河北省地下水超采治理效果过程化评价

于翔，解建仓，姜仁贵*，赵勇，杨小雨，梁骥超

(1.西安理工大学省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室，陕西 西安 710048；2.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；3.西安工程大学环境与化学工程学院，陕西 西安 710048)

河北省作为中国重要的粮棉产区，其水资源供需矛盾突出，从20世纪70年代开始大量开采地下水，地下水位持续下降，至今地下水仍严重超采，尤其是深层地下水[1].地下水超采带来了一系列生态环境问题，例如，河流湖泊枯竭、地面沉降及海水入侵与倒灌等，河北地下水超采治理刻不容缓[2-4].2014年中央1号文件中提出开展华北地下水超采漏斗区综合治理工作，河北平原区的沧州、衡水、邢台及邯郸4个地市作为地下水超采治理试点地区，从农业、林业及水利3个方面实施相关节水压采措施，从而推进地下水超采治理工作[5].经过几年的超采治理，取得了初步效果，2019年水利部联合四部委印发了《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，该方案作为京津冀地区地下水超采治理的行动纲领，为切实解决华北地区超采问题提供指导.近年来，河北省各市、县制定各阶段地下水超采治理工作的计划，并积极推进地下水超采治理工作的实施[6].从目前地下水超采治理效果和实施的过程来看，已经取得了一定治理效果，但不能只看到眼前的成效，而应该提高投入和治理的实效，科学合理的评估治理效果才能保障治理工作长期有效推进.地下水超采治理效果评估同时也是加强国家财政支出管理，提高资金使用效益的重要手段.因此，文中主要对河北省地下水超采治理效果进行评价，实现对地下水资源和治理工作的监管，为地下水资源管理提供科学依据和决策手段，促进地下水资源的可持续发展.

国内外学者在地下水评价方面开展了大量研究，并取得了一系列的成果.朱雪芹等[7]将环境问题作为评价基本因子来评价哈尔滨市地下水开采安全性.唐克旺等[8]分别通过综合评价和污染评价对中国平原区浅层地下水水质进行评价.付强等[9]通过应用多种模型对三江平原地下水脆弱性进行评价，并比较各方法的优缺点，为地下水脆弱性评价提供参考.杨国强等[10]根据地下水系统受胁迫而改变状态，使得环境产生响应的过程，提出地下水超采综合评价过程.孙才志等[11]结合自然灾害风险理论和GIS空间分析方法对地下水环境风险进行评价.李晓英等[12]采用水均衡法对西北地区地下水资源进行了定量计算来评价区域地下水资源量.金菊良等[13]从承载标准的角度，考虑承载主客体不同的承载水平，从而建立水资源承载力评价模型，并用该模型评价陕西省水资源承载水平.现有文献主要集中在地下水环境、水资源承载力和脆弱性评价方面，对地下水超采治理工作效果开展阶段性、过程化评价方面的研究相对较少.

文中以河北省近几年的超采治理工作为背景，分析治理措施实施的效果，剖析存在的问题及其解决办法，进而对整个超采治理过程进行评价反馈.基于综合集成平台将评价过程可视化、评价方法组件化，提出基于过程化的评价服务模式.采用信息化手段实现对地下水超采治理效果的过程化评价，根据评价结果的反馈优化来改进治理的实施方案.以河北省衡水市为例，根据治理效果划分4类评价主题，构建评价指标体系，基于过程化评价服务模式对治理效果进行评价.

1 数据和方法

1.1 研究区域及数据来源

河北省是中国地下水超采最严重的地区，主要分布在河北东南部平原区，包括石家庄、保定、廊坊、沧州、衡水、邢台及邯郸市.河北从2014年全面开展地下水超采综合治理试点工作，治理试点区域主要包括沧州、衡水、邢台和邯郸4个地市，治理区域面积约36 000 km2，占全省面积的19%；耕地面积3 370万亩，占全省的34%；浅层及深层地下水超采量分别为27.0亿m3，21.5亿m3，占全省的45%和70%[14].其中，衡水市全境属于地下水严重超采区，由于浅层地下水为咸水，大量开采深层地下水，造成了地下水位的大幅度下降，形成冀枣衡深层地下水漏斗区，引起地面沉降等一系列生态环境问题.因此，衡水市地下水超采治理工作刻不容缓.2014年初衡水市作为综合治理工作试点市，治理面积广、投入资金多，并取得了一定的治理效果，因此文中主要以衡水市为研究区域进行治理效果评价研究.

地下水环境状况和土壤环境状况指标数据来源于《河北省地下水位监测报告》《河北省环境状况公报》《衡水市生态环境保护“十三五”规划》.水资源利用状况指标数据来源于《河北省水资源公报2013—2017》《衡水市水利发展“十三五”规划》《衡水市水资源评价报告》、社会经济状况相关指标数据来源于《河北省统计年鉴》《衡水市统计年鉴》《衡水市2013—2017年国民经济和社会发展统计公报》，地下水开采量、压采量及水位监测数据来源于河北省水文水资源勘测局.

1.2 过程化评价模式

传统评价大多为总结性评价，是在项目完成后来判断其结果是否符合预期成果，不能及时和全面地反映出项目实施过程中各因素的发展变化，因此引入过程化评价模式来弥补传统评价的不足.过程化评价模式是一种导向性评价，它来源于过程哲学理论，目前常应用于教学领域，主要对学习过程进行评价.过程化评价基于考核过程追踪机制，通过不断循环、反馈与跟踪，将评价分解到问题处理的全过程，从而将评价落实到解决问题过程中的环节上[15].

图1为治理效果过程化评价流程.文中将过程化管理的核心思想应用于地下水超采治理效果评价中.根据过程化评价模式设计评价流程，如图1所示.首先根据目前治理措施和实施方案，收集和监测指标数据，选取的指标需要反映地下水超采的现状.其次，将收集的评价指标结合评价标准，采用不同的评价方法，根据不同主题进行评价.根据评价结果的对比分析，找出影响评价结果的主导因素.最后，当评价结果较差时，通过影响因子识别主要影响因素，参考专家意见制定解决方案；当评价结果较好时，将治理措施和方案总结优化，积累地区经验知识库.因此过程化评价不是以预期成果论好坏，而是通过追踪结果来反馈信息、改进方案，将解决和修复存在的问题作为目标，从而提高治理工作的积极性.

图1 治理效果过程化评价流程Fig.1 Process evaluation for governance effect

1.3 评价指标体系构建

构建科学合理的评价指标体系是治理效果评价的关键，文中基于过程化评价模式，对地下水超采带来生态环境问题进行梳理，结合地下水环境、土壤环境、水资源利用、社会经济4大主题，构建主题化评价指标体系，并且将地下水超采治理效果作为目标层，将准则层划分为地下水环境状况、水资源利用状况、土壤环境状况、社会经济状况4大子系统.

表1为评价主题，指标筛选及等级划分表.根据实地调研、参考现有研究成果[16-18]，以及《地下水质量标准》《地下水资源量及可开采量补充细则》《土壤环境质量标准》《土地利用现状分类》《节水灌溉工程技术标准》《国民经济行业分类标准》《水资源规划规范》《建设项目水资源论证导则》等国家标准、规范，基于科学性、可操作性、动态性等原则，采用层次分析、理论分析和专家咨询来筛选指标，共选取34个评价指标，并将治理效果评价指标划分为从Ⅰ到Ⅴ级共5个等级，分别表示优、良、中、较差、差(见表1).

表1 评价主题、指标筛选及等级划分Tab.1 Evaluation theme,index and classification

地下水具有动态性和区域性，在评价各地区的治理效果时，不能用统一的标准进行评价.文中选取的评价指标适用于河北地下水超采区，并为其他地区提供一定的参考，其他超采区可以根据实际情况和自身需求的变化，有针对性地选择和确定适合本地区的评价指标和标准值.

1.4 评价方法组件化

评价方法组件化是基于组件技术将数据和方法进行封装后提供输入及输出接口，从而完成评价运算过程，根据评价方法的计算流程，将权重计算和评价方法组件化，并通过服务器发布来构建评价方法组件库[18].决策者只需在组件库选择需要的评价方法组件，便可快速进行评价计算.超采治理效果评价是一个多指标、多主题、多层次的综合评价，可以借鉴很多方法，如模糊综合评价、物元分析法、灰色关联分析等.文中主要采用灰色关联分析评价方法，下面以该方法为例，分析如何将评价方法组件化.

第一步，首先给出灰色关联综合评价的步骤[19-20]：

(1)

2) 指标的规范化处理(量纲一化)，对于正向指标根据规范化公式(2)处理，对于负向指标根据规范化公式(3)处理.

(2)

(3)

式中：cij中i表示第i年，j表示第j指标.

3) 计算灰色关联系数，采用关联分析法分别求出第i个主题下第k个指标与最优集第k个最优指标值的关联系数ξi(k)，即

(4)

式中：ρ为分辨系数，一般取ρ=0.5，ρ越小关联系数间差异越大，区分能力越强，cok为第k个指标的参考值；cik为第k个指标的实际值.

4) 关联度计算与评价分析中，灰色关联度计算公式为

(5)

式中：wi为第i个评价对象的权重；ri为第i个评价对象对最优集的灰色加权关联度.最后根据灰色加权关联度的大小，对各评价对象进行排序，灰色关联度越大，评价结果越好.

第二步，根据灰色关联综合评价的步骤，进行组件的设计与开发，将评价方法划分为2个输入组件，包括评价指标集和评语集数据组件；3个计算组件包括指标规范化处理组件、灰色关联系数和灰色加权关联度计算组件；1个输出组件为灰色关联评价结果输出组件.根据上一步中评价步骤来确定各组件之间的逻辑关系，如图2所示.

图2 灰色关联综合评价组件逻辑关系Fig.2 Relation of grey comprehensive evaluation component module

第三步，基于综合集成平台调用组件，在进行评价时直接从组件库中调用各类方法组件进行计算，便可获得评价的权重及计算结果，最终对评价结果进行对比.

2 结果与讨论

2.1 主题评价结果分析

在确定评价主题及对指标进行优选后，根据1.3节步骤将评价方法、指标数据和权重组件化.以超采区域比较严重的衡水市作为评价区域，选择2013—2017年进行评价，从而对比2014年治理前后的效果.采用灰色关联方法组件进行计算后，得到不同评价等级下的灰关联度，从而对各年份进行评价等级的判定，衡水市地下水超采治理效果评价结果见表2.

表2 2013—2017年衡水市的灰色关联综合评价结果Tab.2 Evaluation result by grey comprehensive evaluation from 2013 to 2017 in Hengshui city

从表2中可以看出，衡水市从2013年差(Ⅴ)，到2014年较差(Ⅳ)和2015年中(Ⅲ)的评价结果，并逐年好转到2016年和2017年的评价结果均为良(Ⅱ).根据不同主题下的指标进行灰色关联评价，得出2013—2017年各主题下的评价结果，见表3.

表3 2013—2017年各主题评价结果Tab.3 Evaluation result of different themes from 2013 to 2017

从表3中可以看出，治理前后这几年的地下水环境状况由差(Ⅴ)转为良(Ⅱ)，水资源利用状况和土壤环境状况评价等级均由治理前的较差(Ⅳ)到治理后转为中等(Ⅲ).而社会经济状况相对稳定，近几年一直处于中等水平(Ⅲ)，表明衡水市的社会经济发展稳中有进，而且对于治理效果评价的影响相对较小，其他3个主题影响相对较大一些.而且衡水市2013—2017年评价结果与主题评价结果趋势基本一致.

根据2014和2017年地下水位监测数据，绘制河北省深层地下水的埋深分布，如图3所示，可以看出，2017年与2014年相比，地下水漏斗面积明显缩小，60%的面积呈现回升态势，2017年底深层地下水埋深66.02 m，2014年同期平均埋深71.71 m，埋深回升5.69 m.根据文献研究成果对比分析，衡水市经过3年的地下水超采综合治理，到2017年完成压采量6.2亿m3.治理前后大部分地区的地下水水位回升、稳定，地下水位持续下降趋势得到遏制，地下水用水量占比减少，土壤环境得到进一步改善，地下水超采治理效果显著[21-22]，进一步验证评价结果，同时验证评价方法的可靠性和过程评价的合理性.

图3 2014及2017年河北省深层地下水埋深分布Fig.3 Depth distribution of deep groundwater in 2014 and 2017

2.2 影响因子相关分析

根据主题评价结果的分析之后，首先要找出影响评价结果好坏的关键因子，从而才能分析出影响治理效果的主导因素.根据3.1节的评价结果看出2013和2014年的评价等级相对较差，因此这里主要对治理前两年的指标数据与评价结果进行相关分析，并对主要影响因子进行识别，如图4所示.

图4 影响因子相关分析Fig.4 Correlation analysis of influence factors

从图4中可以看出，在2013和2014年主要影响超采治理效果的指标有深层地下水埋深变幅(W1)、年径流深(W3)、氨氮(W5)、亚硝酸盐(W6)、氯化物(W7)、总硬度(W8)、地下水开采率(R1)、地下水占总用水量比(R2)、高效节水灌溉面积比重(R5)、关停机井数量占比(R7)、植被覆盖率(S1)、复种指数(S2)、化肥施用强度(S5)、土壤含盐量(S9)、农村居民人均收入(E4).

根据以上指标影响分析，发现衡水市在治理前存在的主要问题包括：大量机电井进行抽水灌溉，地下水用水量较大及地下水开采率较高，而且相关的农业节水措施较少，从而导致地下水位持续下降、水质恶化、土地盐碱化，同时化肥农药的过度使用造成土壤污染，农村居民收入水平相对较低等.以上都是影响衡水市超采治理效果的主要因素.

2.3 结果的反馈与优化

基于主题评价的结果和影响因子的识别分析来反馈和优化治理措施的方案，从而形成一个过程化、可调节的动态评价体系.根据2.2节中指标影响分析找出影响治理效果的主要因素，针对影响主要因素提出治理措施，从而解决衡水市地下水超采问题.根据专家意见的反馈，一方面通过调整种植模式、保护性耕作、水肥一体化、非农作物替代、井灌高效节水等措施来强化节水，降低对水的需求；另一方面通过引调水工程、地表水替代地下水、关停机电井、微咸水和再生水开发利用等措施找到替代水源，减少地下水开采.

衡水市从2014年开始进行超采治理试点工作，并采用以上治理方案，从农业、林业和水利3个方面推进各种压采措施的实施.根据衡水市近几年的压采成果，绘制不同措施地下水压采量占比图，如图5所示.

图5 2017年不同措施地下水压采量占比Fig.5 Proportion of groundwater exploitation control quantity under different measures in 2017

图5中农业项目占总压采量的51.7%，其中调整种植结构、种养结合和旱作、冬小麦春灌节水、保护性耕作、水肥一体化各项压采量分别占30.0%，3.0%，11.5%，2.7%，4.5%.林业项目形成压采0.37亿m3；水利项目形成压采2.6亿m3，其中地表水替代地下水项目压采1.57亿m3，井灌高效节水压采地下水0.99亿m3，微咸水利用压采地下水0.04亿m3.根据现有研究成果进行对比分析，发现从2014年以来衡水市关停机电井5 167眼，井灌区、渠灌区节水灌溉率分别提高了3%和10%，漏斗中心的深层地下水埋深较2014年回升了21.54 m，到2017年的实现地下水压采量6.2亿m3，地下水超采治理效果显著[21-22].随着衡水市治理工作逐年推进，不断总结治理经验，经过经验积累和方案优化，不仅弥补自身不足，还可以将其推广至其他超采区.

3 结 论

1) 文中提出过程化评价模式，既肯定阶段性评价结果并反馈潜在问题，同时保障了治理措施方案的高效落实.从评价指标、方法、识别、判定，到评价结果的引导、辅助支持治理方案改进，过程化评价模式既量化了超采治理效果及影响，又摸清不同方案的实施效果与可行性，为其他超采区治理提供有益借鉴.

2) 基于地下水超采治理效果过程化评价模式，划分地下水环境状况、土壤环境状况、水资源利用状况、社会经济状况4个主题，选取34个代表性指标构建评价指标体系，提出5个评价等级划分标准，将评价方法组件化、评价过程可视化，基于综合集成平台对地下水超采治理效果进行过程化评价.通过结合实例研究，衡水市2013—2017年地下水超采治理效果评价等级由差转为良，结果表明治理效果逐年提高.

3) 地下水超采综合治理是一个长期的过程，利用信息化手段实现对地下水超采治理效果的过程化评价，才能保障治理工作长期有效推进，同时为地下水资源管理提供科学依据和决策手段，促进地下水资源的可持续发展.