模型的正确性。
本发明从河水的入渗能力和含水层的调蓄能力两个方面选择评价指标，确定目标权重值和独立评价结果，从而能够根据目标权重值和独立评价结果获取确定评价区河道的补水适宜性评价结果或利用ArcGIS软件的叠加工具进行叠加得到评价区河道渗漏补给地下水的适宜性分区图。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据评价区河道地形地貌、土地利用类型、水文地质的数据获取补水适宜性评价指标；
根据所述补水适宜性评价指标设置权重矩阵，并分别获取所述权重矩阵中各个补水适宜性评价指标的目标权重值；
按照对河水入渗补给地下水的难易程度，对所述补水适宜性评价指标进行分级，并对每个等级进行赋值，获取所述补水适宜性评价指标各个等级的独立评价结果；
根据所述目标权重值和所述独立评价结果获取评价区河道的补水适宜性评价结果。
2.根据权利要求1所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，
所述补水适宜性评价指标包括：河水入渗能力评价指标和/或含水层调蓄能力评价指标；
所述河水入渗能力评价指标包括：河床土地利用类型、河床介质类型、河床宽度、河床地形坡度、包气带介质类型；
所述含水层调蓄能力评价指标包括：包括包气带厚度、包气带给水度、包气带渗透性。
3.根据权利要求1所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，
其中，所述分别获取所述权重矩阵中各个补水适宜性评价指标的目标权重值，包括：
获取所述权重矩阵的矩阵值；
根据所述矩阵值获取对应的权重值；
对所述权重值进行验证，得到验证结果；
所述验证结果显示验证未通过时，重新获取所述权重矩阵的矩阵值，直至验证结果显示验证通过；
所述验证结果显示验证通过时，将所述验证通过的权重值设为所述目标权重值。
4.根据权利要求3所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，所述获取所述权重矩阵的矩阵值，包括：
将所述权重矩阵中的补水适宜性评价指标进行两两比较，得到比较结果；
根据所述比较结果确定所述权重矩阵的矩阵值。
5.根据权利要求4所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，所述根据所述矩阵值获取对应的权重值，包括：
根据所述权重矩阵和矩阵值构造判断矩阵；
计算所述判断矩阵每一行元素的乘积Mi；
计算所述Mi的n次方根Wi′，所述n为所述判断矩阵的行数；
对Wi′标准化获取特征向量W，所述W＝(W1，W2，W3，…，Wn)；
根据所述特征向量获取对应的权重值。
6.根据权利要求5所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，所述对所述权重值进行验证，包括：
获取所述判断矩阵的最大特征根λmax，
所述
所述(PW)i表示向量PW的第i个元素；
根据CR值对所述权重值进行验证，
CR＝CI/RI；所述CR为判断矩阵的随机一致性比率；
CI为判断矩阵的一般一致性指标；CI＝(λmax-n)/(n-1)；
RI为判断矩阵的平均随机一致性指标；RI＝(CI1+CI2+…+CIn)/n。
7.根据权利要求6所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，所述CR<0.1，则认为该判断矩阵通过一致性检验，否则就不具有满意一致性。
8.根据权利要求1所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，所述对所述补水适宜性评价指标进行分级，并对每个等级进行赋值指对每个等级在1-10的数值范围内进行赋值。
9.根据权利要求1所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，所述根据所述目标权重值和所述独立评价结果获取评价区河道的补水适宜性评价结果，包括：
各个补水适宜性评价指标的目标权重值乘以各个补水适宜性评价指标的独立评价结果后相加求和得到河道补水适宜性指数值，根据河道补水适宜性指数值，确定评价区河道的补水适宜性评价结果。
10.根据权利要求1所述的河道渗漏补给地下水的适宜性评价方法，其特征在于，所述根据所述目标权重值和所述独立评价结果获取评价区河道的补水适宜性评价结果，包括：
各个补水适宜性评价指标的目标权重值乘以各个补水适宜性评价指标的独立评价结果后相加求和得到河道补水适宜性指数值，根据河道补水适宜性指数值，利用ArcGIS软件的叠加工具进行叠加得到评价区河道补水适宜性分区图。
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|---|---|---|---|---|
| CN105447652A (zh) * | 2015-12-17 | 2016-03-30 | 北京师范大学 | 一种傍河取水适宜性评价方法 |
| CN109034656A (zh) * | 2018-08-21 | 2018-12-18 | 北京师范大学 | 一种地下水脆弱性评价方法 |
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2021
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