基于和谐评估方法的地下水可持续利用评价研究

2020-11-06郑二伟李溦凌敏华

人民黄河 2020年10期

郑二伟李溦凌敏华

摘要：开展区域地下水可持续利用评价，掌握地下水可持续利用状况，对于实现地下水资源可持续利用及保障供水安全和支撑经济社会发展具有重要意义。构建了涵盖地下水资源、经济社会、生态环境系统的地下水可持续利用评价指标体系，基于和谐评估方法建立了地下水可持续利用评价模型，对2001—2018年河南省及其18个地市地下水可持续利用状况进行了评价。结果表明：河南省地下水可持续利用水平呈逐年升高趋势，但仍处于“接近不可持续”水平;18个地市地下水可持续利用水平呈南高北低、西高东低的格局。河南省应进一步加强地下水超采治理与保护，以实现地下水可持续利用。

关键词：地下水;可持续利用;和谐评估方法;河南省

中图分类号：TV213.9 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.10.014

Research on Evaluation of Sustainable Utilization of Groundwater

Resources Based on Harmonious Assessment Method

ZHENG Erwei1， LI Wei2， LING Minhua2，3，4

（1.Henan Water & Power Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450016， China; 2.School of Water

Conservancy Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China; 3.Yellow River Institute for Ecological

Protection & Regional Coordination Development， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

4.Zhengzhou Key Laboratory of Water Resources and Environment， Zhengzhou 450001， China）

Abstract：Carrying out regional groundwater sustainable utilization evaluation and grasping the groundwater sustainable utilization status are great significant for realizing the sustainable use of groundwater resources， ensuring the safety of water supply and supporting economic and social development. This paper built an evaluation index system for groundwater sustainable use covering the groundwater-socioeconomic-ecosystem and established groundwater sustainable use evaluation model based on harmony assessment method. The status of continuous utilization was evaluated. The results show that the level of groundwater sustainable use in Henan Province is increasing year by year， but it is still “close to unsustainable”; the level of groundwater sustainable use in 18 cities of Henan Province is high in south and low in north， high in west and low in east. Henan Province should further strengthen the treatment and protection of groundwater over-exploitation to realize the sustainable use of groundwater in the future.

Key words： groundwater; sustainable use; harmony assessment method; Henan Province

地下水是水資源的重要组成部分，具有分布广泛、水质优良、储量稳定、易于开采等特点，在保障粮食安全、饮水安全、生态安全以及支撑经济社会可持续发展、实现人与自然和谐共生等方面具有十分重要的作用[1]。尤其在我国北方地区，部分城市高度依赖地下水，如河北、河南、山西、内蒙古等省（区）地下水供水量占其总供水量的比例超过50%[2]。长期以来，一些地区地表水资源短缺或地表水受到污染，为满足经济社会发展用水需求不得不过量开采地下水，造成地下水位持续下降，引发地面沉降、地裂缝、海（咸）水入侵、土地荒漠化等环境地质问题[3-4]。目前，全国21个省（区、市）平原区存在地下水超采，超采总面积约30万km2，华北地区地下水超采尤为严重（其超采区面积约占全国超采区总面积的60%）[2]。长期超采地下水严重影响区域地下水可持续利用，制约当地经济社会可持续发展。因此，开展区域地下水可持续利用评价，科学评估地下水可持续利用状况，分析影响地下水可持续利用的关键因素，对于科学制定地下水保护、开发利用与管理政策意义重大。

地下水可持续利用评价的关键是构建科学的评价指标体系和选取合理的评价方法[5]。在构建评价指标体系方面，M. Perez等[5]、J. Vrba等[6]选取了10个涵盖社会、经济、环境的指标，建立了地下水资源可持续利用评价指标体系;陈江等[7]在借鉴国际水文地质学家协会（IAH）提出的评价指标体系基础上，从地下水稳定性、水资源均衡性、社会经济可持续性3方面，建立了地下水资源可持续利用评价指标体系;张光辉等[8]基于地下水资源功能、生态功能、地质环境功能，建立了地下水功能及可持续利用评价指标体系。在评价方法方面，主要有主成分分析法、熵权法、层次分析法、物元分析法、投影寻踪法、模糊综合评价法等[9]。和谐评估方法是左其亭[10]于2008年提出的综合评价方法，是基于人水和谐理念的定量辨识方法。人水和谐是指在不断改善水系统自我维持和更新能力的前提下，使水资源能为人类生存和经济社会可持续发展提供久远的支撑和保障，与水资源可持续利用相辅相成[11]。因此，笔者在借鉴前人研究成果的基础上，构建地下水可持续利用评价指标体系，引入和谐评估方法，建立地下水可持续利用评价模型，并以河南省为例，分析其地下水可持续利用状况，以期为地下水管理决策提供参考。人民黄河 2020年第10期

1 地下水可持续利用评价方法

1.1 评价指标体系

地下水可持续利用受气候变化和人类活动的共同影响，气候（降水、蒸发、气温等）变化会导致地下水补、径、排发生变化，人类对地下水资源需求以及开发利用会导致地下水生态环境发生变化。地下水可持续利用的理念旨在协调平衡地下水和人类社会发展之间的关系，因此地下水可持续利用原则是协调平衡地下水资源与生态环境、经济社会发展之间的相互关系，地下水资源为经济社会发展提供所需的生产生活用水，生态环境是地下水资源损耗后的直接反映，地下水资源、经济社会、生态环境3个子系统之间存在此消彼长的矛盾对立关系。构建指标体系的关键在于准确选取反映3个子系统的指标，遵循科学性、简明性、代表性等原则，指标体系主要包括3个层次：①目标层，综合反映地下水可持续利用评价指数;②准则层，包含地下水资源、经济社会、生态环境3个子系统;③指标层，涵盖3个子系统的12个指标（见图1）。

1.2 评价方法

采用和谐评估系列方法中的单指标量化-多指标综合-多准则集成法进行评价，步骤如下[10-12]。

（1）单指标量化。各评价指标的量纲不完全相同，采用分段线性隶属函数量化方法，将各评价指标统一映射到[0，1]区间，得到评价指标的可持续利用指数。根据行业规划指标或标准、规划资料、相关研究成果等综合确定评价指标的特征节点值[12]，包括最差值（a）、较差值（b）、及格值（c）、较优值（d）、最优值（e）。评价指标分为正向指标（可持续利用指数随指标值的增大而增大的指标，其值越大对地下水可持续利用越有利）和逆向指标（可持续利用指数随指标值的增大而减小的指标，其值越小对地下水可持续利用越有利），对于某个指标k，根据特征节点值及式（1）或式（2）可计算出其可持续利用指数μk。

正向指标计算公式：

μk=0（xk≤ak）0.3（xk-akbk-ak）（ak

逆向指标计算公式：

μk=1（xk≤ek）0.8+0.2（dk-xkdk-ek）（ek

式中：μk为指标k的可持续利用指数（k=1，2，…，n，n为各准则层的指标个数）;ak、bk、ck、dk、ek均为指标k的量化特征节点值;xk为第k个指标的值。

（2）多指标综合。根据准则层所含因素t对应的各指标可持续利用指数，采用权重加权方法，综合得到准则层所含因素t的可持续利用指数HDt，计算公式为

HDt=∑nk=1ωkμk（3）

式中：t=1，2，…，T（T为准则层子系统的个数）;ωk为指标层各指标的权重，采用变权法确定[13]，变权法随评估值的变化而改变，是对常权法的修正，∑nk=1ωk=1。

（3）多准则集成。根据准则层可持续利用指数，按照权重加权方法集成得到目标层可持续利用指数HD，即地下水可持续利用指数，计算公式为

HD=∑Tt=1ωtHDt（4）

式中：ωt为准则层各子系统的权重，∑Tt=1ωt=1，鉴于经济社会、地下水资源、生态环境3個子系统同等重要，赋予准则层各子系统相等的权重。

地下水可持续利用指数反映区域地下水可持续利用的总体水平，该指数分为7个水平等级（见表1），其值越大表示地下水可持续利用水平越高[10，14]。

2 实例应用

2.1 河南省地下水资源概况

河南省位于我国中部偏东地区，横跨长江、淮河、黄河、海河4大流域，面积约16.7万km2，下辖17个地级市、1个省直辖县级市，人口居全国第三位，经济总量稳居全国第五位、中西部第一位，粮食总产量位于全国第二位，是典型的农业大省。河南省多年（1956—2016年）平均降水量771 mm，降水年内分布不均，主要集中在汛期;降水空间分布不均，从南部山区的1 400 mm递减到北部平原区的600 mm。全省多年（1956—2016年）平均水资源总量414亿m3，地下水资源量230亿m3（约占水资源总量的56%）。省内大部分地区地下水总硬度和矿化度低，水质优良，是生产、生活及生态用水的重要来源，多年平均地下水开采量约130亿m3，占总供水量的比例接近60%，地下水已成为河南省主要供水水源，在支撑经济社会可持续发展方面发挥着不可替代的作用[15]。近年来，随着河南省经济社会快速发展、城镇化加速推进，经济社会用水不断增长，地下水开采量持续增加，年均超采量11.11亿m3，地下水超采区面积约4.4万km2，约为全省面积的26%[16-17]，其中豫北、豫东部分地区超采区面积约占全省超采区面积的75%。过度开采地下水引发区域地下水位持续下降、地面沉降、水质恶化等环境地质问题，危及供水安全、生态安全和粮食安全，严重影响河南省经济社会的可持续发展[18]。

2.2 评价指标数据及来源

根据河南省实际，建立地下水可持续利用指标体系。参考地下水可持续利用相关研究成果[15-16]以及《地下水超采区评价导则》《节水型社会“十三五”规划》《生态城市建设标准》《城市居民生活用水量标准》《中华人民共和国森林法实施细则》《生活饮用水卫生标准》等相关规范，综合确定评价指标的特征节点值（见表2）。河南省2001—2018年地下水可持续利用评价指标数据（见表3）来源于《河南省水资源公报》《河南省统计年鉴》《河南省国民经济和社会发展统计公报》《河南水利年鉴》、第二次全国水资源调查评价等相关资料。受篇幅限制，各地市的指标值没有列出;河南省土地沙化、土壤盐渍化、地面沉降面积对地下水可持续利用影响不大，故C8～C10不参与评价。

2.3 评价结果

2.3.1 时间变化

河南省2001—2018年地下水可持续利用指数主要处于接近不可持续水平，呈缓慢升高趋势（见图2）。近年来河南省依靠科技进步逐步提高工业、城镇、农业节水水平，且2014年南水北调中线通水后，一定程度上缓解了河南省水资源不足的状况，截至2018年年底，河南省南水北调受水区（城区）累计压采4.51亿m3，已完成近期（2020年前）压采目标的190.2%。随着地下水压采、地表水源工程建设、农灌区节水改造和引水蓄水补源工程等治理措施逐步实施和发挥效益，使得不合理的地下水开采量得到逐步削减。

从不同子系统来看，经济社会子系统可持续利用水平的升幅最大，从接近不可持续水平向较可持续水平转变，主要原因是2001年后河南省大力推进农业节水增效措施、优化产业结构、加快工业节水减排，使得万元GDP用水量、农田灌溉地下水用水定额、人均地下水用水量持续降低，经济社会子系统可持续利用指数得到了较快增长。地下水资源子系统可持续利用水平在较不可持续状态上下波动，主要原因是地下水资源匮乏、开发率高但利用效率低、用水结构不合理。河南省人均和单位面积耕地平均水资源占有量分别为全国平均水平的1/5和1/4，是我国严重缺水省份之一，水资源匮乏导致地下水开采严重;此外，大量地下水用于农业灌溉，农业地下水供水量约占农业用水量的60%，农业用水基数大、节水技术相对落后等原因导致农业灌溉水利用率仅为57%[16，19]。由图2可看出，2001年、2012年及2013年河南省地下水资源子系统可持续利用指数明显偏低，原因是这3 a的降水量低于多年（2001—2018年）平均的20%。生态环境子系统可持续利用指数基本处于较不可持续水平，主要表现为地下水不合理开发造成的环境地质问题，如出现地下水降落漏斗、泉域枯竭、地面沉降、地层裂缝等。

2.3.2 空间变化

河南省各地市2001—2018年地下水可持续利用指数见表4，2005年、2010年、2014年、2018年地下水可持续利用指数空间分布见图3，可以看出：河南省各地市地下水可持续利用水平呈逐年升高趋势，总体上呈现为南高北低、西高东低的空间格局。地下水可持续利用水平为较不可持续的地市个数明显减少;接近不可持续的地市个数从2004年的5个增加到2010年和2014年的8个、2018年的12个;在2018年甚至出现基本可持续水平的地市。从各地市情况来看，西南部地区的信阳、南阳两市地下水可持续利用水平较高，由较可持续水平升高至基本可持续水平，原因主要是这2个地区地表水资源丰富，地表水供水量约占总供水量的80%，且随着南水北调中线通水，地下水开采量进一步减少;中西部地区的洛阳、济源、平顶山、漯河、驻马店、郑州、开封、许昌等市经济水平较高，水资源较丰富[20]，地下水开采量占比较低，地下水可持续利用水平由接近不可持续提升至较可持续水平;东北部地区的周口、商丘、焦作、新乡、鹤壁、安阳、濮阳等市地下水可持续利用水平虽有所升高，但仍处于接近不可持续水平，原因主要是东北部地区人口相对密集、农业占比大，水资源匮乏，地下水超采严重，表现为地下水位持续下降、地下漏斗问题突出，如安阳市东部平原区的内黄县、滑县形成全省最大的降落漏斗区。

3 结语

（1）本文构建了涵盖地下水资源、经济社会、生态环境的地下水可持续利用评价指标体系，基于和谐评估方法建立了地下水可持续利用评价模型，以河南省为例进行评价，表明该模型能较好地辨识影响地下水可持续利用的主要因子，可为区域地下水可持续利用评价提供新思路。

（2）2001—2018年，河南省地下水可持续利用水平呈现升高趋势，但受不合理地下水资源开发利用以及引发的环境地质问题影响，全省地下水可持续利用水平仍处于接近不可持续水平;河南省18个地市地下水可持续利用水平呈南高北低、西高东低的格局，地下水超采是影响地下水可持续利用的突出问题，导致超采的主要原因是水资源匮乏以及农业粗放式用水和农业耗水量大。

河南省应加强城市工业节水，利用南水北调水等外调水源转换城市工业供水水源，减少城市工业地下水开采量，严格企事业单位自备井封填管理，加快推进地下水超采区治理进程，实施区域地下水水位、水量双控管理，切实落实最严格地下水管理与保护，同时强化农业节水，加快推广高效节水灌溉技术，优化农业种植结构，利用引黄水、当地地表水、再生水等水源替代部分地下水开采量。

參考文献：

[1] 杨建青，章树安，陈喜，等.国内外地下水监测技术与管理比较研究[J].水文，2013，33（3）：18-24.

[2] 陈飞，侯杰，于丽丽，等.全国地下水超采治理分析[J].水利规划与设计，2016（11）：3-7.

[3] 陈江，陈宗宇，张翼龙，等.资源环境约束下的后套平原地下水可持续性综合评价[J].南水北调与水利科技，2016，14（3）：156-161.

[4] 费宇红，苗晋祥，张兆吉，等.华北平原地下水降落漏斗演变及主导因素分析[J].资源科学，2009，31（3）：394-399.

[5] PEREZ M， TUJCHNEIDER O， PARIS M. Sustainability Indicators of Groundwater Resources in the Central Area of Santa Fe Province，Argentina[J].Environmental Earth Sciences，2015，73 （6）：2671-2682.

[6] VRBA J， HIRATA R， GIRMAN J， et al. Groundwater Resources Sustainability Indicators[C]//Sustainability of Groundwater Resources and its Indicators： Proceedings of Symposium S3 of the Seventh IAHS Scientific Assembly. Wallingford，UK：IAHS，2006：3-9.

[7] 陈江，陈立.地下水资源可持续性评价的指标及其标准[J].南水北调与水利科技，2010，8（6）：118-120.

[8] 张光辉，申建梅，聂振龙，等.区域地下水功能及可持续利用性评价理论与方法[J].水文地质工程地质，2006，33（4）：62-66.

[9] 左其亭，刘欢，马军霞.人水关系的和谐辨识方法及应用研究[J].水利学报，2016，47（11）：1363-1370，1379.

[10] 左其亭.和谐论：理论方法应用[M].北京：科学出版社，2012：69-73.

[11] 左其亭，张云，林平.人水和谐评价指标及量化方法研究[J].水利学报，2008，39（4）：440-447.

[12] 左其亭，赵衡，马军霞.水资源与经济社会和谐平衡研究[J].水利学报，2014，45（7）：785-792，800.

[13] 莫崇勋，莫桂燕，阮俞理，等.基于变权法的南宁市人水和谐度评价[J].水电能源科学，2018，36（3）：30-33.

[14] 左其亭，罗增良.水生态文明定量评价方法及应用[J].水利水电技术，2016，47（5）：94-100.

[15] 周振民，徐争.河南省地下水资源开发利用红线指标研究[J].中国农村水利水电，2014（12）：27-30.

[16] 许志荣.河南地下水资源与可持续发展研究[M].郑州：黄河水利出版社，2004：23-26.

[17] 崔新华，许志荣.河南省主要城市地下水超采区评价[J].水资源保护，2008，24（6）：17-22，27.

[18] 于丽丽，凌敏华，陈飞，等.地下水禁限采区划分关键问题探讨[J].中国水利，2018（3）：18-21.