河北省地下水超采治理效果過程化評價

于翔，解建倉，姜仁貴*，趙勇，楊小雨，梁驥超

(1.西安理工大學(xué)省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室，陜西 西安 710048；2.中國水利水電科學(xué)研究院流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點實驗室，北京 100038；3.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

河北省作為中國重要的糧棉產(chǎn)區(qū)，其水資源供需矛盾突出，從20世紀70年代開始大量開采地下水，地下水位持續(xù)下降，至今地下水仍嚴重超采，尤其是深層地下水[1].地下水超采帶來了一系列生態(tài)環(huán)境問題，例如，河流湖泊枯竭、地面沉降及海水入侵與倒灌等，河北地下水超采治理刻不容緩[2-4].2014年中央1號文件中提出開展華北地下水超采漏斗區(qū)綜合治理工作，河北平原區(qū)的滄州、衡水、邢臺及邯鄲4個地市作為地下水超采治理試點地區(qū)，從農(nóng)業(yè)、林業(yè)及水利3個方面實施相關(guān)節(jié)水壓采措施，從而推進地下水超采治理工作[5].經(jīng)過幾年的超采治理，取得了初步效果，2019年水利部聯(lián)合四部委印發(fā)了《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動方案》，該方案作為京津冀地區(qū)地下水超采治理的行動綱領(lǐng)，為切實解決華北地區(qū)超采問題提供指導(dǎo).近年來，河北省各市、縣制定各階段地下水超采治理工作的計劃，并積極推進地下水超采治理工作的實施[6].從目前地下水超采治理效果和實施的過程來看，已經(jīng)取得了一定治理效果，但不能只看到眼前的成效，而應(yīng)該提高投入和治理的實效，科學(xué)合理的評估治理效果才能保障治理工作長期有效推進.地下水超采治理效果評估同時也是加強國家財政支出管理，提高資金使用效益的重要手段.因此，文中主要對河北省地下水超采治理效果進行評價，實現(xiàn)對地下水資源和治理工作的監(jiān)管，為地下水資源管理提供科學(xué)依據(jù)和決策手段，促進地下水資源的可持續(xù)發(fā)展.

國內(nèi)外學(xué)者在地下水評價方面開展了大量研究，并取得了一系列的成果.朱雪芹等[7]將環(huán)境問題作為評價基本因子來評價哈爾濱市地下水開采安全性.唐克旺等[8]分別通過綜合評價和污染評價對中國平原區(qū)淺層地下水水質(zhì)進行評價.付強等[9]通過應(yīng)用多種模型對三江平原地下水脆弱性進行評價，并比較各方法的優(yōu)缺點，為地下水脆弱性評價提供參考.楊國強等[10]根據(jù)地下水系統(tǒng)受脅迫而改變狀態(tài)，使得環(huán)境產(chǎn)生響應(yīng)的過程，提出地下水超采綜合評價過程.孫才志等[11]結(jié)合自然災(zāi)害風(fēng)險理論和GIS空間分析方法對地下水環(huán)境風(fēng)險進行評價.李曉英等[12]采用水均衡法對西北地區(qū)地下水資源進行了定量計算來評價區(qū)域地下水資源量.金菊良等[13]從承載標(biāo)準(zhǔn)的角度，考慮承載主客體不同的承載水平，從而建立水資源承載力評價模型，并用該模型評價陜西省水資源承載水平.現(xiàn)有文獻主要集中在地下水環(huán)境、水資源承載力和脆弱性評價方面，對地下水超采治理工作效果開展階段性、過程化評價方面的研究相對較少.

文中以河北省近幾年的超采治理工作為背景，分析治理措施實施的效果，剖析存在的問題及其解決辦法，進而對整個超采治理過程進行評價反饋.基于綜合集成平臺將評價過程可視化、評價方法組件化，提出基于過程化的評價服務(wù)模式.采用信息化手段實現(xiàn)對地下水超采治理效果的過程化評價，根據(jù)評價結(jié)果的反饋優(yōu)化來改進治理的實施方案.以河北省衡水市為例，根據(jù)治理效果劃分4類評價主題，構(gòu)建評價指標(biāo)體系，基于過程化評價服務(wù)模式對治理效果進行評價.

1 數(shù)據(jù)和方法

1.1 研究區(qū)域及數(shù)據(jù)來源

河北省是中國地下水超采最嚴重的地區(qū)，主要分布在河北東南部平原區(qū)，包括石家莊、保定、廊坊、滄州、衡水、邢臺及邯鄲市.河北從2014年全面開展地下水超采綜合治理試點工作，治理試點區(qū)域主要包括滄州、衡水、邢臺和邯鄲4個地市，治理區(qū)域面積約36 000 km2，占全省面積的19%；耕地面積3 370萬畝，占全省的34%；淺層及深層地下水超采量分別為27.0億m3，21.5億m3，占全省的45%和70%[14].其中，衡水市全境屬于地下水嚴重超采區(qū)，由于淺層地下水為咸水，大量開采深層地下水，造成了地下水位的大幅度下降，形成冀棗衡深層地下水漏斗區(qū)，引起地面沉降等一系列生態(tài)環(huán)境問題.因此，衡水市地下水超采治理工作刻不容緩.2014年初衡水市作為綜合治理工作試點市，治理面積廣、投入資金多，并取得了一定的治理效果，因此文中主要以衡水市為研究區(qū)域進行治理效果評價研究.

地下水環(huán)境狀況和土壤環(huán)境狀況指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《河北省地下水位監(jiān)測報告》《河北省環(huán)境狀況公報》《衡水市生態(tài)環(huán)境保護“十三五”規(guī)劃》.水資源利用狀況指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《河北省水資源公報2013—2017》《衡水市水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《衡水市水資源評價報告》、社會經(jīng)濟狀況相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)來源于《河北省統(tǒng)計年鑒》《衡水市統(tǒng)計年鑒》《衡水市2013—2017年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》，地下水開采量、壓采量及水位監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于河北省水文水資源勘測局.

1.2 過程化評價模式

傳統(tǒng)評價大多為總結(jié)性評價，是在項目完成后來判斷其結(jié)果是否符合預(yù)期成果，不能及時和全面地反映出項目實施過程中各因素的發(fā)展變化，因此引入過程化評價模式來彌補傳統(tǒng)評價的不足.過程化評價模式是一種導(dǎo)向性評價，它來源于過程哲學(xué)理論，目前常應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，主要對學(xué)習(xí)過程進行評價.過程化評價基于考核過程追蹤機制，通過不斷循環(huán)、反饋與跟蹤，將評價分解到問題處理的全過程，從而將評價落實到解決問題過程中的環(huán)節(jié)上[15].

圖1為治理效果過程化評價流程.文中將過程化管理的核心思想應(yīng)用于地下水超采治理效果評價中.根據(jù)過程化評價模式設(shè)計評價流程，如圖1所示.首先根據(jù)目前治理措施和實施方案，收集和監(jiān)測指標(biāo)數(shù)據(jù)，選取的指標(biāo)需要反映地下水超采的現(xiàn)狀.其次，將收集的評價指標(biāo)結(jié)合評價標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的評價方法，根據(jù)不同主題進行評價.根據(jù)評價結(jié)果的對比分析，找出影響評價結(jié)果的主導(dǎo)因素.最后，當(dāng)評價結(jié)果較差時，通過影響因子識別主要影響因素，參考專家意見制定解決方案；當(dāng)評價結(jié)果較好時，將治理措施和方案總結(jié)優(yōu)化，積累地區(qū)經(jīng)驗知識庫.因此過程化評價不是以預(yù)期成果論好壞，而是通過追蹤結(jié)果來反饋信息、改進方案，將解決和修復(fù)存在的問題作為目標(biāo)，從而提高治理工作的積極性.

圖1 治理效果過程化評價流程Fig.1 Process evaluation for governance effect

1.3 評價指標(biāo)體系構(gòu)建

構(gòu)建科學(xué)合理的評價指標(biāo)體系是治理效果評價的關(guān)鍵，文中基于過程化評價模式，對地下水超采帶來生態(tài)環(huán)境問題進行梳理，結(jié)合地下水環(huán)境、土壤環(huán)境、水資源利用、社會經(jīng)濟4大主題，構(gòu)建主題化評價指標(biāo)體系，并且將地下水超采治理效果作為目標(biāo)層，將準(zhǔn)則層劃分為地下水環(huán)境狀況、水資源利用狀況、土壤環(huán)境狀況、社會經(jīng)濟狀況4大子系統(tǒng).

表1為評價主題，指標(biāo)篩選及等級劃分表.根據(jù)實地調(diào)研、參考現(xiàn)有研究成果[16-18]，以及《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》《地下水資源量及可開采量補充細則》《土壤環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》《土地利用現(xiàn)狀分類》《節(jié)水灌溉工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》《國民經(jīng)濟行業(yè)分類標(biāo)準(zhǔn)》《水資源規(guī)劃規(guī)范》《建設(shè)項目水資源論證導(dǎo)則》等國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，基于科學(xué)性、可操作性、動態(tài)性等原則，采用層次分析、理論分析和專家咨詢來篩選指標(biāo)，共選取34個評價指標(biāo)，并將治理效果評價指標(biāo)劃分為從Ⅰ到Ⅴ級共5個等級，分別表示優(yōu)、良、中、較差、差(見表1).

表1 評價主題、指標(biāo)篩選及等級劃分Tab.1 Evaluation theme,index and classification

地下水具有動態(tài)性和區(qū)域性，在評價各地區(qū)的治理效果時，不能用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進行評價.文中選取的評價指標(biāo)適用于河北地下水超采區(qū)，并為其他地區(qū)提供一定的參考，其他超采區(qū)可以根據(jù)實際情況和自身需求的變化，有針對性地選擇和確定適合本地區(qū)的評價指標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)值.

1.4 評價方法組件化

評價方法組件化是基于組件技術(shù)將數(shù)據(jù)和方法進行封裝后提供輸入及輸出接口，從而完成評價運算過程，根據(jù)評價方法的計算流程，將權(quán)重計算和評價方法組件化，并通過服務(wù)器發(fā)布來構(gòu)建評價方法組件庫[18].決策者只需在組件庫選擇需要的評價方法組件，便可快速進行評價計算.超采治理效果評價是一個多指標(biāo)、多主題、多層次的綜合評價，可以借鑒很多方法，如模糊綜合評價、物元分析法、灰色關(guān)聯(lián)分析等.文中主要采用灰色關(guān)聯(lián)分析評價方法，下面以該方法為例，分析如何將評價方法組件化.

第一步，首先給出灰色關(guān)聯(lián)綜合評價的步驟[19-20]：

(1)

2) 指標(biāo)的規(guī)范化處理(量綱一化)，對于正向指標(biāo)根據(jù)規(guī)范化公式(2)處理，對于負向指標(biāo)根據(jù)規(guī)范化公式(3)處理.

(2)

(3)

式中：cij中i表示第i年，j表示第j指標(biāo).

3) 計算灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)，采用關(guān)聯(lián)分析法分別求出第i個主題下第k個指標(biāo)與最優(yōu)集第k個最優(yōu)指標(biāo)值的關(guān)聯(lián)系數(shù)ξi(k)，即

(4)

式中：ρ為分辨系數(shù)，一般取ρ=0.5，ρ越小關(guān)聯(lián)系數(shù)間差異越大，區(qū)分能力越強，cok為第k個指標(biāo)的參考值；cik為第k個指標(biāo)的實際值.

4) 關(guān)聯(lián)度計算與評價分析中，灰色關(guān)聯(lián)度計算公式為

(5)

式中：wi為第i個評價對象的權(quán)重；ri為第i個評價對象對最優(yōu)集的灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度.最后根據(jù)灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度的大小，對各評價對象進行排序，灰色關(guān)聯(lián)度越大，評價結(jié)果越好.

第二步，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)綜合評價的步驟，進行組件的設(shè)計與開發(fā)，將評價方法劃分為2個輸入組件，包括評價指標(biāo)集和評語集數(shù)據(jù)組件；3個計算組件包括指標(biāo)規(guī)范化處理組件、灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰色加權(quán)關(guān)聯(lián)度計算組件；1個輸出組件為灰色關(guān)聯(lián)評價結(jié)果輸出組件.根據(jù)上一步中評價步驟來確定各組件之間的邏輯關(guān)系，如圖2所示.

圖2 灰色關(guān)聯(lián)綜合評價組件邏輯關(guān)系Fig.2 Relation of grey comprehensive evaluation component module

第三步，基于綜合集成平臺調(diào)用組件，在進行評價時直接從組件庫中調(diào)用各類方法組件進行計算，便可獲得評價的權(quán)重及計算結(jié)果，最終對評價結(jié)果進行對比.

2 結(jié)果與討論

2.1 主題評價結(jié)果分析

在確定評價主題及對指標(biāo)進行優(yōu)選后，根據(jù)1.3節(jié)步驟將評價方法、指標(biāo)數(shù)據(jù)和權(quán)重組件化.以超采區(qū)域比較嚴重的衡水市作為評價區(qū)域，選擇2013—2017年進行評價，從而對比2014年治理前后的效果.采用灰色關(guān)聯(lián)方法組件進行計算后，得到不同評價等級下的灰關(guān)聯(lián)度，從而對各年份進行評價等級的判定，衡水市地下水超采治理效果評價結(jié)果見表2.

表2 2013—2017年衡水市的灰色關(guān)聯(lián)綜合評價結(jié)果Tab.2 Evaluation result by grey comprehensive evaluation from 2013 to 2017 in Hengshui city

從表2中可以看出，衡水市從2013年差(Ⅴ)，到2014年較差(Ⅳ)和2015年中(Ⅲ)的評價結(jié)果，并逐年好轉(zhuǎn)到2016年和2017年的評價結(jié)果均為良(Ⅱ).根據(jù)不同主題下的指標(biāo)進行灰色關(guān)聯(lián)評價，得出2013—2017年各主題下的評價結(jié)果，見表3.

表3 2013—2017年各主題評價結(jié)果Tab.3 Evaluation result of different themes from 2013 to 2017

從表3中可以看出，治理前后這幾年的地下水環(huán)境狀況由差(Ⅴ)轉(zhuǎn)為良(Ⅱ)，水資源利用狀況和土壤環(huán)境狀況評價等級均由治理前的較差(Ⅳ)到治理后轉(zhuǎn)為中等(Ⅲ).而社會經(jīng)濟狀況相對穩(wěn)定，近幾年一直處于中等水平(Ⅲ)，表明衡水市的社會經(jīng)濟發(fā)展穩(wěn)中有進，而且對于治理效果評價的影響相對較小，其他3個主題影響相對較大一些.而且衡水市2013—2017年評價結(jié)果與主題評價結(jié)果趨勢基本一致.

根據(jù)2014和2017年地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制河北省深層地下水的埋深分布，如圖3所示，可以看出，2017年與2014年相比，地下水漏斗面積明顯縮小，60%的面積呈現(xiàn)回升態(tài)勢，2017年底深層地下水埋深66.02 m，2014年同期平均埋深71.71 m，埋深回升5.69 m.根據(jù)文獻研究成果對比分析，衡水市經(jīng)過3年的地下水超采綜合治理，到2017年完成壓采量6.2億m3.治理前后大部分地區(qū)的地下水水位回升、穩(wěn)定，地下水位持續(xù)下降趨勢得到遏制，地下水用水量占比減少，土壤環(huán)境得到進一步改善，地下水超采治理效果顯著[21-22]，進一步驗證評價結(jié)果，同時驗證評價方法的可靠性和過程評價的合理性.

圖3 2014及2017年河北省深層地下水埋深分布Fig.3 Depth distribution of deep groundwater in 2014 and 2017

2.2 影響因子相關(guān)分析

根據(jù)主題評價結(jié)果的分析之后，首先要找出影響評價結(jié)果好壞的關(guān)鍵因子，從而才能分析出影響治理效果的主導(dǎo)因素.根據(jù)3.1節(jié)的評價結(jié)果看出2013和2014年的評價等級相對較差，因此這里主要對治理前兩年的指標(biāo)數(shù)據(jù)與評價結(jié)果進行相關(guān)分析，并對主要影響因子進行識別，如圖4所示.

圖4 影響因子相關(guān)分析Fig.4 Correlation analysis of influence factors

從圖4中可以看出，在2013和2014年主要影響超采治理效果的指標(biāo)有深層地下水埋深變幅(W1)、年徑流深(W3)、氨氮(W5)、亞硝酸鹽(W6)、氯化物(W7)、總硬度(W8)、地下水開采率(R1)、地下水占總用水量比(R2)、高效節(jié)水灌溉面積比重(R5)、關(guān)停機井?dāng)?shù)量占比(R7)、植被覆蓋率(S1)、復(fù)種指數(shù)(S2)、化肥施用強度(S5)、土壤含鹽量(S9)、農(nóng)村居民人均收入(E4).

根據(jù)以上指標(biāo)影響分析，發(fā)現(xiàn)衡水市在治理前存在的主要問題包括：大量機電井進行抽水灌溉，地下水用水量較大及地下水開采率較高，而且相關(guān)的農(nóng)業(yè)節(jié)水措施較少，從而導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降、水質(zhì)惡化、土地鹽堿化，同時化肥農(nóng)藥的過度使用造成土壤污染，農(nóng)村居民收入水平相對較低等.以上都是影響衡水市超采治理效果的主要因素.

2.3 結(jié)果的反饋與優(yōu)化

基于主題評價的結(jié)果和影響因子的識別分析來反饋和優(yōu)化治理措施的方案，從而形成一個過程化、可調(diào)節(jié)的動態(tài)評價體系.根據(jù)2.2節(jié)中指標(biāo)影響分析找出影響治理效果的主要因素，針對影響主要因素提出治理措施，從而解決衡水市地下水超采問題.根據(jù)專家意見的反饋，一方面通過調(diào)整種植模式、保護性耕作、水肥一體化、非農(nóng)作物替代、井灌高效節(jié)水等措施來強化節(jié)水，降低對水的需求；另一方面通過引調(diào)水工程、地表水替代地下水、關(guān)停機電井、微咸水和再生水開發(fā)利用等措施找到替代水源，減少地下水開采.

衡水市從2014年開始進行超采治理試點工作，并采用以上治理方案，從農(nóng)業(yè)、林業(yè)和水利3個方面推進各種壓采措施的實施.根據(jù)衡水市近幾年的壓采成果，繪制不同措施地下水壓采量占比圖，如圖5所示.

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

圖5中農(nóng)業(yè)項目占總壓采量的51.7%，其中調(diào)整種植結(jié)構(gòu)、種養(yǎng)結(jié)合和旱作、冬小麥春灌節(jié)水、保護性耕作、水肥一體化各項壓采量分別占30.0%，3.0%，11.5%，2.7%，4.5%.林業(yè)項目形成壓采0.37億m3；水利項目形成壓采2.6億m3，其中地表水替代地下水項目壓采1.57億m3，井灌高效節(jié)水壓采地下水0.99億m3，微咸水利用壓采地下水0.04億m3.根據(jù)現(xiàn)有研究成果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)從2014年以來衡水市關(guān)停機電井5 167眼，井灌區(qū)、渠灌區(qū)節(jié)水灌溉率分別提高了3%和10%，漏斗中心的深層地下水埋深較2014年回升了21.54 m，到2017年的實現(xiàn)地下水壓采量6.2億m3，地下水超采治理效果顯著[21-22].隨著衡水市治理工作逐年推進，不斷總結(jié)治理經(jīng)驗，經(jīng)過經(jīng)驗積累和方案優(yōu)化，不僅彌補自身不足，還可以將其推廣至其他超采區(qū).

3 結(jié) 論

1) 文中提出過程化評價模式，既肯定階段性評價結(jié)果并反饋潛在問題，同時保障了治理措施方案的高效落實.從評價指標(biāo)、方法、識別、判定，到評價結(jié)果的引導(dǎo)、輔助支持治理方案改進，過程化評價模式既量化了超采治理效果及影響，又摸清不同方案的實施效果與可行性，為其他超采區(qū)治理提供有益借鑒.

2) 基于地下水超采治理效果過程化評價模式，劃分地下水環(huán)境狀況、土壤環(huán)境狀況、水資源利用狀況、社會經(jīng)濟狀況4個主題，選取34個代表性指標(biāo)構(gòu)建評價指標(biāo)體系，提出5個評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，將評價方法組件化、評價過程可視化，基于綜合集成平臺對地下水超采治理效果進行過程化評價.通過結(jié)合實例研究，衡水市2013—2017年地下水超采治理效果評價等級由差轉(zhuǎn)為良，結(jié)果表明治理效果逐年提高.

3) 地下水超采綜合治理是一個長期的過程，利用信息化手段實現(xiàn)對地下水超采治理效果的過程化評價，才能保障治理工作長期有效推進，同時為地下水資源管理提供科學(xué)依據(jù)和決策手段，促進地下水資源的可持續(xù)發(fā)展.