基于用水安全的地下水资源可持续利用研究——以延边州为例

王 磊，梁 秀 娟，李 宏 伟，鲁 华

(1. 吉林大学 地下水资源与环境教育部重点实验室，吉林 长春 130021; 2.吉林大学 新能源与环境学院，吉林 长春 130021)

1 研究背景

在水资源需求非常大的今天，水资源可持续利用是目前乃至将来都必修严肃认真对待的课题。水资源可持续利用的定义是：在维持水的持续性和生态系统整体性的条件下，支持人口、资源、环境与经济协调发展和满足代内及代际人的用水[1-2]。目前，国内外学者对水资源可持续利用评价进行了相应的研究。

(1) 发展过程。从地下水可持续利用机理的研究开始[3]，到地下水资源可持续利用评价体系的建立[4]，再到地下水资源可持续利用的综合评价[5]。

(2) 研究内容。由地表水资源的可持续利用开始[6]，到地下水资源的可持续利用研究[7-9]，再到矿泉水资源的可持续利用的研究[10-11]。

(3) 评价方法。开展水资源可持续利用评价过程采用的主要方法包括：灰色聚类评价法[12-13]、多目标层次分析法[14]、Bossel理论法[15]以及神经网络法[16]等。

然而当前社会水资源的需求，不仅是地下水资源可持续利用的问题，还应满足用水安全方面的渴求。用水安全的概念来自于水安全，水资源安全为在一定时空条件下，能够持续、稳定、保质保量地满足人类及社会发展中对水资源的需求，同时又能保障生态环境良好运行的水资源的状态[17]。用水安全在水资源开发利用中存在着至关重要的作用。在以往有关地下水资源可持续利用的研究中，对于用水安全方面并没有明确的体现。本文根据延边州的实际情况，以用水安全为前提，对地下水资源的可持续利用进行分析，旨在维护用水安全的前提下，针对地下水的可持续性开采利用问题展开讨论，希望能为同类研究提供依据。因此，本次研究除了具有一定的理论意义，还具有实际应用价值。

图1 地下水资源可持续利用指标体系示意Fig.1 The map of sustainable utilization of ground water resources

2 研究区概况

将延边朝鲜族自治州作为研究区。该区北邻黑龙江省的牡丹江市,西部与吉林省的吉林市和通化市相连,南部和朝鲜民主主义人民共和国隔江相望，东部和俄罗斯联邦相邻。总面积为42 700 km2。

延边朝鲜族自治州属于中温带湿润季风气候区。多年平均降水量为595.0 mm，雨量集中在6，7，8三个月。

延边州地下水资源主要赋存于延吉盆地、珲春盆地、敦化盆地以及罗子沟盆地。延边州2017年的浅层地下水资源量为26.13亿m3，地下水实际开采量为0.85亿m3/a、地下水可开采资源量为10.89亿m3/a。其中，珲春市、图们市、延吉市和龙井市的开发利用程度较高，分别为13.29%，11.68%，10.62%和9.64%。

2017年，在延边州取了98组地下水样，根据地下水质量标准中的评价指标进行了51项指标的测试和分析。其中，Fe、硝酸盐、耗氧量、氨氮这4项指标超标。Fe超标主要分布在敦化市和安图县；硝酸盐超标主要分布在敦化市、安图县、汪清县、图们市、和龙市、珲春市，耗氧量超标主要分布在敦化市、安图县；氨氮超标主要分布在敦化市、安图县、汪清县、图们市、珲春市。从地下水水质来看，延边州的用水安全堪忧。

3 地下水资源可持续利用研究

3.1 研究方法

针对延边州地下水水质和开发利用的特点，建立了地下水资源可持续利用安全评价体系。采用直线法对指标进行标准化，采用多目标层次法来确定指标的权重，通过加权直线法来确定延边州地下水资源可持续利用的发展状态。

3.2 评价指标体系的建立

地下水可持续利用评价指标体系以社会、经济、资源、环境协调发展为主导思想，以用水安全为基本前提，结合延边州地下水资源开发利用、社会经济发展及生态环境情况，建立了地下水资源可持续利用评价指标体系，如图1所示。

3.3 指标的计算方法

针对延边州地下水资源的水质和水量，选取了23个指标来对其可持续利用研究情况进行评价。表1为每个指标的计算方法，本文采用直线型指标标准化方法对指标值进行处理[10]。

表1 地下水资源可持续利用指标计算法Tab.1 Calculation of index for sustainable utilization of ground water resources

3.4 权重的计算方法

采用层次分析法来计算权重，在层次结构中,判断矩阵是通过数值来比较、判断某一层次各个元素针对前一个层次的某元素的重要性的矩阵。判断矩阵中，各元素的数值一般由1～9标度法来确定[18-19]。确定矩阵中元素的数值后，利用公式(1)和公式(2)来计算判断矩阵的特征向量Wi(权重)以及最大特征根λmax。计算公式如下：

(1)

(2)

式中,(AW)i表示向量AW的第i个元素。

计算出特征向量Wi(权重)，还需借助于公式(3)和公式(4)对其进行一致性检验。RI为判断矩阵的平均随机一致性，可查表得；一般认为一致性比例为CR<0.1时，才达到令人满意的结果。

(3)

(4)

3.5 数据来源及权重的确定

3.5.1 数据来源

本文的水质数据来自黑龙江谱尼测试科技有限公司(资质认定证书编号 150800140504)给出的水质监测结果；地下水资源的实际开采量、地下水开发利用程度、工业用水量、生活用水量、生态用水量、工业水重复利用量以及水功能区合格率数据主要是来自2008～2014年《延边朝鲜族自治州水资源公报》，数据值取其多年平均值。降雨量、地下水资源量、土地面积的数据来自《吉林省水资源》；人口总量、GDP、人口增长率、森林覆盖率、污水处理率、环保事业的投资数据来自《延边朝鲜族自治州国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》和《吉林省统计年鉴》。

3.5.2 权重的确定

(1) 准则层权重。以用水安全系统为主要考虑的影响因素，地下水资源系统相对次之。社会经济系统要与生态系统并重，仅次于地下水资源系统。

(2) 方案层权重。安全系统中合格水质面积率为主要考虑因素，其次考虑不合格水质地区地下水中Fe、硝酸盐、耗氧量、氨氮的达标率；地下水资源系统中，地下水的实际开采模数指标为主要考虑因素，其次考虑降雨量、地下水可开采模数、开发利用程度，人均地下水占有量相对前4种指标的影响程度略轻；社会经济系统中，工业万元产值用水量指标为主要考虑因素，农业用水比例、工业用水比例、工业用水重复率指标相对次之，人口密度，人口增长率、GDP增长率、人均GDP的影响程度相对来说略轻；生态系统中环境保护投资指数、城市污水处理率指标为主要考虑因素，水功能区合格率、生态环境用水率指标相对次之，而延边州的自然条件决定其森林覆盖率的权重不大。

3.6 现状评价

运用加权直线法来计算可持续利用状态，即将每个指标的目标层权重与相对应的无量纲指标值相乘的结果相加。表2为地下水资源可持续利用指标最终水平；表3为地下水资源可持续利用指标水平度量标准。

表2 地下水资源可持续利用指标最终水平Tab.2 Final level of index for sustainable utilization of ground water resources

表3 地下水资源可持续利用指标水平度量标准Tab.3 Standard of sustainable utilization of ground water resources

3.6.1 计算结果分析

(1) 延边州的地下水资源可持续利用指标为1.97，可持续利用发展态势危险。

(2) 安全系统可持续利用指标为1，为不可接受的状态，严重影响了整个体系的可持续利用，主要是因为延边州第四系地下水水质较差所致。天然状态下，用水安全得不到保证，尤其是生活用水安全得不到保证，致使地下水的可持续利用体系受到严重的影响。地下水的主要超标项目为Fe、硝酸盐、耗氧量、氨氮。Fe超标是由于东北地区原生地质环境所造成的；硝酸盐、耗氧量超标是由于延边州的工业废水以及生活废水的不合理排放所造成的。氨氮超标是由于农田种植时化肥的过量使用造成的。

(3) 地下水资源系统的地下水资源可持续利用指标为2.66，可持续利用发展态势一般，主要因为地下水资源的实际开采量不大，能够得到可持续发展。

(4) 社会经济系统的地下水资源可持续利用指标为3.19，可持续利用发展态势良好，说明延边州的社会经济发展是很优越的，能够维持可持续利用的状态。

(5) 生态系统的地下水资源可持续利用性相对要差些，为2.16，接近危险状态，主要原因是环境保护投资的力度不够，尤其是在水污染治理方面的投资力度不够。

3.6.2 地下水不可持续利用地区和资源量

根据现状评价结果,将延边州地下水资源不可持续利用的地区进行了划分，并对这些地区的地下水资源不可持续利用量进行了计算，计算结果列于表4中。

表4 地下水资源不可持续利用量Tab.4 Unsustainable utilization quantity of ground water resources

(1) 地下水资源中，达到Ⅲ类水质及其以上要求的地下水资源量为22.58亿m3，占区域土地面积约为34 251 km2，这部分地下水资源能够达到可持续利用；

(2) 达到Ⅳ类水质要求的地下水资源量为1.54亿m3，占区域土地面积约3 681 km2，这部分地下水资源达不到可持续利用；

(3) 达到Ⅴ类水质要求的地下水资源量为2.01亿m3，占区域土地面积约4 768 km2，这部分地下水资源达不到可持续利用。

3.7 地下水资源可持续利用的对策

基于用水安全的延边州地下水资源可持续利用受到了影响，因而天然状态下不能很好地满足延边州用水的需求，特别是不能满足生活用水的需求。根据研究结果，提出了以下几条有关地下水资源可持续利用的对策。

(1) 分质供水。以水质符合饮用水标准的地下水作为饮用水，在两江乡、石门镇、雁鸣湖乡、沙河沿镇、凉水镇和春阳镇，以水质能够符合工业用水的Ⅳ类地下水作为工业用水。

(2) 集中供水。对于用水不安全的地区，建议以村屯为整体，以深层、优质的地下水作为集中供水水源，以解决居民的饮水问题。

(3) 集中进行水处理。对于用水不安全的地区，供水处理设施进行水质净化，净化后的水质达到饮用水标准后再供水。

(4) 加大污水处理力度。在延边州的每个乡镇，建设污水输送和处理设施，加大对废污水的处理力度，水质达标后才可允许排放，防止对地下水造成进一步污染。

(5) 控制化肥使用。对于农业灌溉面积较大的区域，比如敬信镇、月晴镇、凉水镇，加强对农药的使用管理，严禁使用高毒、高残留农药，减少化学农药的喷施次数和用药量，优化调度，合理控制化肥农药施用时间，防止对地下水水质造成污染。

4 结 论

本文以用水安全为基本前提，结合延边州的地下水资源的开发利用、社会经济发展及生态环境情况，建立了地下水资源可持续利用评价指标体系。评价结果表明：

(1) 延边州的地下水资源可持续利用指标为1.97，说明可持续利用发展态势危险，主要是因为延边州第四系地下水水质较差，致使用水安全得不到保证。

(2) 延边州的地下水资源可持续利用量为22.58亿m3，占区域土地面积为34 251 km2。

(3) 由于水质不符合用水安全而造成的地下水资源不可持续利用量为3.54亿m3，占区域土地面积为8 449 km2。

根据研究结果，提出了以下有关改进地下水资源可持续利用的措施：① 分质供水；② 集中供水；③ 集中进行水处理；④ 加大对污水的处理力度；⑤ 控制化肥的使用量。