基于和諧評估方法的地下水可持續利用評價研究

鄭二偉 李溦 凌敏華

摘?要：開展區域地下水可持續利用評價，掌握地下水可持續利用狀況，對于實現地下水資源可持續利用及保障供水安全和支撐經濟社會發展具有重要意義。構建了涵蓋地下水資源、經濟社會、生態環境系統的地下水可持續利用評價指標體系，基于和諧評估方法建立了地下水可持續利用評價模型，對2001—2018年河南省及其18個地市地下水可持續利用狀況進行了評價。結果表明：河南省地下水可持續利用水平呈逐年升高趨勢，但仍處于“接近不可持續”水平;18個地市地下水可持續利用水平呈南高北低、西高東低的格局。河南省應進一步加強地下水超采治理與保護，以實現地下水可持續利用。

關鍵詞：地下水;可持續利用;和諧評估方法;河南省

中圖分類號：TV213.9?文獻標志碼：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、水質優良、儲量穩定、易于開采等特點，在保障糧食安全、飲水安全、生態安全以及支撐經濟社會可持續發展、實現人與自然和諧共生等方面具有十分重要的作用[1]。尤其在我國北方地區，部分城市高度依賴地下水，如河北、河南、山西、內蒙古等省（區）地下水供水量占其總供水量的比例超過50%[2]。長期以來，一些地區地表水資源短缺或地表水受到污染，為滿足經濟社會發展用水需求不得不過量開采地下水，造成地下水位持續下降，引發地面沉降、地裂縫、海（咸）水入侵、土地荒漠化等環境地質問題[3-4]。目前，全國21個省（區、市）平原區存在地下水超采，超采總面積約30萬km2，華北地區地下水超采尤為嚴重（其超采區面積約占全國超采區總面積的60%）[2]。長期超采地下水嚴重影響區域地下水可持續利用，制約當地經濟社會可持續發展。因此，開展區域地下水可持續利用評價，科學評估地下水可持續利用狀況，分析影響地下水可持續利用的關鍵因素，對于科學制定地下水保護、開發利用與管理政策意義重大。

地下水可持續利用評價的關鍵是構建科學的評價指標體系和選取合理的評價方法[5]。在構建評價指標體系方面，M. Perez等[5]、J. Vrba等[6]選取了10個涵蓋社會、經濟、環境的指標，建立了地下水資源可持續利用評價指標體系;陳江等[7]在借鑒國際水文地質學家協會（IAH）提出的評價指標體系基礎上，從地下水穩定性、水資源均衡性、社會經濟可持續性3方面，建立了地下水資源可持續利用評價指標體系;張光輝等[8]基于地下水資源功能、生態功能、地質環境功能，建立了地下水功能及可持續利用評價指標體系。在評價方法方面，主要有主成分分析法、熵權法、層次分析法、物元分析法、投影尋蹤法、模糊綜合評價法等[9]。和諧評估方法是左其亭[10]于2008年提出的綜合評價方法，是基于人水和諧理念的定量辨識方法。人水和諧是指在不斷改善水系統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濟社會可持續發展提供久遠的支撐和保障，與水資源可持續利用相輔相成[11]。因此，筆者在借鑒前人研究成果的基礎上，構建地下水可持續利用評價指標體系，引入和諧評估方法，建立地下水可持續利用評價模型，并以河南省為例，分析其地下水可持續利用狀況，以期為地下水管理決策提供參考。人 民 黃 河?2020年第10期

1?地下水可持續利用評價方法

1.1?評價指標體系

地下水可持續利用受氣候變化和人類活動的共同影響，氣候（降水、蒸發、氣溫等）變化會導致地下水補、徑、排發生變化，人類對地下水資源需求以及開發利用會導致地下水生態環境發生變化。地下水可持續利用的理念旨在協調平衡地下水和人類社會發展之間的關系，因此地下水可持續利用原則是協調平衡地下水資源與生態環境、經濟社會發展之間的相互關系，地下水資源為經濟社會發展提供所需的生產生活用水，生態環境是地下水資源損耗后的直接反映，地下水資源、經濟社會、生態環境3個子系統之間存在此消彼長的矛盾對立關系。構建指標體系的關鍵在于準確選取反映3個子系統的指標，遵循科學性、簡明性、代表性等原則，指標體系主要包括3個層次：①目標層，綜合反映地下水可持續利用評價指數;②準則層，包含地下水資源、經濟社會、生態環境3個子系統;③指標層，涵蓋3個子系統的12個指標（見圖1）。

1.2?評價方法

采用和諧評估系列方法中的單指標量化-多指標綜合-多準則集成法進行評價，步驟如下[10-12]。

（1）單指標量化。各評價指標的量綱不完全相同，采用分段線性隸屬函數量化方法，將各評價指標統一映射到[0，1]區間，得到評價指標的可持續利用指數。根據行業規劃指標或標準、規劃資料、相關研究成果等綜合確定評價指標的特征節點值[12]，包括最差值（a）、較差值（b）、及格值（c）、較優值（d）、最優值（e）。評價指標分為正向指標（可持續利用指數隨指標值的增大而增大的指標，其值越大對地下水可持續利用越有利）和逆向指標（可持續利用指數隨指標值的增大而減小的指標，其值越小對地下水可持續利用越有利），對于某個指標k，根據特征節點值及式（1）或式（2）可計算出其可持續利用指數μk。

正向指標計算公式：

μk=0（xk≤ak）0.3（xk-akbk-ak）（ak

逆向指標計算公式：

μk=1（xk≤ek）0.8+0.2（dk-xkdk-ek）（ek

式中：μk為指標k的可持續利用指數（k=1，2，…，n，n為各準則層的指標個數）;ak、bk、ck、dk、ek均為指標k的量化特征節點值;xk為第k個指標的值。

（2）多指標綜合。根據準則層所含因素t對應的各指標可持續利用指數，采用權重加權方法，綜合得到準則層所含因素t的可持續利用指數HDt，計算公式為

HDt=∑nk=1ωkμk（3）

式中：t=1，2，…，T（T為準則層子系統的個數）;ωk為指標層各指標的權重，采用變權法確定[13]，變權法隨評估值的變化而改變，是對常權法的修正，∑nk=1ωk=1。

（3）多準則集成。根據準則層可持續利用指數，按照權重加權方法集成得到目標層可持續利用指數HD，即地下水可持續利用指數，計算公式為

HD=∑Tt=1ωtHDt（4）

式中：ωt為準則層各子系統的權重，∑Tt=1ωt=1，鑒于經濟社會、地下水資源、生態環境3個子系統同等重要，賦予準則層各子系統相等的權重。

地下水可持續利用指數反映區域地下水可持續利用的總體水平，該指數分為7個水平等級（見表1），其值越大表示地下水可持續利用水平越高[10，14]。

2?實例應用

2.1?河南省地下水資源概況

河南省位于我國中部偏東地區，橫跨長江、淮河、黃河、海河4大流域，面積約16.7萬km2，下轄17個地級市、1個省直轄縣級市，人口居全國第三位，經濟總量穩居全國第五位、中西部第一位，糧食總產量位于全國第二位，是典型的農業大省。河南省多年（1956—2016年）平均降水量771 mm，降水年內分布不均，主要集中在汛期;降水空間分布不均，從南部山區的1 400 mm遞減到北部平原區的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%）。省內大部分地區地下水總硬度和礦化度低，水質優良，是生產、生活及生態用水的重要來源，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，在支撐經濟社會可持續發展方面發揮著不可替代的作用[15]。近年來，隨著河南省經濟社會快速發展、城鎮化加速推進，經濟社會用水不斷增長，地下水開采量持續增加，年均超采量11.11億m3，地下水超采區面積約4.4萬km2，約為全省面積的26%[16-17]，其中豫北、豫東部分地區超采區面積約占全省超采區面積的75%。過度開采地下水引發區域地下水位持續下降、地面沉降、水質惡化等環境地質問題，危及供水安全、生態安全和糧食安全，嚴重影響河南省經濟社會的可持續發展[18]。

2.2?評價指標數據及來源

根據河南省實際，建立地下水可持續利用指標體系。參考地下水可持續利用相關研究成果[15-16]以及《地下水超采區評價導則》《節水型社會“十三五”規劃》《生態城市建設標準》《城市居民生活用水量標準》《中華人民共和國森林法實施細則》《生活飲用水衛生標準》等相關規范，綜合確定評價指標的特征節點值（見表2）。河南省2001—2018年地下水可持續利用評價指標數據（見表3）來源于《河南省水資源公報》《河南省統計年鑒》《河南省國民經濟和社會發展統計公報》《河南水利年鑒》、第二次全國水資源調查評價等相關資料。受篇幅限制，各地市的指標值沒有列出;河南省土地沙化、土壤鹽漬化、地面沉降面積對地下水可持續利用影響不大，故C8～C10不參與評價。

2.3?評價結果

2.3.1?時間變化

河南省2001—2018年地下水可持續利用指數主要處于接近不可持續水平，呈緩慢升高趨勢（見圖2）。近年來河南省依靠科技進步逐步提高工業、城鎮、農業節水水平，且2014年南水北調中線通水后，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，河南省南水北調受水區（城區）累計壓采4.51億m3，已完成近期（2020年前）壓采目標的190.2%。隨著地下水壓采、地表水源工程建設、農灌區節水改造和引水蓄水補源工程等治理措施逐步實施和發揮效益，使得不合理的地下水開采量得到逐步削減。

從不同子系統來看，經濟社會子系統可持續利用水平的升幅最大，從接近不可持續水平向較可持續水平轉變，主要原因是2001年后河南省大力推進農業節水增效措施、優化產業結構、加快工業節水減排，使得萬元GDP用水量、農田灌溉地下水用水定額、人均地下水用水量持續降低，經濟社會子系統可持續利用指數得到了較快增長。地下水資源子系統可持續利用水平在較不可持續狀態上下波動，主要原因是地下水資源匱乏、開發率高但利用效率低、用水結構不合理。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平均水平的1/5和1/4，是我國嚴重缺水省份之一，水資源匱乏導致地下水開采嚴重;此外，大量地下水用于農業灌溉，農業地下水供水量約占農業用水量的60%，農業用水基數大、節水技術相對落后等原因導致農業灌溉水利用率僅為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可持續利用指數明顯偏低，原因是這3 a的降水量低于多年（2001—2018年）平均的20%。生態環境子系統可持續利用指數基本處于較不可持續水平，主要表現為地下水不合理開發造成的環境地質問題，如出現地下水降落漏斗、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年地下水可持續利用指數見表4，2005年、2010年、2014年、2018年地下水可持續利用指數空間分布見圖3，可以看出：河南省各地市地下水可持續利用水平呈逐年升高趨勢，總體上呈現為南高北低、西高東低的空間格局。地下水可持續利用水平為較不可持續的地市個數明顯減少;接近不可持續的地市個數從2004年的5個增加到2010年和2014年的8個、2018年的12個;在2018年甚至出現基本可持續水平的地市。從各地市情況來看，西南部地區的信陽、南陽兩市地下水可持續利用水平較高，由較可持續水平升高至基本可持續水平，原因主要是這2個地區地表水資源豐富，地表水供水量約占總供水量的80%，且隨著南水北調中線通水，地下水開采量進一步減少;中西部地區的洛陽、濟源、平頂山、漯河、駐馬店、鄭州、開封、許昌等市經濟水平較高，水資源較豐富[20]，地下水開采量占比較低，地下水可持續利用水平由接近不可持續提升至較可持續水平;東北部地區的周口、商丘、焦作、新鄉、鶴壁、安陽、濮陽等市地下水可持續利用水平雖有所升高，但仍處于接近不可持續水平，原因主要是東北部地區人口相對密集、農業占比大，水資源匱乏，地下水超采嚴重，表現為地下水位持續下降、地下漏斗問題突出，如安陽市東部平原區的內黃縣、滑縣形成全省最大的降落漏斗區。

3?結?語

（1）本文構建了涵蓋地下水資源、經濟社會、生態環境的地下水可持續利用評價指標體系，基于和諧評估方法建立了地下水可持續利用評價模型，以河南省為例進行評價，表明該模型能較好地辨識影響地下水可持續利用的主要因子，可為區域地下水可持續利用評價提供新思路。

（2）2001—2018年，河南省地下水可持續利用水平呈現升高趨勢，但受不合理地下水資源開發利用以及引發的環境地質問題影響，全省地下水可持續利用水平仍處于接近不可持續水平;河南省18個地市地下水可持續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利用的突出問題，導致超采的主要原因是水資源匱乏以及農業粗放式用水和農業耗水量大。

河南省應加強城市工業節水，利用南水北調水等外調水源轉換城市工業供水水源，減少城市工業地下水開采量，嚴格企事業單位自備井封填管理，加快推進地下水超采區治理進程，實施區域地下水水位、水量雙控管理，切實落實最嚴格地下水管理與保護，同時強化農業節水，加快推廣高效節水灌溉技術，優化農業種植結構，利用引黃水、當地地表水、再生水等水源替代部分地下水開采量。

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【責任編輯?張華興】