地下水库综合效益评价研究

李 云, 孙梨梨, 周维博

(1.长安大学 水利与环境学院, 陕西 西安 710054; 2.长安大学旱区地下水文与生态效应教育部重点实验室, 陕西 西安 710054)

1 研究背景

地下水库是利用天然地下蓄水空间建立的具有拦蓄、调节和利用地下水流作用的特殊蓄水工程[1]。对于地下水库的研究主要集中在分类、建库条件、调蓄、应用等方面[2-8],但早在20世纪70年代,李佩成[9]就曾指出地下水库的建设既要考虑经济效益,更要注重生态环境效益。80年代中期林学钰[10]也提出了只有对地下水库进行合理的水资源管理,才能使其水资源效益、社会经济效益最大化。郑德凤等[11]通过评价模型,首次将地下水库的水资源效益具体量化。李旺林等[12]也对地下水库的生态条件、环境因素、可持续条件做了进一步论述,提出生态环境条件也是地下水库效益必须要考虑的一环。由此可见地下水库综合效益的研究具有重要的科学价值。

近年来国内外有许多学者围绕着地下水库综合效益,对地下水库的水资源、生态环境、社会经济等进行了研究。伊朗的Habibirad等[13]基于移动克里格插值高效配置无网格法对地下水库中的污染输送进行了数值模拟。美国的Petrides Jiménez等[14]通过研究指出,地下水回灌补给含水层对水资源的恢复有较好的效果。郑西来等[15]通过评价大沽河地下水库的地下水脆弱性论证了地下水库的生态环境效益要考虑生态环境系统本身的承受能力。Liu等[16]确定了灌区具有调节地下水储量的能力,提出应适当加强地表水利用,以提高地下水库的调节能力和供水能力,保障灌区生态环境和农业安全。张志永[17]指出了地下水库的修建会对当地的生态环境造成影响。刘金玉[18]研究了三涧堡地下水库对地下水环境的影响,指出该地下水库建设后涵养了当地地下水源、改善了地下水质、提高了水资源和生态环境效益。王辉等[19]对地下水库效益的评估为有效量化地下水库综合效益的研究提供了新思路。Li等[20]对大沽河地下水库运行效果进行了评价,为地下水库综合效益评价提供了有益的参考。

综上所述,地下水库综合效益的研究仍处于探索阶段,对其内涵定义不明,包含内容也认知各异,且已有的研究一般是针对其中某一项或某几项影响因素而开展的,尚未有人从整体角度出发对地下水库综合效益进行研究。因此本文在分析前人研究的基础上,结合“陕西省石川河富平地下水库调蓄效果与生态环境关键技术研究”水利科技项目,以拟修建的石川河富平地下水库为例,对地下水库综合效益的内涵进行探讨,构建评价体系,提出评价方法,以期为地下水库综合效益研究提供科学参考。

2 地下水库综合效益

2.1 地下水库综合效益内涵及其关系

地下水库综合效益是指以调蓄水资源为主旨、以可持续开发利用为原则、以维护生态环境良性发展为条件,在建设和运行过程中的地下水库的功能价值。从地下水库综合效益的内涵中不难得出,地下水库综合效益是一个涉及水资源、生态环境、社会经济的多系统体系,各系统具体关系如图1所示。

图1 地下水库综合效益内涵及其相互关系

由图1可知,在地下水库综合效益内涵中,水资源系统从水资源量和水资源开发利用两个方面对生态环境、社会经济系统起到保障支持的作用;生态环境为水资源系统和社会经济系统提供环境空间支持,也在一定程度上影响、制约着两个系统;社会经济的发展离不开水资源、生态环境提供的资源支持,同时也从正向和负向两方面对两者造成影响。因此,水资源系统、生态环境系统和社会经济系统之间相互支持、相互影响,形成一定的互馈关系,共同影响着地下水库综合效益。

2.2 地下水库综合效益评价指标体系

根据地下水库综合效益的内涵及其相互关系,本文认为地下水库综合效益的主要内容应该包括3个方面,分别为水资源效益、生态环境效益和社会经济效益。

水资源是地下水库调控管理的主要对象。地下水库在联合调度地表径流和地下水资源时势必会使该地区的水资源效益发生变化。水资源效益主要包括水资源量及水资源开发利用,在水资源量方面,降水、地表水以及地下水自身通过补给和排泄直接或间接影响着区域内的水资源量变化;而在水资源开发利用方面,可根据区域水资源现状、供需关系等,通过调节水资源的开发利用影响水资源效益。

生态环境条件是地下水库建库的决定性因素之一,修建地下水库必须要考虑到该区域地下水生态环境系统本身的承受能力、自净能力,在满足地下水库调蓄水资源的功能前提下,也要考虑到建设和运行过程中地下水库对生态环境造成的影响。地下水生态环境系统本身的承受能力、自净能力采用地下水脆弱性要素来表征,该要素与外界环境无关,取决于水文地质条件和地表特征;地下水库建设和运行过程中对生态环境造成的影响,须兼顾地表水系统和地下水系统两部分,从驱动其变化的影响因子角度出发,考虑其对生态环境造成的影响,包括地表水回灌对地下水系统的影响以及地下水位变化引起的土地盐渍化、植被破坏、地面沉降、海水入侵、地表环境污染等。

社会经济效益是地下水库运行过程中经济价值的体现。地下水库调节水资源,解决供需矛盾,促进社会经济发展,可通过社会经济效益将其功能具体量化,同时也体现出社会发展水平、经济水平、各领域用水水平对社会经济效益的影响。

在对地下水库综合效益内涵探讨的基础上,结合文献[21]～[23],从整体角度出发,初步构建地下水库综合效益评价指标体系。该指标体系由3项准则、5个要素以及能够充分反映地下水库综合效益且与其自身属性紧密相连、针对性较强的43项指标构成。具体内容如表1所示。

表1 地下水库综合效益评价指标体系

2.3 地下水库综合效益评价方法

为得出更加科学严谨的评价结果,评价方法的选取显得尤为重要。常见的地下水库综合效益评价方法有灰色关联法、系统动力学评价模型、投影寻踪分类评价模型、理想解法、神经网络模型等[24-25]。本文结合实数编码技术,构建基于实码加速遗传算法优化的投影寻踪分类模型(projection pursuit classification model based on real-code accelerated genetic algorithm,RAGA-PPC)对地下水库综合效益进行评价,该模型的优点在于通过投影使复杂非线性的多维数据结构简单化,同时利用实数编码加速遗传算法优化模型,在寻优过程中扩大了优化变量空间,解决了容易出现的过早收敛问题,提高了寻优速度,增强了寻优性能,可以更高精度地进行综合评价。RAGA-PPC模型构建步骤如下:

(1)数据归一化处理

(1)

(2)

式中:x*(i,j)为原始数据;x(i,j)为归一化处理后的值;xmax(j)和xmin(j)分别为最大值和最小值;i=1, 2, …,n;j=1, 2, …,p。

(2)原始数据投影

将原始数据投影到单位向量a的方向上,得到一维投影特征值,其公式如下:

(3)

式中:Z(i)为一维投影特征值;a为单位长度向量。

(3)构造投影指标函数

(4)

式中:Q(a)为投影指标函数;Sz为标准差;Dz为样本局部密度;E(z)为平均值;R为局部密度的窗口半径;r(i,j)为样本之间的距离;u(R-r(i,j))为单位阶跃函数。

(4)优化投影指标函数

目标函数为:

maxQ(a)=SzDz

(5)

约束条件为:

(6)

在对目标函数进行优化计算时,引用RAGA算法来优化全局寻优问题。

(5)RAGA算法优化目标函数

①对优化变量进行线性变换:

Xj=aj+yj(bj-aj) (j=1,2,…,p)

(7)

②随机生成容量为N的初始父代群体,计算其染色体适应度:

eval(y(i,j))=α(1-α)i-1(i=1,2,…,N)

(8)

式中:α∈(0, 1)为给定参数,i=1表明染色体最好,i=N表明最差。

③父代个体的概率选择:

(9)

式中:qi为染色体y(i,j)的累计计算概率。

④杂交迭代

设定一定的杂交概率,使父代个体两两杂交;设定一定的变异概率,使子代个体通过两点方式进行变异。重复迭代,对每次得出的个体进行适应度评价,若满足收敛要求,停止循环,获得最优解;若不满足收敛要求,将通过子代缩小寻优区间,转入编码过程,继续循环,直到得出最优解,即为最优投影方向。

(6)综合评价

(10)

式中:a*(j)为最优投影方向;W(i)为最佳投影值。根据最佳投影值的大小来判断评价结果的优劣,当投影值越大时,评价结果越佳。反之,投影值越小,评价结果越差。

根据RAGA-PPC的数学原理建立RAGA-PPC模型,具体流程如图2所示。

图2 RAGA-PPC模型的建立流程

3 实例研究

3.1 研究区概况

陕西省石川河富平地下水库位于陕西省富平县石川河河谷阶地,该区域属暖温带大陆性半干旱、半湿润季风气候区,一年中四季冷暖分明,降水集中在夏、秋季两季,多年平均降水量为533.2 mm。河谷区内除去洪积扇、黄土台塬等地貌部位,面积为132.31 km2,河谷阶地两侧为北山山前洪积扇与黄土台塬,以陡坎相接,阶地堆积物为砂质黏土、砂砾卵石层,研究区位置如图3所示:

图3 研究区位置

石川河流域发源于陕西省铜川市印台区崾岘梁下,是渭河流域的一级支流。由于石川河上游地表水库修建后,拦截了河道径流,常年流水的石川河变成了季节性河流,河流生态基流量没有保障,每年除去洪水季节外,基本处于无水状态。由于地表水资源的缺乏,地下水资源成为主要供水水源,但多年连续大量的地下水资源开采,导致采补失衡,地下水系统长期处于负均衡状态,形成了区域性的降落漏斗,长期如此,区域内水资源效益状态差,生态环境受到严重威胁,受到影响的水资源、生态环境系统又抑制了社会的进步和经济的发展。

20世纪70年代后期,水利、地质部门提出在该地拟建石川河富平地下水库,以调蓄水资源,改善水资源供需矛盾,“填充”地下水亏空,修复当地的生态环境系统。但地下水库建成后效益如何?对生态环境、经济社会发展又有何影响?目前尚未对这些问题进行研究。因此,需在地下水库建设前对其综合效益进行全面的分析评价,为后续地下水库的规划、建设、管理提供科学依据。

3.2 石川河富平地下水库综合效益评价指标体系

石川河富平地下水库属于开采漏斗型松散介质潜水地下水库,有较好的天然地层差异所形成的边界条件、良好的含水层储存介质以及渗透性能较强的入渗场地。根据该地下水库特性、区域水文地质条件、生态环境现状以及地域特性等,采用相关分析筛选出26项指标构建石川河富平地下水库综合效益评价指标体系,该评价指标体系中D1、D2、D3、D4、D10、D11、D12、D13、D14、D16、D17、D18、D19、D21为正向指标,其他均为负向指标。石川河富平地下水库综合效益评价指标体系如图4所示。

图4 石川河富平地下水库综合效益评价指标体系

为判断石川河富平地下水库综合效益评价指标体系的科学性,通过计算克伦巴赫α信度系数法,对其进行信度分析[26]。克伦巴赫信度系数越大,则所选择的指标可信度越大,评价指标体系越可靠。经信度分析得到α=0.763,表明建立的石川河富平地下水库综合效益评价指标体系可信程度较好。

3.3 情景设定及数值分析计算

3.3.1 情景设定 结合评价指标体系,通过对研究区现状分析得出,影响地下水库综合效益的主要因素为地下水的补给及开采情况。为确定不同补给条件、不同开采条件下,石川河富平地下水库调蓄是否能达到满足生产生活需求、改善生态环境现状、促进社会经济发展的目的,以2018年为基准年,2030年为规划年,进行情景设定。

在对补给条件进行设定时,要同时考虑天然补给项和人工补给项,研究区范围内天然补给项的变化主要由降水情况决定。故按照降水频率,分别设计丰水年、平水年、枯水年时的补给量作为天然补给条件;对于人工补给项,根据《陕西省石川河富平地下水库调蓄效果与生态环境关键技术研究》的研究成果,拟修建的石川河富平地下水库尝试取东庄水库水源进行回灌补给地下水,回灌方式采取逐日回灌,且以最大入渗能力进行回灌,回灌补给量为3 712.72×104m3/a。

在对开采条件进行设定时,根据《全国水资源承载能力监测预警技术大纲》对地下水开采量指标的规定:对于现状地下水开采量大于可开采量的,地下水开采量指标采用可开采量;对于地下水开采量尚有一定潜力的地区,地下水开采量采用地下水开采控制量。由文献[27]可知,2030年富平县开采控制量为9 600×104m3,开采量为8 640×104m3。通过对富平县与研究区多年开采量对比分析计算可知,2030年研究区开采量相较基准年缩采了13%,同时考虑到地下水库建设运行情况,人工开采量可同程度增大,因此,设定增采13%的情景。综上,地下水库调蓄情景设定具体内容如表2所示。

表2 地下水库调蓄情景设定

3.3.2 评价指标数值分析计算 根据前文情景设定,采用频率计算、趋势法、水量平衡法、三维地质模型、地下水流数值模型等,对不同情景的评价指标数值进行分析计算。

(1)水资源效益指标

降水量:根据该区域1952—2018年的降水量资料,对区域降水频率进行计算,绘制降水频率曲线,从而得到各设定情景中的降水量。

地表水资源量:研究区范围内的地表水资源量主要为石川河河谷区自产径流,现状条件下,石川河为季节性河流,仅在雨季和洪水时期有水,考虑到对地下水库调蓄和后续对生态基流的补充,石川河有望恢复径流。因此,参考1978—2012年石川河河道径流资料计算各设定情景中的地表水资源量。

地下水资源量:研究区范围内地下水包括宜井区和非宜井区两个部分,由于非宜井区面积小,地下水因埋深大或水质差而难以利用,其水量不计入水资源量,本次研究只计算宜井区的水资源量,根据区划大纲规定,区内地下水综合补给量即为该区的地下水资源量。

地下水资源开发利用率:该地区的地下水开发利用主要是工农业开采,故以基准年2018年的开采量为基数,分别计算得到不同情景下的地下水资源开发利用率。

供水模数:在地下水库建成运行后,研究区内的供水能力将进一步增强。根据相关规划[27]和外调水源的地下水回灌量,计算2030年规划年的供水量,从而得到供水模数。

各行业用水比例:根据相关规划,对各行业用水比例进行计算,其中规划年内第一产业用水比例可通过定额法计算;第二产业用水比例可根据产业增加值用水量来计算;第三产业用水比例可按照经济增长水平计算;生活用水比例根据居民生活用水定额的规定进行计算;生态用水比例根据研究区相关规划得出。

(2)生态环境效益指标

地下水埋深、含水层渗透系数、地下水位增幅、地下水垂向补给模数、地下水均衡差:随着地下水库修建运行,人工回灌致使其天然演变规律发生变化,因此,建立地下水流数值模型,对各情景生态环境效益指标数据进行模拟计算。其中地下水埋深、地下水位增幅根据地下水流数值模拟可得;含水层渗透系数采用构建模型率定的渗透系数作为样本数据;各情景下地下水垂向补给模数、地下水均衡差指标数据可通过模型结果读取相关数值进行计算。

含水层厚度:利用GMS(Google mobile service)软件中的SOLID模块下的地层钻孔插值法,建立地质结构三维可视化模型,通过生态环境模型计算平均含水层厚度作为规划年相关指标数据。

地形坡度:选取基准年研究区数字高程影像数据,通过GIS(geographic information system)工具生成坡度值,以此作为相关指标数据值。

水功能区水质达标率:根据《陕西省水功能区划》石川河现状水质为Ⅲ级,目标水质也为Ⅲ级。由于良好的渗透性,该地区地下水水化学性质与地表水相近,且回灌水源水质优良,因此,在考虑没有重大影响下,以基准年水功能区水质达标率作为相关指标数据。

(3)社会经济效益指标

社会经济效益指标表现了各行业的用水水平,展示了区域经济发展能力,表征了水资源与经济发展的协调性。根据相关规划,预计2020—2030年的经济以年均增长15%速度发展,到2030年三产结构预期可达到10∶55∶35。综上,结合各行业用水情况,计算规划年经济社会指标数据。

3.4 制定评价等级

在进行评价之前需要确定评价指标分级标准,制定评价等级。评价等级的确定可以更加直观地展现评价结果的优劣。结合研究区具体情况,确定地下水库综合效益评价指标分级标准,将各指标分级标准导入RAGA-PPC模型,对运行参数进行设定,经过迭代运算可得出相关评价结果,从而得到综合效益评价等级以及准则效益评价等级,结果如表3所示。

表3 地下水库效益RAGA-PPC模型评价等级分级标准

3.5 结果与分析

结合RAGA-PPC模型建模流程和评价指标等级,对基准年和规划年各情景石川河富平地下水库水资源效益、生态环境效益、社会经济效益以及综合效益进行评价,评价结果如图5所示。

图5 基准年和规划年各情景石川河富平地下水库综合效益评价结果

由图5(a)可得,2018年水资源效益状态为Ⅴ级(极低)。与基准年相比水资源效益增长最大的为情景d,达到II级(较高),增长最小的为情景i,达到Ⅲ级(中等),其余各情景均在Ⅲ级以上。在人工回灌地下水后,地下水资源得到了补充,地下水可利用量增多,在管控地下水开采的情况下,水资源效益有了明显的好转。

由图5(b)可得,2018年生态环境效益状态为Ⅴ级。与基准年相比,增长最大的为情景d,达到II级,增长最小的为情景i,达到Ⅲ级,其他均在Ⅲ级以上。当降水充沛,地下水开采量受到控制时,地下水补给项增加,地下水位抬升,过度开采形成的地下水降落漏斗逐渐“填平”,研究区内地下水系统长期负均衡状态逐渐转向正均衡状态,生态环境有了明显改善。但随着补给量的增加,地下水位抬升过高,会对研究区内的地下水径流、农作物生长以及建筑和地下工程设施造成影响。由于天然补给项不易控制,故需考虑控制人工补给量来进行调蓄,应设定调蓄上限水位,结合当地农作物类型和建筑基础埋深,在不引起土壤盐渍化、地下水咸化、建筑沉没的前提下进行回灌,维护研究区内恢复的生态环境效益。

由图5(c)可得,2018年社会经济效益状态为Ⅴ级。与基准年相比,增长最大的为情景d,达到Ⅲ级,增长最小的为情景i,也为Ⅲ级,其他情景均为Ⅲ级。地下水库的修建,涵养了当地的地下水源,保障了各行业的用水安全,社会生产力有了大幅度的提升,从而使社会经济可以稳定高速发展。对规划年内各情景社会经济效益指标数据分析可知,除去万元农业增加值用水量,其他指标数据在各情景下均相似,这是由于不同降水频率导致农业用水量不相同,而其余指标变化不大,因此,各情景下的社会经济效益相差不大,都稳定在Ⅲ级。

由图5(d)可得,规划年各情景下石川河富平地下水库综合效益均有明显提升。2018年地下水库综合效益状态为Ⅴ级。与2018年相比,增长最大的为情景d(丰水年的补给量、回灌补给为3 712.72×104m3/a、减少基准年开采量的13%),最佳投影值达到了4.046 2,地下水库综合效益状态为Ⅲ级;增长最小的为情景i(枯水年的补给量、回灌补给为3 712.72×104m3/a、增加基准年开采量的13%),地下水库综合效益状态也为Ⅲ级,其他情景地下水库综合效益均在Ⅲ级以上。

4 讨 论

对比前人研究,就评价体系构建而言,郑德凤等[11]仅对地下水库调蓄水资源进行了评价;王辉等[19]只考虑了地下水库的经济价值,虽然提出生态环境效益的重要性却没有展开具体研究。而本文从整体角度出发,阐明了地下水库综合效益的内涵及三大效益之间的关系,从水资源效益、生态环境效益、社会经济效益3个方面构建了地下水库综合效益评价体系,通过评价模型,将地下水库综合效益有效量化。同时为进一步验证评价体系及评价模型的可行性,以石川河富平地下水库为实例展开研究,研究得出富平地下水库修建后运行至2030年时,当地的水资源和生态环境均会有明显改善,张紫瑶等[28]和石文凯等[29]对富平地下水库调蓄的模拟研究也表明,该地下水库的调蓄可以较好地涵养水源。

综上所述,该评价指标体系切实可行,可广泛应用于地下水库综合效益评价,但在具体评价时,还需根据当地实际情况调整指标,以期更符合该地区的具体情况。

本次研究为地下库综合效益评价提供了一个新思路,对后续研究提供了借鉴和参考。同时也回答了石川河富平地下水库建成后效益如何以及对生态环境、经济社会发展有何影响的问题,可为后续地下水库的规划、建设、管理提供科学依据。

5 结 论

(1)对地下水库综合效益的内涵进行了探讨,阐明了水资源、生态环境、社会经济各系统之间相互支持、相互影响的互馈关系,得出了各系统共同影响着地下水库综合效益的结论。

(2)从整体角度出发构建了地下水库综合效益评价指标体系。该指标体系包含3项准则(水资源效益、生态环境效益、社会经济效益)和5个要素(水资源量、水资源开发利用、地下水脆弱性、生态环境、社会经济),能够充分反映地下水库综合效益,涵盖了与其自身属性紧密相连且针对性较强的指标。该评价指标体系可以广泛应用于各地区多指标地下水库综合效益评价。

(3)选取26项评价指标对陕西省石川河富平地下水库进行了实例运用,并采用克伦巴赫信度系数判别评价了指标可信度。同时根据不同补给条件、不同开采条件,以2018年为基准年,2030年为规划年,设定了9种石川河地下水库拟建后的情景。采用RAGA-PPC模型,对石川河富平地下水库拟建后各准则效益和综合效益进行了评价,结果显示各情景地下水库各准则效益和综合效益均有明显提升,在该地修建地下水库具有较好的生态维护价值和水资源恢复效果,间接论证了修建石川河富平地下水库的必要性。