0 引言

地下水是水资源的重要组成部分，在保障经济社会发展、国家饮水安全和维系良好生态环境等方面具有重要作用。自20世纪70年代初我国开始大规模开发利用地下水资源以来，地下水开采量迅速增加^[1]；尤其是华北地区，地下水的长期大规模开采，造成地下水严重超采，导致地下水位下降、河湖水面萎缩、地面沉降、海水入侵、地下水污染等一系列生态环境问题，对保障国家水安全和区域可持续发展构成严重威胁^[2]。我国已于2011年明确提出，要加强地下水保护，治理地下水超采问题，实现采补平衡^[3]。因此，开展地下水人工补给是一项在新形势下进行地下水开发利用的重要工作，对合理开发利用地下水具有重要的指导意义^[4]。

随着社会经济的快速发展，对水资源的需求量也越来越大，但水资源储存总量不断降低，促使地下水人工补给研究不管从理论上还是方法上都有了长足发展^[5]。前人在河南、河北及山东等省^[6-7]以及北京、上海、天津、杭州、西安、沈阳等许多大城市和一些典型地域均进行过重大的人工补给地下水试验^[8-9]，并取得一系列研究进展。许多国家和地区^[9-12]都已把地下水人工补给作为调节和控制水资源的主要方法。目前，地下水人工补给研究在补给方式、补给水源、补给技术、补给水质以及补给引起的堵塞等方面已取得一定成果，但在人工补给地下水效果评价方面，尚未有统一的评价方法和评价标准。国内外学者多是从实际情况出发，利用回补率、补给率、渗透补给范围、有效蓄水率、地下水水位及水质等指标^[13-15]中的一种或几种组合指标，对地下水回补效果进行评价。然而当前一种或几种组合指标评价虽然能在一定程度上反映地下水回补效果，但具有一定的片面性，而且现有的评价方法仍缺乏普适性；故建立一套简单可行的评价指标体系是目前地下水回补效果研究亟待解决的问题，其对水资源管理评价工作的大面积开展，保障地下水资源和恢复生态环境具有重要意义。

本文采用层次分析法，以评价指标体系构建原则为基础，选择河段补水前后典型指标的变化进行分析，构建回补效果评价指标体系和分析计算方法，并对生态补水的综合效果进行了评价分级，以期为今后整个华北平原超采区开展地下水回补效果评价提供数据支持和科学参考。

1 研究区概况

本文以河北省境内滹沱河、滏阳河、南拒马河3条补水河道的试点河段及其周边10 km范围内地区为评价区(图 1)，试点河段长期处于断流状态，周边区域地下水超采和河湖生态水量亏损较为严重。3条补水河道的试点河段总长477 km，涉及石家庄、衡水、沧州、邯郸、邢台、保定等6市26个县(市、区)，经过宁柏隆、高蠡清、一亩泉等多个主要的浅层地下水漏斗区。自2018-09-13开始补水，截至2019-08-31，补水量共计145 420万m³。按补水水源统计，南水北调中线补水89 000万m³，当地水库补水48 420万m³，再生水补水8 000万m³；按试点河段统计，滹沱河补水84 077万m³，滏阳河补水42 345万m³，南拒马河补水18 998万m³。

补水河段地表水水量监测断面共30处，其中滹沱河10处、滏阳河11处、南拒马河9处；地下水位监测井111眼(图 2)，其中滹沱河地下水位监测井70眼、滏阳河25眼、南拒马河13眼，全部为自动监测；水质监测断面11处(图 2)，其中滹沱河4处、滏阳河4处、南拒马河3处；水生态现场调查共布设了12处调查断面，其中滹沱河4处、滏阳河4处、南拒马河4处；并在补水后期前往3条试点河段开展社会影响现场调研。

2 评价方法

层次分析法是根据专家经验，将评价对象固有的特性进行量化、比较、分层次进行分析的一种定性与定量相结合的多目标决策分析方法。该方法不但可以描述评价对象的层次属性，又能够对各影响因素的相对重要性和相互联系进行考量^[15]。地下水回补效果评价具有综合性和系统性的特征。地下水回补效果涉及地下水回补水量变化、水质变化、水生态改善及社会影响等诸多方面，通过建立层次分析模型可实现对地下水回补效果的综合评判。同时评价指标体系应遵循科学全面、简易可行、广泛适用等原则，以实现对地下水回补效果的高效科学评价。

2.1 指标体系构建

根据已开展的河湖地下水回补试点经验，生态补水对河湖水量、河湖水面恢复、地下水水位、河湖及地下水水质、河湖及周边水生态环境等多个方面都产生了影响。同时，为了解补水河道沿岸居民及社会公众对河湖地下水回补工作的态度和看法，需要通过调查了解公众对生态补水的满意程度。因此，根据评价指标体系构建原则，选取了6个具有代表性且易量化操作的评价指标作为地下水回补效果评价指标：1)入渗回补率，反映河湖生态补水入渗回补地下水的有效程度；2)地下水水位回升率，反映补水后含水层水位恢复情况；3)水质改善度，反映地下水回补对地表水、地下水水质的综合改善效果，可以表征受水区域水环境的改善；4)水面面积变化率，反映补水效果的好坏；5)水生态改善度，反映生物群落结构和物种多样性；6)公众满意度，反映补水河道周边社会公众对河湖地下水回补工作的认识、态度和建议。

根据地下水回补效果评价结构，将评价模型分为两层，从上到下第一层为目标层，第二层为指标因子层。以此为基础建立地下水回补效果评价层次模型(图 3)。

2.2 指标计算方法

对地下水回补效果进行评价是通过分析补水前后评价指标的变化来评价生态补水对河湖水量、地下水水位和水质、生态环境的改善效果。评价指标的数据获取方式和计算方法见表 1。

由于降水量大小对地下水入渗回补和地下水水位变化影响较大，故需要对特殊降水年份(如丰或偏丰、枯或偏枯)扣除降水因素影响，修正评估结果。修正主要考虑入渗回补率和地下水水位回升率2个指标。修正系数与降水等级对应关系见表 2。

2.3 指标权重及评价分类 2.3.1 指标权重及分级量值划分

各指标因子对地下水回补效果的影响程度不同，在评价体系中的作用也有差异。本次研究采用层次分析法结合专家经验来构造判断矩阵(表 3)，通过和积法计算判断矩阵的最大特征根和相对应的特征向量，进行归一化处理即可得到各个指标因子的权重值(表 4)。从简单实用的角度出发，使用自然断点法将指标值域(0~≤100%)平均划分为4个等级，即0~25%，25%~50%，50%~75%，75%~≤100%，其对应量值依次赋值为25，50，75，100。

2.3.2 评价结果分类

按照指标权重和量值标准可以计算各项评价指标的分值，各项评分之和为地下水回补效果评价总得分。由于地下水回补对于治理地下水超采、改善生态环境是积极有益的，因此评价结果按照总得分分为：较差(＜30)、一般(30~60)、较好(60~80)和非常好(80~≤100)4个等级。

3 地下水回补效果评价 3.1 指标体系构建 3.1.1 入渗回补率

按照测算，3条试点河段补水总量为145 420万m³，区间汇入水量约10 000万m³，总降水量900万m³，总汇入水量143 000万m³，根据水量平衡公式^[16]计算得到3条试点河段入渗回补地下水量为95 185万m³(表 5)，并最终算得平均入渗回补率(入渗回补地下水量占总补水量的比例)约为65%。经计算得到滹沱河、滏阳河、南拒马河入渗回补地下水量分别为68 598万、18 614万、10 973万m³，入渗回补率分别为80%，44%，57%。

3.1.2 地下水水位回升率

根据补水前后地下水动态监测数据，得到试点河段平均地下水水位动态变化分布(图 4)。根据滹沱河、滏阳河、南拒马河地段分布的多眼地下水位监测井数据，对比分析补水前后地下水水位埋深变化。3条补水试点河段10 km范围内地下水位平均下降0.03 m，总体呈基本稳定态势。滹沱河地段地下水位平均上升0.33 m，滏阳河地段地下水位平均下降0.23 m，南拒马河地段地下水位平均下降0.29 m；而同期同区域未补水区域(试点河段10 km范围外区域)地下水位平均下降0.96 m，历史降水相似年份(2014年)同期试点河道10 km范围内地下水位平均下降4.14 m。对比可判断补水后地下水位相对升高，补水效果明显。通过对研究区地下水监测井水位数据进行克里金插值计算，获得滹沱河、滏阳河、南拒马河及周边10 km范围地下水位回升率分别为36%，17%，6%。

3.1.3 水质改善度

分析3条河段11个地表水水质监测断面数据(表 6)得出，6个断面水质类别有所改善，3个断面水质类别基本稳定，2个断面水质恶化。其中：地表水水质改善和稳定比例为80%，滏阳河地表水水质改善和稳定比例为67%，南拒马河地表水水质稳定和改善比例为100%；2个水质恶化断面主要是受后期补水流量减小影响，监测断面处于断流状态，水体不流动，受气温、污染物等影响，水质逐渐变差。利用地下水监测井监测数据(表 7)，分析补水前后地下水水质变化情况。结果表明：试点河段所在区域地下水水质本底较差，补水后河道附近地下水水质有所改善，部分水质指标明显降低。其中，南拒马河地下水水质改善效果明显，改善比例为36%，滹沱河、滏阳河改善效果不明显，改善比例分别为21%，-8%。根据3条河段地表水、地下水水质改善度，采用公式(1)进行综合评价计算：

式中：α为地表水水质改善度；β为地下水水质改善度。

计算得滹沱河、滏阳河、南拒马河水质改善度依次为51%，34%，90%。

3.1.4 水面面积变化率

利用补水前到补水后整个补水期内的每个月的遥感影像，解译不同阶段试点河段水面面积。对比分析表明，与补水前试点河段严重断流情况相比，补水后，补水河段实现了水面全线贯通，水面面积明显恢复。滹沱河、滏阳河、南拒马河在补水2个月时水面面积增加均达到最大，其中滹沱河水面面积增加明显，最大新增水面面积为21.00 km²。补水结束时3条河段水面面积为30.00 km²，较补水前增加了8.56 km²，水面面积变化率为39%。其中滹沱河增加8.91 km²，水面面积变化率为78%；滏阳河、南拒马河分别减少0.09，0.26 km²，水面面积变化率分别为-2%，-4%。

3.1.5 水生态改善度

通过对3条补水河段与参照河段(试点范围内断流的河段)生态环境状况(表 8)对比分析得出：补水后3条试点河道水生生物物种和岸坡植被有所恢复，生物多样性有所提高，水生态环境改善较为明显。根据表 8数据，采用公式(2)计算各类生物的水生态改善度，然后取平均值得到综合的水质改善度。

式中：m₀为补水前(或参照河段)生物种类数；m₁为补水后生物种类数。

计算得滹沱河、滏阳河水生态改善度分别为46%，87%，南拒马河各类物种生物多样性较高，平均水生态改善度为94%。

3.1.6 公众满意度

从补水量大小、水位回升情况、水质改善程度、生态改善程度等方面对河道沿岸附近民众开展调查。对于生态补水，90%受访者认为河道水量明显增多，对生态补水成果表示满意；对于生态补水带来的好处，83%的受访者认为地下水位有回升迹象，75%的受访者认为生态景观得到改善，80%的受访者认为补水后水质有所改善。经调查统计评价，滹沱河、滏阳河、南拒马河公众满意度分别为90%，90%，80%。

3.2 评价结果分析

根据指标评价权重(表 4)及量值方法，同时考虑2019年为降水偏枯的年份，对入渗回补率、地下水水位回升率评价计算结果进行修正，对各指标重新量值并乘以权重后求和，得到3条河段的最终评价得分，见表 9。

由表 9可见，滹沱河评价得分84分，评价等级为“非常好”，滏阳河评价得分47分，评价等级为“一般”，南拒马河评价得分64分，评价等级为“较好”。3条试点河段各项指标评价得分与实际补水效果一致。3条试点河段地区地下水位回升率评价得分均较低，与水位监测的实际情况一致。从实际监测数据来看：滹沱河地区地下水位平均上升0.33 m，滏阳河、南拒马河地区地下水位平均下降0.23、0.29 m。滹沱河入渗回补率和水面面积变化率评价得分最高，与实际补水情况一致。由于补水量多少直接影响入渗回补地下水量和水面面积的变化，补水量越多，水面面积增加越明显，入渗回补地下水量越多。3条河段中滹沱河补水量最大，为840 077万m³，滏阳河补水量为42 345万m³，南拒马河补水量为18 998万m³。水质和水生态的改善情况不仅受补水量多少的影响，也与河道天然本底情况、补水水质和河道沿线周边环境相关。综合来看，南拒马河水质水生态环境评价结果最好，与实际情况一致。

综合评价结果可知：滹沱河评价等级为“非常好”，是由于入渗回补率和水面面积变化率这2个重要指标起了决定作用，其主要受河段补水量的影响；南拒马河评价等级为“较好”，是由于水质改善度和水生态改善度这2个指标最高，虽然该河段补水量最低，但河段本身水质和水生环境情况良好；滏阳河评价等级为“一般”，具体表现为入渗回补率、地下水回升率、水面面积变化率及水质改善度较低，主要是由于该河段补水量较低，而且受补水后期灌溉抽取地下水增多、补水流量减小及降水偏少等因素影响。

4 结论

1) 研究区范围地下水回补成效显著：补水结束较补水前新增水面面积8.56 km²，河道水质明显改善，河段生态有所恢复，生物种类有一定增加，岸边植被增多；入渗回补地下水量约95 185万m³；与未补水区域相比，地下水水位总体呈稳定态势，部分区域地下水水质有所改善。

2) 采用层次分析法，从水量、水质、水生态、社会影响这4个方面选取指标建立的地下水回补效果评价指标体系，其指标因子具有可获得性和动态性，评价方法具有可操作性和简便性，评价结果更具有综合性。

3) 滹沱河、南拒马河、滏阳河补水效果评价等级分别为“非常好”“较好”“一般”，评价结果与实际补水效果基本一致，证实该评价指标体系进行地下水回补效果评价具有一定的适用性，可为水资源管理评价工作提供理论依据和技术支撑。