沈北新區淺層地下水環境風險空間特征評價

高世乾, 魏建兵, 鄭堯文, 張 娜, 石新竹, 劉景琦

(沈陽大學 區域污染環境生態修復教育部重點實驗室, 遼寧 沈陽 110044)

近年來,隨著人口增長和經濟增速,地表水資源不斷出現水量不足和水質不達標的問題,工農業用水更加依賴地下水.沈北新區是我國東北平原地區大型城市擴張和農業集約經營發展的典型代表地區,是我國近年來確定的城市可持續發展綜合實驗區之一,由于城市化和設施農業的快速發展,該地區地下水環境已經受到了一定程度的污染[1-3].為維護該地區生態環境和經濟增長的協調可持續發展,保護和改善地下水環境質量具有迫切的需求.然而,目前在大城市城鄉交錯區城市擴張和農業集約經營背景下,尚缺乏對地下水環境質量現狀和存在的環境風險等的基礎研究.

地下水環境風險評價起源于Margat提出的地下水脆弱性評價[4].地下水脆弱性評價最為常用的方法是DRASTIC框架,在此基礎上,學者們不斷優化模型參數及其分級標準確定方法,不斷改進模型的性能[5],但很長一個時期是限于自然地質條件的地下水固有脆弱性研究.隨著人類活動加劇,人類對地下水環境造成的影響愈加嚴重,于是在固有脆弱性的基礎上提出了考慮人類活動因素的特殊脆弱性評價,并從污染程度評估逐漸過渡到了地下水環境風險評價[6].

有學者認為地下水環境風險主要取決于農業灌溉與人類活動用水,與地下水自然儲存量相關性不大[7].國內又選取了水質和水量相關指標構建了風險評價指標體系,但在分析人類活動對地下水環境的影響方面還不夠詳盡[8].在地下水環境評價風險理論的引入方面,馮平等[9]引入突變理論減少了傳統權重方法中主觀因素的干擾,但有關風險原理體現還不夠深入.李如忠等[10]從自然屬性和人類活動2個方面篩選出指標構建指標體系,提出了一種模糊多指標分析方法,但其風險等級與風險重要性的劃分主觀性較強,可能使結果產生偏差. 孫才志[11]等人在風險評價中結合風險理論[12]和環境風險理論構建中大流域尺度評價體系取得了較好的結果,這種方法是否適合中小尺度的城市化地區應用,還有待檢驗.隨后,張蘭真[13]等人也指出了在指標選取、權重確定以及風險性方面存在的一些問題,并給出建議,但尚沒有將其應用于實踐中.

基于國內外地下水脆弱性風險評價研究進展分析,本文選取了結合自然災害風險理論構建的評價模型,針對城市化和農業集約發展的典型案例區開展地下水環境風險評價,并探討風險級別、風險格局與土地利用和社會經濟發展的空間關系,可為該地區和其他類似地區城市發展過程中地下水環境管理和土地利用優化提供參考.

1 研究區概況

沈北新區位于沈陽中心城區北部,地理坐標介于東經123°16′～123°48′,北緯41°54′～42°11′之間,包括新城子街道、清水臺街道、輝山街道、道義街道、虎石臺街道等14個街道(鄉、鎮),人口36萬,區域面積821 km2.2006年經國務院批準,沈北新區成為國家級開發建設新區.設立為開發區后,其第一產業仍占有比較大的比重,傳統農業改造形成集約經營的種植基地、養殖基地,設施農業達到70%以上,農藥、化肥等投能力度不斷增大,對地下水環境的影響日益增強.靠近城區的區域重點發展第二產業,截至2015年,沈北新區已經引進眾多工業項目,規模以上企業工業總產值達到1159.4億元. 在過去10年中,該地區的工業發展和城市化建設發展迅速,城市化率近60%,國內生產總值較10年前相比增長了3.4倍.在追求經濟發展的同時,水資源缺乏和水污染情況普遍存在,城市和工業的大規模開發以及農業的集約化經營對生態環境的影響不斷凸顯.

沈北新區地勢較為平坦,東高西低.區內河流較多, 遼河位于該地區的北部邊界,蒲河位于中南部地區.區內東部屬于山丘基巖和巖溶水文地質區,由于大量的斷裂帶,蓄水為裂隙水和巖溶水.北部和西北部屬于遼河河谷潛水文地質區,含水層的厚度為5～70 m,下層為砂礫和卵石,上層為細沙和中沙,是該區地下水的主要儲存區.中部山前為傾斜平原,黃土狀黏土外露.南部山前為渾河沖洪積扇區,承壓水文地質區,地表巖性大部分屬于黃土狀黏土.中南部水資源較缺乏,該地區屬北溫帶季風氣候,多年平均降水量720 mm,多年平均氣溫6.8 ℃,土壤為棕壤,土地利用以城鎮建設用地和農田為主,東南部有少量森林植被.研究區域位置、行政區劃及水質和地質參數調查點分布見圖1.

圖1 沈北新區位置及地下水調查樣點分布Fig.1 Location of Shenbei Area and sampling sites of groundwater in the area

2 研究方法

2.1 地下水環境風險評價建模過程

2.1.1 地下水環境風險指數模型

地下水環境風險是由地下水環境的復雜性和不確定性引起的,主要包括地下水存在的自然環境和人類活動對地下水產生影響的社會環境,也就是說地下水環境風險是由地下水系統本身的固有脆弱性、功能性以及人類活動影響造成的脅迫性、適應性相互作用的結果[11].本次研究采用式(1)計算地下水環境風險指數為

R=V·F·S/A.

(1)

式中:R為地下水固有環境風險指數;V為地下水固有脆弱性(intrinsic vulnerability)指數;F為功能性(function)指數;S為脅迫性(stress)指數;A為適應性(adaptability)指數.

2.1.2 地下水固有脆弱性、功能性、脅迫性、適應性指數評價指標的選取

(1) 地下水固有脆弱性

地下水固有脆弱性是由該地區的水文地質環境所決定的,表明了外界污染物質進入地下水環境后對地下水造成污染的容易程度,脆弱性指數越高,則表明其越易受到污染.參照DRASTIC模型選取地下水埋深、地形坡度、土壤介質類型、地下水補給模數、地下水凈補給量、水力傳導系數、滲流區介質類型7個指標,地下水埋深數據來源于68個監測點的現場調查,地形坡度來自于沈北新區數字地形模型(DEM),土壤介質類型來源于沈北新區土壤圖,其他4個參數來源于《遼寧省水文地質圖集》等資料.

(2) 地下水功能性

地下水的價值體現了地下水的功能性,地下水價值主要分為資源價值、生態功能價值以及地質環境功能價值,選取地下水供水比、地下水開采模數、地下水漏斗比例面積、植被覆蓋度、生物豐富度指數、濕地占有面積6個指標表征地下水的功能性,前3個指標參數來源于《遼寧省水文地質圖集》等資料,后3個指標參數來源于沈北新區GEOEYE-1遙感影像(2015年)解譯獲得的土地利用/覆被矢量數據核算.

(3) 地下水脅迫性

地下水脅迫性是指地下水受到的威脅,也就是能對地下水造成負面影響的因素,分為水質脅迫和水量脅迫2方面,選取以下6個指標:工業廢水排放總量、生活污水排放總量、化肥施用量、水資源開采模數、水資源緊缺程度以及干旱程度,前3個指標參數來源于《沈北新區統計年鑒2015》,后3個指標參數來源于《沈陽市水利志2005—2010》等資料.

(4) 地下水適應性

地下水適應性是指地下水在外界壓力下的自我恢復能力以及人類為保護地下水而采取的措施.選取工業廢水排放達標率、生活廢水排放達標率、水利環保投資比重和廢水治理設施數4個指標,指標參數來源于《沈北新區統計年鑒2015》.

2.1.3 地下水脆弱性、功能性、脅迫性、適應性指數計算方法

采用加權指數法分別計算脆弱性、功能性、脅迫性和適應性指數,計算公式為

(2)

式中:P為指數得分,無量綱;wi是因子i的權重,無量綱;Zi是因子i的評分(標準化數據),無量綱.

脆弱性指標權重和評分標準參照DRASTIC模型推薦值[13].地下水功能性、脅迫性和適應性則采用層次分析法確定各指標權重[14]. 為不同級別之間的指標構建了判斷矩陣,在單準則下分別構造,即在一個準則層下對下一層指標構造判斷矩陣.以此類推,采用1～9比例標度法比較不同元素的重要性,聘請3位水文地質、環境工程和環境生態方面的專家對判斷矩陣進行評分,評分值采用Min-max標準化進行轉化計算.

使用SPSS 22.0軟件描述性統計方法(標準差)分析各個指數在不同區域間的差異性,使用ArcGIS 10.5軟件進行各指數的分級和空間分布制圖.

2.2 土地利用相關特征指標和社會經濟發展指標的計算

解譯沈北新區GEOEYE-1遙感影像(2015年)獲得區域土地利用矢量數據,計算旱田占比、水田占比、旱田/水田面積比率,使用建設用地面積與區域總面積比計算土地城市化率,林地面積與區域總面積比計算植被覆蓋率;查閱《沈北新區統計年鑒2015》獲得12個街道(鄉、鎮)農業生產總值、工業生產總值數據,使用非農業人口數與總人口數比計算人口城市化率.

2.3 地下水環境風險與土地利用/社會經濟指標之間關系的統計

在ArcGIS 10.2軟件支持下,使用12個街道(鄉、鎮)邊界切割相關數據,分別獲得每個街道(鄉、鎮)的地下水環境風險指標值和土地利用特征指標值.將12個街道(鄉、鎮)作為分析樣本,采用SPSS 22.0軟件相關性分析功能(皮爾森相關系數、雙尾檢驗)統計分析地下水環境與土地利用特征指標和社會經濟發展指標之間的相關性,探討人類活動對地下水環境的影響因素.

3 結果與分析

3.1 淺層地下水環境風險指數大小對比及空間分布

沈北新區各街道(鄉、鎮)淺層地下水環境5個指數對比如圖2所示,脆弱性指數、脅迫性指數、功能性指數最大值分別出現在興隆臺鎮、新城子街道和尹家鄉,適應性指數最大值出現在輝山街道,這些指數在各街道(鄉、鎮)間的離散性不大(標準差分別為9.57、20.29、17.18和15.38),而通過這4個指數計算出來的風險指數的離散程度較大(標準差498.35)[13],風險指數大于1 000的出現在尹家鄉、黃家鄉、興隆臺鎮和財落街道,這4個鄉鎮是沈北新區地勢較低和水田分布集中的地區.

圖2 沈北新區淺層地下水環境風險指數對比Fig.2 Comparison of shallow groundwater environmental risk index in Shenbei Area

沈北新區淺層地下水環境脆弱性指數、功能性指數、脅迫性指數、適應性指數等級分布見圖3,淺層地下水環境風險指數分布格局見圖4.由圖3分析可知,該地區地下水脆弱性整體上由西北向東南遞減,脆弱性高的地區主要分布在黃家鄉、興隆臺鎮、石佛寺鄉和財落街道與尹家鄉的北部.西北部地下水埋深淺,土地利用主要為集中開發的水田,地下水開采量大,化肥農藥等投入量高.

圖3 沈北新區地下水環境風險各指數等級分布圖Fig.3 Distribution maps of groundwater environmental risk index in Shenbei Area

圖4沈北新區淺層地下水環境風險分布圖

Fig.4Distribution of shallow groundwater environmental risk in Shenbei Area

東部為丘陵臺地區,地下水埋深較深,森林植被覆蓋率高,農業和城市開發強度較小,地下水不易受到污染.但這些地區水田和濕地面積大,地下水的生產支持和生物多樣性保護功能明顯高于其他各地,因而表現出較高的功能性.城市化率高的道義街道和虎石臺街道基本普及了自來水管道供應,地下水開采量和供給量小,表現為地下水功能性較低.道義街道、虎石臺街道和新城子街道是地下水脅迫性高的集中區,該區域人類活動頻繁,工農業發達.道義街道城市化率高,虎石臺為主要工業區,人口密度大,產生的生活廢水和工業廢水和對地下水污染風險較大.新城子區集約化旱作農業面積大,設施農業化肥農藥施用量大以及大量抽取地下水灌溉.地下水適應性較高的地區中心為輝山街道和虎石臺街道,這2個地區污水處理設施完善、環保投資比重較大,表現出較高的適應性.適應性低的區域主要位于馬剛鄉和石佛寺鄉,馬剛鄉地處丘陵區,農田面積較大,環保設施少,石佛寺鄉位于遼河沿岸,地下水埋深淺,畜禽養殖規模較大.

根據圖4可以看出,沈北新區環境風險指數空間分布特征類似于脆弱性指數,呈現西北至東南逐次降低的趨勢.西北部的財落街道、興隆臺鎮、黃家鄉和尹家鄉地下水環境風險等級高.地下水脆弱性與地下水功能性較高是造成這些地區地下水環境風險較大的主要原因.風險等級低和較低的區域主要分布在東南部,包括輝山街道、蒲河街道、虎石臺街道東南部、道義街道南部,環境風險低是這些地區的水文地質條件較好、植被覆被較高和污水處理等環保設施較為完善等因子綜合作用的結果.

3.2 土地利用和社會經濟發展相關特征指標計算

通過遙感影像解譯和實地調繪,參考《土地利用現狀分類》(GB/T 21010—2017),制作的沈北新區土地利用圖,見圖5.整體土地利用格局表現為建設用地分布于區域南部,西北部主要為水田,東南部分布少量的森林植被,旱田主要分布于區域中部.按照街道(鄉、鎮)統計的土地利用/覆被類型比率、人口和社會經濟特征指標見表1.超過50%水田占比的有石佛寺鄉和興隆臺鎮,新城子街道和財落鄉旱田占比較高,均超過70%,水旱田比率最高的是石佛寺鄉,植被覆蓋率超過30%的為輝山街道和馬剛鄉,土地城市化率較高的是道義、虎石臺和輝山街道,人口城市化率超過60%的有道義、虎石臺和新城子街道,農業總產值占沈北新區總體農業產值超過10%的有輝山、新城子和財落街道,工業總產值較高的包括道義、虎石臺和新城子街道.

圖5沈北新區土地利用圖
Fig.5Map of land use in Shenbei Area

表1 沈北新區各街道(鄉鎮)土地利用/覆被和社會經濟指標Table 1 Land use/cover and socioeconomic indicators of all streets (townships) in Shenbei Area

續表1

街道(鄉鎮)水田占比%旱田占比%水田與旱田比植被覆蓋率%土地城市化率%人口城市化率%產值占沈北新區總體產值比例/%農業工業輝 山18.268.342.1940.8630.8127.1232.629.08蒲 河26.1339.430.6610.3319.2921.460.394.42財 落2.6473.740.043.7719.0829.2920.134.80清水臺3.6259.230.0619.2416.3844.245.240.94興隆臺60.2631.631.900.297.524.305.002.77黃 家36.2843.160.842.5710.2813.716.222.86石佛寺78.3711.316.930.178.0720.944.620.25尹 家18.6161.480.306.5813.0407.341.27馬 剛3.2058.640.0530.256.8715.304.201.00

3.3 地下水環境風險與土地利用特征和社會經濟發展的關聯關系

為了考察地下水環境風險與土地利用和社會發展指標之間的關聯,為區域城鄉規劃和環境管理優化提供依據,將2種類型的指標建立相關性矩陣,通過顯著性檢驗識別特征指標,結果見表2.土地利用和社會經濟指標中植被覆蓋率與脆弱性指數顯著負相關,水田占比與脆弱性指數正相關性較顯著.脅迫性指數主要與人口城市化率顯著正相關,與工業總產值和旱田占比正相關性較顯著,與水田占比較顯著負相關.功能性指數與人口城市化率顯著負相關,與土地城市化率較顯著負相關,與植被覆蓋率和水田占比較顯著正相關.影響適應性指數的只有植被覆蓋率(正相關性較顯著).由以上3個指數綜合計算的風險指數與植被覆蓋率顯著負相關,與城市化率和水田占比呈較顯著正相關.

表2 沈北新區地下水環境風險與土地利用和社會經濟指標之間的相關性

注: *0.05置信水平的顯著性;**0.01置信水平的顯著性

綜合各個指數的大小和空間分異性,以及其與土地利用和社會經濟指標的相關性,分析認為,脆弱性的決定性指標主要是水文地質條件,以抽取地下水為灌溉用水的長期稻田開發利用能夠增強易受污染的程度,提高植被覆蓋率對于降低脆弱性有積極的效應.脅迫性的影響因素主要表現為城鎮人口增長對地下水質和水量的干擾,同時水田和旱地的集約化利用造成的物質、能量投入加大也會對地下水環境產生明顯的影響.地下水在農業地區的功能價值體現的較高,這與該區域城市化地區大部分水井關閉,而農田灌溉主要來源于地下水開采有關.提高植被覆蓋率、增設污染處理設施、加大環保投入等措施對于提高地下水的適應性有積極的作用.針對以上4個方面指數綜合的環境風險,適度控制城市的擴張規模和速率,加強植樹造林力度,關注水田利用的節水技術和污染控制等是降低風險的有效途徑.

4 結 論

沈北新區位于大型城市的城鄉過渡區,是城市快速擴張和農業集約化經營的典型代表區,評估自然地質條件和社會經濟活動對地下水環境的影響是維護區域經濟與環境協調可持續發展重要的基礎性工作之一.本研究基于風險理論模型框架,在水質監測、水文地質和社會經濟發展數據調查分析的基礎上,借助GIS等研究工具構建的地下水環境風險評價方法取得了較好的研究結果,可得出以下結論.

(1) 沈北新區地下水環境風險與地下水脆弱性空間分布具有相似性,從西北向東南呈現遞減條帶狀分布趨勢,因此,到目前為止,地質條件仍然是該區域地下水環境風險的主要影響因素. 增加植被覆蓋率有利于降低脆弱性風險.

(2) 從脅迫性指數看,城市化和農業集約經營的規模和強度已經對地下水環境呈現出明顯的潛在風險.需要在城鎮化和農業集中開發的過程中減少對地下水系統的人為干擾.

(3) 從功能性指數看,西北部的大面積水田有較高的保護價值,應該得到進一步的安全生產保護.開發節水灌溉技術,降低地下水的開采量,加強農藥化肥等物質投入的管理.

(4) 從適應性指數看,城市化開發過程中,注重自然植被的保護、增加人工造林、增設污水處理設施等環保投入對于維護地下水質量具有明顯的效果.特別是農業農村地區分散性污染的治理和管理力度需要加強.

(5) 總體來看,在不可避免的城市擴張和農業集約化經營過程中,摸清區域環境風險空間分布格局,據此,適應自然地質條件,規范土地利用開發類型和強度,加大環境管理力度,是維護區域經濟發展和地下水環境保護協調發展的有效途徑之一.