2010-2020年贛州市地下水資源承載力研究

胡 健,劉佳興

(贛南科技學(xué)院 資源與建筑工程學(xué)院,江西 贛州 341000)

0 引 言

地下水資源是水資源的重要組成部分,地下水資源承載力在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人類生活、生態(tài)平衡中扮演著重要角色。目前,地下水承載力的研究方法主要有模糊綜合評(píng)價(jià)法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法等。孟麗紅［1］、徐富剛等［2］分別采用模糊綜合評(píng)價(jià)法和構(gòu)建Bayes-TOPSIS模型,評(píng)價(jià)了贛州市2009、2018-2020年水資源承載力狀態(tài)。王宵君［3］等構(gòu)建了贛州市水資源承載力的社會(huì)經(jīng)濟(jì)等3個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,模擬了2020-2035年贛州市水資源承載力狀態(tài)。龔麗芳等［4］利用因子分析和熵權(quán)法,計(jì)算了贛州市2000-2018年的水資源承載力綜合得分,結(jié)果表明贛州市水資源承載力變化不穩(wěn)定,受到降水、人口等多因素影響。以上文獻(xiàn)僅研究了贛州市的總水資源承載力,而對(duì)其地下水資源承載力的研究有所欠缺。

麥爾哈巴等［5］運(yùn)用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型法,模擬了3種策略下2011-2025年吐魯番地區(qū)地下水資源承載力數(shù)值。郗鴻峰等［6］選取研究區(qū)地下水利用率、供水模數(shù)等8個(gè)指標(biāo),運(yùn)用主成分分析法、集對(duì)分析法,研究了撓力河流域2012年的地下水資源承載力。王威等［7］選取寶雞峽灌區(qū)地下水灌溉率、地下水利用率等指標(biāo),構(gòu)建了研究區(qū)模糊評(píng)價(jià)模型,評(píng)價(jià)了其地下水資源承載力,結(jié)果顯示研究區(qū)地下水開(kāi)采潛力小。段揚(yáng)等［8］選取銀川平原經(jīng)濟(jì)、水資源、環(huán)境等有關(guān)的17個(gè)指標(biāo),運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法,研究了銀川平原各市的地下水資源承載力,結(jié)果表明各市承載力均較低,需加強(qiáng)地下水管理。廖強(qiáng)等［9］采用PSR框架模型,選取人均地下水用水量、水質(zhì)綜合達(dá)標(biāo)率等9項(xiàng)指標(biāo),對(duì)格爾木區(qū)地下水資源承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),結(jié)果表明該區(qū)地下水資源承載力較高,地下水開(kāi)發(fā)潛力大。劉敏等［10］運(yùn)用地下水開(kāi)采程度與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度的相對(duì)關(guān)系,評(píng)價(jià)了華北平原地區(qū)地下水承載力。

因此,本文根據(jù)前人研究的結(jié)果和經(jīng)驗(yàn),運(yùn)用地下水開(kāi)采程度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度相對(duì)關(guān)系,評(píng)價(jià)贛州市地下水資源承載力。

1 地下水資源承載力研究方法

1.1 地下水資源承載力的計(jì)算

本文采用劉敏等［10］提出的地下水資源承載力評(píng)價(jià)的新方法。該方法指出地下水資源承載力是與經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、技術(shù)等相關(guān),地下水資源所能支撐起社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的最大能力,可用GDP表示。因此,地下水資源承載力表述為地下水資源利用量與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的函數(shù)關(guān)系,公式如下:

f=αq

(1)

式中:f為地下水資源支撐的社會(huì)經(jīng)濟(jì)(GDP);α為用水效率,與行業(yè)用水標(biāo)準(zhǔn)、水資源開(kāi)發(fā)利用管理政策、人口、經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展水平等多方面因素相關(guān);q為地下水資源可利用量。

由式(1)可知,根據(jù)地下水的最大可利用量(qmax)和最大用水效率,可計(jì)算出理論最大承載力(fmax)。本文采用李洪任等［11］在江西省地下水開(kāi)發(fā)利用紅線管理中的贛州市地下水開(kāi)發(fā)利用總量控制數(shù)據(jù),作為最大可利用量qmax。實(shí)際地下水承載力f的計(jì)算采用實(shí)際地下水用水量,用水效率采用綜合用水效率,公式如下:

α=R/q

(2)

(3)

式中:α為用水效率;α綜、α農(nóng)、α工、α它分別為綜合、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、其他用水效率;x,y,z分別為農(nóng)業(yè)、工業(yè)、其他行業(yè)用水量與總用水量的比值;R為某行業(yè)的生產(chǎn)總值;q為某行業(yè)對(duì)應(yīng)的總用水量,m3。

1.2 地下水資源承載力的評(píng)價(jià)方法

本文運(yùn)用劉敏等［10］創(chuàng)建的RG-RQ關(guān)系圖法,對(duì)贛州市地下水資源承載力進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)計(jì)算出各行業(yè)用水效率,再得到綜合用水效率,然而將所求解的最大綜合用水效率作為標(biāo)準(zhǔn)值(期望值),再利用最大可利用量qmax,計(jì)算出贛州市理論最大地下水承載力fmax。贛州市實(shí)際地下水資源承載力fa與理論最大地下水資源承載力fmax的比值為贛州經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度(RG),而地下水開(kāi)采程度(RQ)為地下水資源實(shí)際開(kāi)采量q開(kāi)與地下水可利用量的比值。根據(jù)RG-RQ的關(guān)系可作圖表達(dá),2010-2020年的贛州市RG-RQ數(shù)據(jù)投影到圖上,見(jiàn)圖1。

圖1 RG-RQ關(guān)系

將RG-RQ關(guān)系圖分為3個(gè)區(qū)域。如果某年份的RG-RQ位于I區(qū),表明贛州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展不受水資源約束,對(duì)地下水資源的依賴程度較低,未來(lái)發(fā)展?jié)摿艽?如果投影在II區(qū),表明贛州市出現(xiàn)地下水超采,但經(jīng)濟(jì)不超載,被水資源約束,優(yōu)化調(diào)整用水效率,今后經(jīng)濟(jì)發(fā)展尚有上升空間,地下水資源可恢復(fù);如果位于III區(qū),表明贛州市出現(xiàn)經(jīng)濟(jì)超載和地下水超采,即使優(yōu)化調(diào)整用水效率,也無(wú)法實(shí)現(xiàn)地下水資源動(dòng)態(tài)平衡,今后經(jīng)濟(jì)發(fā)展被水資源嚴(yán)重約束。若投影點(diǎn)位于或靠近線上,則表明實(shí)際用水效率已達(dá)到或接近峰值。

2 研究區(qū)概況與數(shù)據(jù)來(lái)源

贛州市位于贛江上游,江西省南部,東西南方向分別與福建、湖南、廣東3省交界,地處N24°29′-N27°09′,E113°54′-E116°38′之間?？v距295km,橫距219km,全市總面積39 379.64km2,占江西省總面積的23.6%。境內(nèi)包括長(zhǎng)江流域鄱陽(yáng)湖水系贛江上中游區(qū)和珠江流域東江水系上游區(qū)河段,可劃分16個(gè)水資源流域分區(qū)。根據(jù)官方數(shù)據(jù),贛州市常住人口2010-2020年由836萬(wàn)人增長(zhǎng)至897萬(wàn)人,農(nóng)作物播種面積2010-2020年由73×104hm2增長(zhǎng)至77×104hm2。理論用水量持續(xù)增加,因水資源長(zhǎng)期不合理利用,水土流失嚴(yán)重,水資源短缺與鄉(xiāng)村振興發(fā)展的矛盾凸顯。

贛州市多年平均降水量1 580.2mm,年平均氣溫19.9℃,多年平均地表水資源量336.52×108m3,地下水資源量92.38×108m3。表1中數(shù)據(jù)來(lái)源于2010-2020年贛州市水資源公報(bào)、江西省水資源公報(bào)、贛州市統(tǒng)計(jì)年鑒、江西省統(tǒng)計(jì)年鑒。贛州市地下水資源最大可利用量來(lái)源于李洪任等［11］在江西省地下水開(kāi)發(fā)利用紅線管理控制指標(biāo)研究結(jié)果數(shù)據(jù)。其他數(shù)據(jù)來(lái)源于國(guó)家統(tǒng)計(jì)局、國(guó)家數(shù)據(jù)網(wǎng)、江西省水利廳、贛州市水利局等官方網(wǎng)站。

表1 贛州市水資源、各產(chǎn)業(yè)用水量及產(chǎn)值

3 結(jié)果與討論

3.1 贛州市地下水資源承載力分析

地下水資源承載力受用水效率、地下水可利用量?jī)纱笠蛩刂萍s。本文計(jì)算了2010-2020年贛州市的農(nóng)業(yè)、工業(yè)和其他行業(yè)的用水效率,見(jiàn)圖2。由圖2可知,贛州市農(nóng)業(yè)用水量2010-2020年總體走勢(shì)起伏不定,從20.21×108m3增長(zhǎng)至2020年24.71×108m3,工業(yè)用水量由2010年的3.35×108m3增長(zhǎng)至2017年的4.69×108m3,再下降至2020年的2.56×108m3,其他行業(yè)用水量從2010年的4.7×108m3增加至2020年的5.76×108m3,呈持續(xù)上升趨勢(shì)。農(nóng)業(yè)、工業(yè)、其他行業(yè)的用水效率分別從2010年的10.39、166.9、101.7元/m3增長(zhǎng)至2020年的16.78、542.65、319.68元/m3,其中工業(yè)用水效率在2019-2020年有快速增長(zhǎng)。

綜合用水效率從2010年的44.13元/m3增長(zhǎng)至2020年110.36元/m3,呈現(xiàn)總體上升趨勢(shì)。但贛州市最大綜合用水效率110.36元/m3遠(yuǎn)低于全國(guó)平均用水效率,與高飛等［12］測(cè)算的北京市2015年的綜合用水效率620元/m3相差甚遠(yuǎn),與劉敏等［10］統(tǒng)計(jì)的2011年華北平原平均用水效率的179.5元/m3存在一定距離。各行業(yè)用水效率低是目前出現(xiàn)的較大問(wèn)題,提高贛州各行業(yè)用水效率是改變綜合用水效率的重要舉措,也是未來(lái)主要的突破方向。

圖2 贛州市各產(chǎn)業(yè)用水量及用水效率

贛州市的用水效率和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的變化同步進(jìn)行,地下水資源承載力也同樣發(fā)生變化。2010-2020年贛州市實(shí)際地下水資源承載力呈整體上升趨勢(shì),從2010年的82.96億元快速增長(zhǎng)至2013年109.22億元,2014年又降至105.03億元,2015年由123.44億元增長(zhǎng)至2019年的164.34億元,2020年又下降至144.57億元,期間略有起伏。

地下水資源實(shí)際承載力年平均增長(zhǎng)率為6%,增長(zhǎng)率波動(dòng)較大,整體呈下降趨勢(shì),2014和2020年出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)-3%和-12%,其主要原因?yàn)橄啾壬弦荒甑叵滤盟坑忻黠@降低。

從用水結(jié)構(gòu)上分析,贛州市地下水主要用于農(nóng)田灌溉。2010-2016年農(nóng)業(yè)用水量波動(dòng)較大,而2017-2020年基本維持在24×108m3左右,但農(nóng)業(yè)GDP卻持續(xù)增長(zhǎng),表明農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉的措施有所成效,較大程度上節(jié)約了水資源的使用。工業(yè)用水量在2017年達(dá)到峰值4.69×108m3,隨后下降至2020年的2.56×108m3,但工業(yè)生產(chǎn)總值依然穩(wěn)步上漲,表明各大型工業(yè)工廠嚴(yán)格執(zhí)行了政府水利部門出臺(tái)的相關(guān)節(jié)水政策,提高了工業(yè)用水重復(fù)利用率或使用了新的節(jié)水技術(shù)。

根據(jù)李洪任等［11］在江西省地下水開(kāi)發(fā)利用紅線管理控制指標(biāo)的研究成果,贛州市最大地下水可利用量(可開(kāi)采量)為4.06×108m3,由此可得出贛州市地下水資源的理論最大承載力(fmax)為448.06億元。由圖3可知,近些年,贛州市地下水實(shí)際承載的生產(chǎn)總值(GDP)遠(yuǎn)小于其地下水理論最大承載的生產(chǎn)總值(GDP),表明在提高各行業(yè)用水效率的同時(shí),為加速贛州市經(jīng)濟(jì)發(fā)展可適當(dāng)增加地下水資源的開(kāi)發(fā)利用,且存在一定的提升空間,改變經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式、合理利用地下水資源能有效解決當(dāng)前問(wèn)題,最終達(dá)成贛州市社會(huì)經(jīng)濟(jì)和地下水資源協(xié)調(diào)發(fā)展。

圖3 贛州市地下水實(shí)際與理論承載GDP

3.2 贛州市各年份RQ-RG分析

根據(jù)上述地下水資源承載力評(píng)價(jià)方法,將2010-2020年贛州市的地下水開(kāi)采程度和地下水支撐的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度投影到RG-RQ關(guān)系圖上,見(jiàn)圖4。由圖4可知,贛州市2010-2020年的RG-RQ數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在I區(qū)域內(nèi),表明贛州市地下水資源承載力未超載,而其地下水開(kāi)采程度與所支撐的經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度逐年改變。整體上看,贛州市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不受地下水資源的限制,其依賴程度較低,贛州市未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和地下水開(kāi)發(fā)利用的潛力很大。從圖4上還能看到,贛州市的綜合用水效率逐年靠攏最大用水效率值αmax。其中,2020年的數(shù)據(jù)點(diǎn)落在用水效率αmax線上,表明2020年贛州市綜合用水效率已到最大值,而當(dāng)年地下水開(kāi)采程度和地下水資源承載力并未超載。2010-2020年贛州市用水效率雖有逐步提高,但地下水開(kāi)采程度逐年降低,合理利用并加大開(kāi)采地下水量,保持當(dāng)前用水效率,未來(lái)贛州市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模有較大提升空間。

圖4 贛州市RG-RQ投影圖

3.3 地下水承載力的提高方案

地下水資源承載力的大小與地下水可利用量和綜合用水效率有關(guān),其主要受到氣候、地貌地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境、開(kāi)采技術(shù)、資源管理、人口、工農(nóng)業(yè)、科技進(jìn)步等相關(guān)因素的制約。因此,應(yīng)從以下兩個(gè)方向探討。

1)增加地下水可利用量。地下水可利用量主要受到水文地質(zhì)條件、開(kāi)采技術(shù)、生態(tài)環(huán)境的限制,不同地區(qū)各項(xiàng)條件不一,結(jié)合贛州市多山區(qū)的特點(diǎn),有以下途徑可增加地下水可利用量:①利用平原地帶的調(diào)蓄能力,通過(guò)人工雨水調(diào)蓄或回灌,將地表水部分轉(zhuǎn)化為地下水,增加地下水的利用量;②在山區(qū)或山前,改進(jìn)淺層含水層開(kāi)采技術(shù),增加使用小口徑井開(kāi)采,增加地下水可利用量;③發(fā)展地下水凈化技術(shù),將無(wú)法直接使用的地下水,轉(zhuǎn)化為可利用地下水。優(yōu)化地下水開(kāi)采技術(shù),增加開(kāi)采地下水資源量,是提高贛州市當(dāng)前問(wèn)題的有效途經(jīng)之一。

2)提高用水效率。用水效率與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)技術(shù)、節(jié)水技術(shù)、資源管理等相關(guān),因此不同產(chǎn)業(yè)和相關(guān)部門應(yīng)采取不同對(duì)策提高用水效率。在農(nóng)業(yè)上,優(yōu)化農(nóng)業(yè)節(jié)水措施,發(fā)展新節(jié)水技術(shù),如調(diào)整灌溉模式;調(diào)整種植結(jié)構(gòu),發(fā)展種植低耗水農(nóng)作物,提高農(nóng)業(yè)用水效率。在工業(yè)上,提高用水重復(fù)利用率和廢水循環(huán)使用率。相關(guān)部門出臺(tái)的節(jié)水政策,優(yōu)化地下水資源管理方案,加強(qiáng)節(jié)水宣傳,提高總體用水效率。

4 結(jié) 論

本文收集了2010-2020年贛州市水資源量、地下水、地表水供水量、工農(nóng)業(yè)、其他行業(yè)GDP及其用水量數(shù)據(jù),分析了贛州市農(nóng)業(yè)、工業(yè)、其他行業(yè)及綜合用水效率的時(shí)間變化特征。運(yùn)用RG-RQ投影法,研究了2010-2020年贛州市地下水資源承載力,并分析了其變化特征。結(jié)論如下:

1)贛州市農(nóng)業(yè)、工業(yè)以及其他行業(yè)用水效率逐年升高,分別從2010年的10.39、166.9、101.7元/m3增長(zhǎng)至2020年的16.78、542.65、319.68元/m3,其中工業(yè)用水效率在2019-2020年有快速增長(zhǎng)。而綜合用水效率從2010年的44.13元/m3增長(zhǎng)至2020年的110.36元/m3,總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì),但與北京市、天津市等城市用水效率相差甚遠(yuǎn)。

2)2010-2020年贛州市實(shí)際地下水資源承載力呈整體上升趨勢(shì),從2010年的82.96億元上升至2020年的144.57億元,期間略有起伏,但遠(yuǎn)低于其地下水理論承載的GDP(fmax)448.06億元。2010-2020年地下水資源實(shí)際承載力年平均增長(zhǎng)率為6%,增長(zhǎng)率波動(dòng)較大,整體呈下降趨勢(shì)。根據(jù)RG-RQ投影關(guān)系圖顯示,2010-2020年數(shù)據(jù)點(diǎn)均落在I區(qū)域內(nèi),表明贛州市地下水資源承載力未出現(xiàn)超載現(xiàn)象,贛州市的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不受地下水資源的限制,其依賴程度較低,地下水開(kāi)采潛力大,未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模有較大空間。

3)提高地下水資源承載力的對(duì)策有兩種,即增加地下水可利用量、提高用水效率。因此,應(yīng)提高各行業(yè)的用水效率,從而提高綜合用水效率。同時(shí),由于當(dāng)前開(kāi)采程度較低,應(yīng)合理開(kāi)采利用地下水量,有效提高贛州市地下水資源實(shí)際承載力。