王 磊，梁 秀 娟，李 宏 偉，魯 華

(1. 吉林大學(xué) 地下水資源與環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130021; 2.吉林大學(xué) 新能源與環(huán)境學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130021)

1 研究背景

在水資源需求非常大的今天，水資源可持續(xù)利用是目前乃至將來(lái)都必修嚴(yán)肅認(rèn)真對(duì)待的課題。水資源可持續(xù)利用的定義是：在維持水的持續(xù)性和生態(tài)系統(tǒng)整體性的條件下，支持人口、資源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展和滿足代內(nèi)及代際人的用水[1-2]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)進(jìn)行了相應(yīng)的研究。

(1) 發(fā)展過(guò)程。從地下水可持續(xù)利用機(jī)理的研究開(kāi)始[3]，到地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)體系的建立[4]，再到地下水資源可持續(xù)利用的綜合評(píng)價(jià)[5]。

(2) 研究?jī)?nèi)容。由地表水資源的可持續(xù)利用開(kāi)始[6]，到地下水資源的可持續(xù)利用研究[7-9]，再到礦泉水資源的可持續(xù)利用的研究[10-11]。

(3) 評(píng)價(jià)方法。開(kāi)展水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)過(guò)程采用的主要方法包括：灰色聚類(lèi)評(píng)價(jià)法[12-13]、多目標(biāo)層次分析法[14]、Bossel理論法[15]以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[16]等。

然而當(dāng)前社會(huì)水資源的需求，不僅是地下水資源可持續(xù)利用的問(wèn)題，還應(yīng)滿足用水安全方面的渴求。用水安全的概念來(lái)自于水安全，水資源安全為在一定時(shí)空條件下，能夠持續(xù)、穩(wěn)定、保質(zhì)保量地滿足人類(lèi)及社會(huì)發(fā)展中對(duì)水資源的需求，同時(shí)又能保障生態(tài)環(huán)境良好運(yùn)行的水資源的狀態(tài)[17]。用水安全在水資源開(kāi)發(fā)利用中存在著至關(guān)重要的作用。在以往有關(guān)地下水資源可持續(xù)利用的研究中，對(duì)于用水安全方面并沒(méi)有明確的體現(xiàn)。本文根據(jù)延邊州的實(shí)際情況，以用水安全為前提，對(duì)地下水資源的可持續(xù)利用進(jìn)行分析，旨在維護(hù)用水安全的前提下，針對(duì)地下水的可持續(xù)性開(kāi)采利用問(wèn)題展開(kāi)討論，希望能為同類(lèi)研究提供依據(jù)。因此，本次研究除了具有一定的理論意義，還具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖1 地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)體系示意Fig.1 The map of sustainable utilization of ground water resources

2 研究區(qū)概況

將延邊朝鮮族自治州作為研究區(qū)。該區(qū)北鄰黑龍江省的牡丹江市,西部與吉林省的吉林市和通化市相連,南部和朝鮮民主主義人民共和國(guó)隔江相望，東部和俄羅斯聯(lián)邦相鄰?？偯娣e為42 700 km2。

延邊朝鮮族自治州屬于中溫帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)。多年平均降水量為595.0 mm，雨量集中在6，7，8三個(gè)月。

延邊州地下水資源主要賦存于延吉盆地、琿春盆地、敦化盆地以及羅子溝盆地。延邊州2017年的淺層地下水資源量為26.13億m3，地下水實(shí)際開(kāi)采量為0.85億m3/a、地下水可開(kāi)采資源量為10.89億m3/a。其中，琿春市、圖們市、延吉市和龍井市的開(kāi)發(fā)利用程度較高，分別為13.29%，11.68%，10.62%和9.64%。

2017年，在延邊州取了98組地下水樣，根據(jù)地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了51項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)試和分析。其中，F(xiàn)e、硝酸鹽、耗氧量、氨氮這4項(xiàng)指標(biāo)超標(biāo)。Fe超標(biāo)主要分布在敦化市和安圖縣；硝酸鹽超標(biāo)主要分布在敦化市、安圖縣、汪清縣、圖們市、和龍市、琿春市，耗氧量超標(biāo)主要分布在敦化市、安圖縣；氨氮超標(biāo)主要分布在敦化市、安圖縣、汪清縣、圖們市、琿春市。從地下水水質(zhì)來(lái)看，延邊州的用水安全堪憂。

3 地下水資源可持續(xù)利用研究

3.1 研究方法

針對(duì)延邊州地下水水質(zhì)和開(kāi)發(fā)利用的特點(diǎn)，建立了地下水資源可持續(xù)利用安全評(píng)價(jià)體系。采用直線法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，采用多目標(biāo)層次法來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)加權(quán)直線法來(lái)確定延邊州地下水資源可持續(xù)利用的發(fā)展?fàn)顟B(tài)。

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

地下水可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系以社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展為主導(dǎo)思想，以用水安全為基本前提，結(jié)合延邊州地下水資源開(kāi)發(fā)利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境情況，建立了地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1所示。

3.3 指標(biāo)的計(jì)算方法

針對(duì)延邊州地下水資源的水質(zhì)和水量，選取了23個(gè)指標(biāo)來(lái)對(duì)其可持續(xù)利用研究情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。表1為每個(gè)指標(biāo)的計(jì)算方法，本文采用直線型指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化方法對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行處理[10]。

表1 地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)計(jì)算法Tab.1 Calculation of index for sustainable utilization of ground water resources

3.4 權(quán)重的計(jì)算方法

采用層次分析法來(lái)計(jì)算權(quán)重，在層次結(jié)構(gòu)中,判斷矩陣是通過(guò)數(shù)值來(lái)比較、判斷某一層次各個(gè)元素針對(duì)前一個(gè)層次的某元素的重要性的矩陣。判斷矩陣中，各元素的數(shù)值一般由1～9標(biāo)度法來(lái)確定[18-19]。確定矩陣中元素的數(shù)值后，利用公式(1)和公式(2)來(lái)計(jì)算判斷矩陣的特征向量Wi(權(quán)重)以及最大特征根λmax。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中,(AW)i表示向量AW的第i個(gè)元素。

計(jì)算出特征向量Wi(權(quán)重)，還需借助于公式(3)和公式(4)對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性，可查表得；一般認(rèn)為一致性比例為CR<0.1時(shí)，才達(dá)到令人滿意的結(jié)果。

(3)

(4)

3.5 數(shù)據(jù)來(lái)源及權(quán)重的確定

3.5.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

本文的水質(zhì)數(shù)據(jù)來(lái)自黑龍江譜尼測(cè)試科技有限公司(資質(zhì)認(rèn)定證書(shū)編號(hào) 150800140504)給出的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果；地下水資源的實(shí)際開(kāi)采量、地下水開(kāi)發(fā)利用程度、工業(yè)用水量、生活用水量、生態(tài)用水量、工業(yè)水重復(fù)利用量以及水功能區(qū)合格率數(shù)據(jù)主要是來(lái)自2008～2014年《延邊朝鮮族自治州水資源公報(bào)》，數(shù)據(jù)值取其多年平均值。降雨量、地下水資源量、土地面積的數(shù)據(jù)來(lái)自《吉林省水資源》；人口總量、GDP、人口增長(zhǎng)率、森林覆蓋率、污水處理率、環(huán)保事業(yè)的投資數(shù)據(jù)來(lái)自《延邊朝鮮族自治州國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》和《吉林省統(tǒng)計(jì)年鑒》。

3.5.2 權(quán)重的確定

(1) 準(zhǔn)則層權(quán)重。以用水安全系統(tǒng)為主要考慮的影響因素，地下水資源系統(tǒng)相對(duì)次之。社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)要與生態(tài)系統(tǒng)并重，僅次于地下水資源系統(tǒng)。

(2) 方案層權(quán)重。安全系統(tǒng)中合格水質(zhì)面積率為主要考慮因素，其次考慮不合格水質(zhì)地區(qū)地下水中Fe、硝酸鹽、耗氧量、氨氮的達(dá)標(biāo)率；地下水資源系統(tǒng)中，地下水的實(shí)際開(kāi)采模數(shù)指標(biāo)為主要考慮因素，其次考慮降雨量、地下水可開(kāi)采模數(shù)、開(kāi)發(fā)利用程度，人均地下水占有量相對(duì)前4種指標(biāo)的影響程度略輕；社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中，工業(yè)萬(wàn)元產(chǎn)值用水量指標(biāo)為主要考慮因素，農(nóng)業(yè)用水比例、工業(yè)用水比例、工業(yè)用水重復(fù)率指標(biāo)相對(duì)次之，人口密度，人口增長(zhǎng)率、GDP增長(zhǎng)率、人均GDP的影響程度相對(duì)來(lái)說(shuō)略輕；生態(tài)系統(tǒng)中環(huán)境保護(hù)投資指數(shù)、城市污水處理率指標(biāo)為主要考慮因素，水功能區(qū)合格率、生態(tài)環(huán)境用水率指標(biāo)相對(duì)次之，而延邊州的自然條件決定其森林覆蓋率的權(quán)重不大。

3.6 現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

運(yùn)用加權(quán)直線法來(lái)計(jì)算可持續(xù)利用狀態(tài)，即將每個(gè)指標(biāo)的目標(biāo)層權(quán)重與相對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱指標(biāo)值相乘的結(jié)果相加。表2為地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)最終水平；表3為地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)水平度量標(biāo)準(zhǔn)。

表2 地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)最終水平Tab.2 Final level of index for sustainable utilization of ground water resources

表3 地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)水平度量標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Standard of sustainable utilization of ground water resources

3.6.1 計(jì)算結(jié)果分析

(1) 延邊州的地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)為1.97，可持續(xù)利用發(fā)展態(tài)勢(shì)危險(xiǎn)。

(2) 安全系統(tǒng)可持續(xù)利用指標(biāo)為1，為不可接受的狀態(tài)，嚴(yán)重影響了整個(gè)體系的可持續(xù)利用，主要是因?yàn)檠舆呏莸谒南档叵滤|(zhì)較差所致。天然狀態(tài)下，用水安全得不到保證，尤其是生活用水安全得不到保證，致使地下水的可持續(xù)利用體系受到嚴(yán)重的影響。地下水的主要超標(biāo)項(xiàng)目為Fe、硝酸鹽、耗氧量、氨氮。Fe超標(biāo)是由于東北地區(qū)原生地質(zhì)環(huán)境所造成的；硝酸鹽、耗氧量超標(biāo)是由于延邊州的工業(yè)廢水以及生活廢水的不合理排放所造成的。氨氮超標(biāo)是由于農(nóng)田種植時(shí)化肥的過(guò)量使用造成的。

(3) 地下水資源系統(tǒng)的地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)為2.66，可持續(xù)利用發(fā)展態(tài)勢(shì)一般，主要因?yàn)榈叵滤Y源的實(shí)際開(kāi)采量不大，能夠得到可持續(xù)發(fā)展。

(4) 社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)為3.19，可持續(xù)利用發(fā)展態(tài)勢(shì)良好，說(shuō)明延邊州的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展是很優(yōu)越的，能夠維持可持續(xù)利用的狀態(tài)。

(5) 生態(tài)系統(tǒng)的地下水資源可持續(xù)利用性相對(duì)要差些，為2.16，接近危險(xiǎn)狀態(tài)，主要原因是環(huán)境保護(hù)投資的力度不夠，尤其是在水污染治理方面的投資力度不夠。

3.6.2 地下水不可持續(xù)利用地區(qū)和資源量

根據(jù)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果,將延邊州地下水資源不可持續(xù)利用的地區(qū)進(jìn)行了劃分，并對(duì)這些地區(qū)的地下水資源不可持續(xù)利用量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果列于表4中。

表4 地下水資源不可持續(xù)利用量Tab.4 Unsustainable utilization quantity of ground water resources

(1) 地下水資源中，達(dá)到Ⅲ類(lèi)水質(zhì)及其以上要求的地下水資源量為22.58億m3，占區(qū)域土地面積約為34 251 km2，這部分地下水資源能夠達(dá)到可持續(xù)利用；

(2) 達(dá)到Ⅳ類(lèi)水質(zhì)要求的地下水資源量為1.54億m3，占區(qū)域土地面積約3 681 km2，這部分地下水資源達(dá)不到可持續(xù)利用；

(3) 達(dá)到Ⅴ類(lèi)水質(zhì)要求的地下水資源量為2.01億m3，占區(qū)域土地面積約4 768 km2，這部分地下水資源達(dá)不到可持續(xù)利用。

3.7 地下水資源可持續(xù)利用的對(duì)策

基于用水安全的延邊州地下水資源可持續(xù)利用受到了影響，因而天然狀態(tài)下不能很好地滿足延邊州用水的需求，特別是不能滿足生活用水的需求。根據(jù)研究結(jié)果，提出了以下幾條有關(guān)地下水資源可持續(xù)利用的對(duì)策。

(1) 分質(zhì)供水。以水質(zhì)符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的地下水作為飲用水，在兩江鄉(xiāng)、石門(mén)鎮(zhèn)、雁鳴湖鄉(xiāng)、沙河沿鎮(zhèn)、涼水鎮(zhèn)和春陽(yáng)鎮(zhèn)，以水質(zhì)能夠符合工業(yè)用水的Ⅳ類(lèi)地下水作為工業(yè)用水。

(2) 集中供水。對(duì)于用水不安全的地區(qū)，建議以村屯為整體，以深層、優(yōu)質(zhì)的地下水作為集中供水水源，以解決居民的飲水問(wèn)題。

(3) 集中進(jìn)行水處理。對(duì)于用水不安全的地區(qū)，供水處理設(shè)施進(jìn)行水質(zhì)凈化，凈化后的水質(zhì)達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)后再供水。

(4) 加大污水處理力度。在延邊州的每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，建設(shè)污水輸送和處理設(shè)施，加大對(duì)廢污水的處理力度，水質(zhì)達(dá)標(biāo)后才可允許排放，防止對(duì)地下水造成進(jìn)一步污染。

(5) 控制化肥使用。對(duì)于農(nóng)業(yè)灌溉面積較大的區(qū)域，比如敬信鎮(zhèn)、月晴鎮(zhèn)、涼水鎮(zhèn)，加強(qiáng)對(duì)農(nóng)藥的使用管理，嚴(yán)禁使用高毒、高殘留農(nóng)藥，減少化學(xué)農(nóng)藥的噴施次數(shù)和用藥量，優(yōu)化調(diào)度，合理控制化肥農(nóng)藥施用時(shí)間，防止對(duì)地下水水質(zhì)造成污染。

4 結(jié) 論

本文以用水安全為基本前提，結(jié)合延邊州的地下水資源的開(kāi)發(fā)利用、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及生態(tài)環(huán)境情況，建立了地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。評(píng)價(jià)結(jié)果表明：

(1) 延邊州的地下水資源可持續(xù)利用指標(biāo)為1.97，說(shuō)明可持續(xù)利用發(fā)展態(tài)勢(shì)危險(xiǎn)，主要是因?yàn)檠舆呏莸谒南档叵滤|(zhì)較差，致使用水安全得不到保證。

(2) 延邊州的地下水資源可持續(xù)利用量為22.58億m3，占區(qū)域土地面積為34 251 km2。

(3) 由于水質(zhì)不符合用水安全而造成的地下水資源不可持續(xù)利用量為3.54億m3，占區(qū)域土地面積為8 449 km2。

根據(jù)研究結(jié)果，提出了以下有關(guān)改進(jìn)地下水資源可持續(xù)利用的措施：① 分質(zhì)供水；② 集中供水；③ 集中進(jìn)行水處理；④ 加大對(duì)污水的處理力度；⑤ 控制化肥的使用量。