基于和諧評(píng)估方法的地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)研究

鄭二偉 李溦 凌敏華

摘?要：開展區(qū)域地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)，掌握地下水可持續(xù)利用狀況，對(duì)于實(shí)現(xiàn)地下水資源可持續(xù)利用及保障供水安全和支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展具有重要意義。構(gòu)建了涵蓋地下水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于和諧評(píng)估方法建立了地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)模型，對(duì)2001—2018年河南省及其18個(gè)地市地下水可持續(xù)利用狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：河南省地下水可持續(xù)利用水平呈逐年升高趨勢(shì)，但仍處于“接近不可持續(xù)”水平;18個(gè)地市地下水可持續(xù)利用水平呈南高北低、西高東低的格局。河南省應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)地下水超采治理與保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)地下水可持續(xù)利用。

關(guān)鍵詞：地下水;可持續(xù)利用;和諧評(píng)估方法;河南省

中圖分類號(hào)：TV213.9?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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組成部分，具有分布廣泛、水質(zhì)優(yōu)良、儲(chǔ)量穩(wěn)定、易于開采等特點(diǎn)，在保障糧食安全、飲水安全、生態(tài)安全以及支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧共生等方面具有十分重要的作用[1]。尤其在我國(guó)北方地區(qū)，部分城市高度依賴地下水，如河北、河南、山西、內(nèi)蒙古等省（區(qū)）地下水供水量占其總供水量的比例超過(guò)50%[2]。長(zhǎng)期以來(lái)，一些地區(qū)地表水資源短缺或地表水受到污染，為滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展用水需求不得不過(guò)量開采地下水，造成地下水位持續(xù)下降，引發(fā)地面沉降、地裂縫、海（咸）水入侵、土地荒漠化等環(huán)境地質(zhì)問題[3-4]。目前，全國(guó)21個(gè)省（區(qū)、市）平原區(qū)存在地下水超采，超采總面積約30萬(wàn)km2，華北地區(qū)地下水超采尤為嚴(yán)重（其超采區(qū)面積約占全國(guó)超采區(qū)總面積的60%）[2]。長(zhǎng)期超采地下水嚴(yán)重影響區(qū)域地下水可持續(xù)利用，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。因此，開展區(qū)域地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)，科學(xué)評(píng)估地下水可持續(xù)利用狀況，分析影響地下水可持續(xù)利用的關(guān)鍵因素，對(duì)于科學(xué)制定地下水保護(hù)、開發(fā)利用與管理政策意義重大。

地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)的關(guān)鍵是構(gòu)建科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和選取合理的評(píng)價(jià)方法[5]。在構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)體系方面，M. Perez等[5]、J. Vrba等[6]選取了10個(gè)涵蓋社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的指標(biāo)，建立了地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;陳江等[7]在借鑒國(guó)際水文地質(zhì)學(xué)家協(xié)會(huì)（IAH）提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系基礎(chǔ)上，從地下水穩(wěn)定性、水資源均衡性、社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性3方面，建立了地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系;張光輝等[8]基于地下水資源功能、生態(tài)功能、地質(zhì)環(huán)境功能，建立了地下水功能及可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在評(píng)價(jià)方法方面，主要有主成分分析法、熵權(quán)法、層次分析法、物元分析法、投影尋蹤法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等[9]。和諧評(píng)估方法是左其亭[10]于2008年提出的綜合評(píng)價(jià)方法，是基于人水和諧理念的定量辨識(shí)方法。人水和諧是指在不斷改善水系統(tǒng)自我維持和更新能力的前提下，使水資源能為人類生存和經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展提供久遠(yuǎn)的支撐和保障，與水資源可持續(xù)利用相輔相成[11]。因此，筆者在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，構(gòu)建地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，引入和諧評(píng)估方法，建立地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)模型，并以河南省為例，分析其地下水可持續(xù)利用狀況，以期為地下水管理決策提供參考。人 民 黃 河?2020年第10期

1?地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)方法

1.1?評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

地下水可持續(xù)利用受氣候變化和人類活動(dòng)的共同影響，氣候（降水、蒸發(fā)、氣溫等）變化會(huì)導(dǎo)致地下水補(bǔ)、徑、排發(fā)生變化，人類對(duì)地下水資源需求以及開發(fā)利用會(huì)導(dǎo)致地下水生態(tài)環(huán)境發(fā)生變化。地下水可持續(xù)利用的理念旨在協(xié)調(diào)平衡地下水和人類社會(huì)發(fā)展之間的關(guān)系，因此地下水可持續(xù)利用原則是協(xié)調(diào)平衡地下水資源與生態(tài)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展之間的相互關(guān)系，地下水資源為經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展提供所需的生產(chǎn)生活用水，生態(tài)環(huán)境是地下水資源損耗后的直接反映，地下水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)之間存在此消彼長(zhǎng)的矛盾對(duì)立關(guān)系。構(gòu)建指標(biāo)體系的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確選取反映3個(gè)子系統(tǒng)的指標(biāo)，遵循科學(xué)性、簡(jiǎn)明性、代表性等原則，指標(biāo)體系主要包括3個(gè)層次：①目標(biāo)層，綜合反映地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指數(shù);②準(zhǔn)則層，包含地下水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng);③指標(biāo)層，涵蓋3個(gè)子系統(tǒng)的12個(gè)指標(biāo)（見圖1）。

1.2?評(píng)價(jià)方法

采用和諧評(píng)估系列方法中的單指標(biāo)量化-多指標(biāo)綜合-多準(zhǔn)則集成法進(jìn)行評(píng)價(jià)，步驟如下[10-12]。

（1）單指標(biāo)量化。各評(píng)價(jià)指標(biāo)的量綱不完全相同，采用分段線性隸屬函數(shù)量化方法，將各評(píng)價(jià)指標(biāo)統(tǒng)一映射到[0，1]區(qū)間，得到評(píng)價(jià)指標(biāo)的可持續(xù)利用指數(shù)。根據(jù)行業(yè)規(guī)劃指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃資料、相關(guān)研究成果等綜合確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征節(jié)點(diǎn)值[12]，包括最差值（a）、較差值（b）、及格值（c）、較優(yōu)值（d）、最優(yōu)值（e）。評(píng)價(jià)指標(biāo)分為正向指標(biāo)（可持續(xù)利用指數(shù)隨指標(biāo)值的增大而增大的指標(biāo)，其值越大對(duì)地下水可持續(xù)利用越有利）和逆向指標(biāo)（可持續(xù)利用指數(shù)隨指標(biāo)值的增大而減小的指標(biāo)，其值越小對(duì)地下水可持續(xù)利用越有利），對(duì)于某個(gè)指標(biāo)k，根據(jù)特征節(jié)點(diǎn)值及式（1）或式（2）可計(jì)算出其可持續(xù)利用指數(shù)μk。

正向指標(biāo)計(jì)算公式：

μk=0（xk≤ak）0.3（xk-akbk-ak）（ak

逆向指標(biāo)計(jì)算公式：

μk=1（xk≤ek）0.8+0.2（dk-xkdk-ek）（ek

式中：μk為指標(biāo)k的可持續(xù)利用指數(shù)（k=1，2，…，n，n為各準(zhǔn)則層的指標(biāo)個(gè)數(shù)）;ak、bk、ck、dk、ek均為指標(biāo)k的量化特征節(jié)點(diǎn)值;xk為第k個(gè)指標(biāo)的值。

（2）多指標(biāo)綜合。根據(jù)準(zhǔn)則層所含因素t對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)可持續(xù)利用指數(shù)，采用權(quán)重加權(quán)方法，綜合得到準(zhǔn)則層所含因素t的可持續(xù)利用指數(shù)HDt，計(jì)算公式為

HDt=∑nk=1ωkμk（3）

式中：t=1，2，…，T（T為準(zhǔn)則層子系統(tǒng)的個(gè)數(shù)）;ωk為指標(biāo)層各指標(biāo)的權(quán)重，采用變權(quán)法確定[13]，變權(quán)法隨評(píng)估值的變化而改變，是對(duì)常權(quán)法的修正，∑nk=1ωk=1。

（3）多準(zhǔn)則集成。根據(jù)準(zhǔn)則層可持續(xù)利用指數(shù)，按照權(quán)重加權(quán)方法集成得到目標(biāo)層可持續(xù)利用指數(shù)HD，即地下水可持續(xù)利用指數(shù)，計(jì)算公式為

HD=∑Tt=1ωtHDt（4）

式中：ωt為準(zhǔn)則層各子系統(tǒng)的權(quán)重，∑Tt=1ωt=1，鑒于經(jīng)濟(jì)社會(huì)、地下水資源、生態(tài)環(huán)境3個(gè)子系統(tǒng)同等重要，賦予準(zhǔn)則層各子系統(tǒng)相等的權(quán)重。

地下水可持續(xù)利用指數(shù)反映區(qū)域地下水可持續(xù)利用的總體水平，該指數(shù)分為7個(gè)水平等級(jí)（見表1），其值越大表示地下水可持續(xù)利用水平越高[10，14]。

2?實(shí)例應(yīng)用

2.1?河南省地下水資源概況

河南省位于我國(guó)中部偏東地區(qū)，橫跨長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河4大流域，面積約16.7萬(wàn)km2，下轄17個(gè)地級(jí)市、1個(gè)省直轄縣級(jí)市，人口居全國(guó)第三位，經(jīng)濟(jì)總量穩(wěn)居全國(guó)第五位、中西部第一位，糧食總產(chǎn)量位于全國(guó)第二位，是典型的農(nóng)業(yè)大省。河南省多年（1956—2016年）平均降水量771 mm，降水年內(nèi)分布不均，主要集中在汛期;降水空間分布不均，從南部山區(qū)的1 400 mm遞減到北部平原區(qū)的600 mm。全省多年（1956—2016年）平均水資源總量414億m3，地下水資源量230億m3（約占水資源總量的56%）。省內(nèi)大部分地區(qū)地下水總硬度和礦化度低，水質(zhì)優(yōu)良，是生產(chǎn)、生活及生態(tài)用水的重要來(lái)源，多年平均地下水開采量約130億m3，占總供水量的比例接近60%，地下水已成為河南省主要供水水源，在支撐經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮著不可替代的作用[15]。近年來(lái)，隨著河南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展、城鎮(zhèn)化加速推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水不斷增長(zhǎng)，地下水開采量持續(xù)增加，年均超采量11.11億m3，地下水超采區(qū)面積約4.4萬(wàn)km2，約為全省面積的26%[16-17]，其中豫北、豫東部分地區(qū)超采區(qū)面積約占全省超采區(qū)面積的75%。過(guò)度開采地下水引發(fā)區(qū)域地下水位持續(xù)下降、地面沉降、水質(zhì)惡化等環(huán)境地質(zhì)問題，危及供水安全、生態(tài)安全和糧食安全，嚴(yán)重影響河南省經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[18]。

2.2?評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)及來(lái)源

根據(jù)河南省實(shí)際，建立地下水可持續(xù)利用指標(biāo)體系。參考地下水可持續(xù)利用相關(guān)研究成果[15-16]以及《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》《節(jié)水型社會(huì)“十三五”規(guī)劃》《生態(tài)城市建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》《城市居民生活用水量標(biāo)準(zhǔn)》《中華人民共和國(guó)森林法實(shí)施細(xì)則》《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)范，綜合確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的特征節(jié)點(diǎn)值（見表2）。河南省2001—2018年地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)（見表3）來(lái)源于《河南省水資源公報(bào)》《河南省統(tǒng)計(jì)年鑒》《河南省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》《河南水利年鑒》、第二次全國(guó)水資源調(diào)查評(píng)價(jià)等相關(guān)資料。受篇幅限制，各地市的指標(biāo)值沒有列出;河南省土地沙化、土壤鹽漬化、地面沉降面積對(duì)地下水可持續(xù)利用影響不大，故C8～C10不參與評(píng)價(jià)。

2.3?評(píng)價(jià)結(jié)果

2.3.1?時(shí)間變化

河南省2001—2018年地下水可持續(xù)利用指數(shù)主要處于接近不可持續(xù)水平，呈緩慢升高趨勢(shì)（見圖2）。近年來(lái)河南省依靠科技進(jìn)步逐步提高工業(yè)、城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)節(jié)水水平，且2014年南水北調(diào)中線通水后，一定程度上緩解了河南省水資源不足的狀況，截至2018年年底，河南省南水北調(diào)受水區(qū)（城區(qū)）累計(jì)壓采4.51億m3，已完成近期（2020年前）壓采目標(biāo)的190.2%。隨著地下水壓采、地表水源工程建設(shè)、農(nóng)灌區(qū)節(jié)水改造和引水蓄水補(bǔ)源工程等治理措施逐步實(shí)施和發(fā)揮效益，使得不合理的地下水開采量得到逐步削減。

從不同子系統(tǒng)來(lái)看，經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)可持續(xù)利用水平的升幅最大，從接近不可持續(xù)水平向較可持續(xù)水平轉(zhuǎn)變，主要原因是2001年后河南省大力推進(jìn)農(nóng)業(yè)節(jié)水增效措施、優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加快工業(yè)節(jié)水減排，使得萬(wàn)元GDP用水量、農(nóng)田灌溉地下水用水定額、人均地下水用水量持續(xù)降低，經(jīng)濟(jì)社會(huì)子系統(tǒng)可持續(xù)利用指數(shù)得到了較快增長(zhǎng)。地下水資源子系統(tǒng)可持續(xù)利用水平在較不可持續(xù)狀態(tài)上下波動(dòng)，主要原因是地下水資源匱乏、開發(fā)率高但利用效率低、用水結(jié)構(gòu)不合理。河南省人均和單位面積耕地平均水資源占有量分別為全國(guó)平均水平的1/5和1/4，是我國(guó)嚴(yán)重缺水省份之一，水資源匱乏導(dǎo)致地下水開采嚴(yán)重;此外，大量地下水用于農(nóng)業(yè)灌溉，農(nóng)業(yè)地下水供水量約占農(nóng)業(yè)用水量的60%，農(nóng)業(yè)用水基數(shù)大、節(jié)水技術(shù)相對(duì)落后等原因?qū)е罗r(nóng)業(yè)灌溉水利用率僅為57%[16，19]。由圖2可看出，2001年、2012年及2013年河南省地下水資源子系統(tǒng)可持續(xù)利用指數(shù)明顯偏低，原因是這3 a的降水量低于多年（2001—2018年）平均的20%。生態(tài)環(huán)境子系統(tǒng)可持續(xù)利用指數(shù)基本處于較不可持續(xù)水平，主要表現(xiàn)為地下水不合理開發(fā)造成的環(huán)境地質(zhì)問題，如出現(xiàn)地下水降落漏斗、泉域枯竭、地面沉降、地層裂縫等。

2.3.2?空間變化

河南省各地市2001—2018年地下水可持續(xù)利用指數(shù)見表4，2005年、2010年、2014年、2018年地下水可持續(xù)利用指數(shù)空間分布見圖3，可以看出：河南省各地市地下水可持續(xù)利用水平呈逐年升高趨勢(shì)，總體上呈現(xiàn)為南高北低、西高東低的空間格局。地下水可持續(xù)利用水平為較不可持續(xù)的地市個(gè)數(shù)明顯減少;接近不可持續(xù)的地市個(gè)數(shù)從2004年的5個(gè)增加到2010年和2014年的8個(gè)、2018年的12個(gè);在2018年甚至出現(xiàn)基本可持續(xù)水平的地市。從各地市情況來(lái)看，西南部地區(qū)的信陽(yáng)、南陽(yáng)兩市地下水可持續(xù)利用水平較高，由較可持續(xù)水平升高至基本可持續(xù)水平，原因主要是這2個(gè)地區(qū)地表水資源豐富，地表水供水量約占總供水量的80%，且隨著南水北調(diào)中線通水，地下水開采量進(jìn)一步減少;中西部地區(qū)的洛陽(yáng)、濟(jì)源、平頂山、漯河、駐馬店、鄭州、開封、許昌等市經(jīng)濟(jì)水平較高，水資源較豐富[20]，地下水開采量占比較低，地下水可持續(xù)利用水平由接近不可持續(xù)提升至較可持續(xù)水平;東北部地區(qū)的周口、商丘、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽(yáng)、濮陽(yáng)等市地下水可持續(xù)利用水平雖有所升高，但仍處于接近不可持續(xù)水平，原因主要是東北部地區(qū)人口相對(duì)密集、農(nóng)業(yè)占比大，水資源匱乏，地下水超采嚴(yán)重，表現(xiàn)為地下水位持續(xù)下降、地下漏斗問題突出，如安陽(yáng)市東部平原區(qū)的內(nèi)黃縣、滑縣形成全省最大的降落漏斗區(qū)。

3?結(jié)?語(yǔ)

（1）本文構(gòu)建了涵蓋地下水資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)、生態(tài)環(huán)境的地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，基于和諧評(píng)估方法建立了地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)模型，以河南省為例進(jìn)行評(píng)價(jià)，表明該模型能較好地辨識(shí)影響地下水可持續(xù)利用的主要因子，可為區(qū)域地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)提供新思路。

（2）2001—2018年，河南省地下水可持續(xù)利用水平呈現(xiàn)升高趨勢(shì)，但受不合理地下水資源開發(fā)利用以及引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題影響，全省地下水可持續(xù)利用水平仍處于接近不可持續(xù)水平;河南省18個(gè)地市地下水可持續(xù)利用水平呈南高北低、西高東低的格局，地下水超采是影響地下水可持續(xù)利用的突出問題，導(dǎo)致超采的主要原因是水資源匱乏以及農(nóng)業(yè)粗放式用水和農(nóng)業(yè)耗水量大。

河南省應(yīng)加強(qiáng)城市工業(yè)節(jié)水，利用南水北調(diào)水等外調(diào)水源轉(zhuǎn)換城市工業(yè)供水水源，減少城市工業(yè)地下水開采量，嚴(yán)格企事業(yè)單位自備井封填管理，加快推進(jìn)地下水超采區(qū)治理進(jìn)程，實(shí)施區(qū)域地下水水位、水量雙控管理，切實(shí)落實(shí)最嚴(yán)格地下水管理與保護(hù)，同時(shí)強(qiáng)化農(nóng)業(yè)節(jié)水，加快推廣高效節(jié)水灌溉技術(shù)，優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)，利用引黃水、當(dāng)?shù)氐乇硭?、再生水等水源替代部分地下水開采量。

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