成六三,朱朝霞,張茂超
(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,重慶 402260)
地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)是地下水水資源管理的核心內(nèi)容,是制定或調(diào)控地下水資源可持續(xù)利用政策的重要依據(jù)[1].當(dāng)前國內(nèi)外研究主要集中在建立可持續(xù)利用評(píng)價(jià)體系指標(biāo)上[2],評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等[3].這些評(píng)價(jià)體系指標(biāo)建立過程都是對(duì)地下水資源進(jìn)行了功能性劃分,指標(biāo)選取主要著重于地下水資源資源功能和環(huán)境功能方面,如DPSIR、DRASTIC等.但實(shí)際上從以往國內(nèi)外開采利用地下水過程中分析,社會(huì)因素的影響往往比自然因素影響還要大[4],因此融入社會(huì)因素也是地下水可持續(xù)利用的問題之一.而紅層區(qū)找水打井工程是一項(xiàng)特殊的取水工程,是由政府、農(nóng)戶和技術(shù)人員共同來完成的[5],特別在成井后期運(yùn)行過程中,農(nóng)戶的行為將對(duì)地下水資源的可持續(xù)利用起到?jīng)Q定性的作用[6-7].當(dāng)前關(guān)于這項(xiàng)民生工程的可持續(xù)研究都集中在地下水資源賦存能力大小方面[8],缺乏農(nóng)戶對(duì)地下水資源開采過程中的社會(huì)因素考慮,評(píng)價(jià)的結(jié)果不全面、不系統(tǒng).因此建立區(qū)域社會(huì)和生態(tài)綜合的可持續(xù)利用評(píng)價(jià)體系是對(duì)當(dāng)前地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)的延伸.
工程對(duì)社會(huì)方面的影響主要參考Bossel可持續(xù)發(fā)展基本定向指標(biāo)框架[9],Bossel的可持續(xù)理論模型最初應(yīng)用在產(chǎn)品對(duì)客戶影響評(píng)價(jià)的方面,后期被廣泛地應(yīng)用于城市復(fù)雜的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然對(duì)水資源可持續(xù)利用的影響[10].Bossel理論模型中產(chǎn)品或某一資源的外界環(huán)境狀態(tài)主要由資源稀缺性、多樣性、可變性、塑造性和其他自律性6個(gè)基本的環(huán)境特征決定,這些特征被一套具有社會(huì)屬性的指標(biāo)來對(duì)應(yīng)衡量.具體評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為生存、效率、選擇、安全、適應(yīng)、共存以及心理滿足感.評(píng)價(jià)的方法讓顧客或使用者對(duì)產(chǎn)品有所了解,選擇每個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)的0~10數(shù)字區(qū)域,數(shù)字越大表明產(chǎn)品越好.通過對(duì)顧客或使用者的調(diào)查數(shù)據(jù)平均數(shù)統(tǒng)計(jì),將評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分為四個(gè)層次:0~1、1~2、2~3、3~4,分別表示不可接受、接受、良好、優(yōu)秀.而本研究依據(jù)紅層丘陵區(qū)分散農(nóng)戶的教育水平較低,難以在設(shè)計(jì)的0~10數(shù)字區(qū)域內(nèi)客觀地選擇工程在自己心中位置大小問題,采取了對(duì)Bossel理論模型指標(biāo)的轉(zhuǎn)換,即用詢問問題回答“是”或“否”的頻率來對(duì)應(yīng)相應(yīng)Bossel理論模型評(píng)價(jià)指標(biāo)的某個(gè)數(shù)字取值,如表1所示.
表1 調(diào)查問卷與評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)
與此同時(shí),引入模糊數(shù)學(xué)隸屬度協(xié)調(diào)系數(shù)[11],其計(jì)算見公式(1),用計(jì)算結(jié)果來劃分工程對(duì)社會(huì)的影響等級(jí),如表2所示.
U=exp[-k(x-x′)2].
(1)
式(1)中,U表示狀態(tài)協(xié)度;x為實(shí)測(cè)數(shù)值;x′為系統(tǒng)的協(xié)調(diào)值,k=2/S,S2為方差.系統(tǒng)計(jì)算值與協(xié)調(diào)性值離差越大,狀態(tài)協(xié)調(diào)度越小,說明協(xié)調(diào)發(fā)展程度越低.協(xié)調(diào)度分析如表2所示.
表2 協(xié)調(diào)度分析表
紅層區(qū)找水打井工程成井的機(jī)井含水層地下水絕大部分屬于裂隙-孔隙水類型,其地下水資源資源功能為主體功能,地質(zhì)環(huán)境功能較弱.另因單戶機(jī)井含水層地下水系統(tǒng)一般不具有區(qū)域水動(dòng)力聯(lián)系,以降雨補(bǔ)給為主等特征,其可持續(xù)利用主要限制在水量和水質(zhì)方面.
1.2.1 水質(zhì)方面
本研究欲引入較為通用的USEPA的DRASTIC地下水脆弱性評(píng)價(jià)模型的指標(biāo)體系[12],但對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn),即不是靜態(tài)地給評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值,而是動(dòng)態(tài)地給指標(biāo)賦值,通過調(diào)查對(duì)比成井前后評(píng)價(jià)指標(biāo)變化的比例來代替指標(biāo)評(píng)價(jià)分值,其因子權(quán)重不變,如表3所示.計(jì)算DRASTIC的加權(quán)指數(shù)以及等級(jí)劃分[12].
DRASTIC指數(shù)=5D+4R+3A+2S+T+5I+3C.
表3 DRASTIC指標(biāo)體系
續(xù)表3
表4 DRASTIC指數(shù)等級(jí)劃分表
1.2.2 水量方面
在機(jī)井含水層影響半徑R范圍內(nèi) ,含水層厚度M內(nèi),以5年為一個(gè)水文年,分析機(jī)井含水層的儲(chǔ)存量及儲(chǔ)存調(diào)節(jié)功能,依據(jù)雨季補(bǔ)給旱季,豐年補(bǔ)給枯年的原則,保證穩(wěn)定地提供飲水供水. 其調(diào)節(jié)功能見公式(2)所示[13].
Q≦Qe/t+Qk.
(2)
(2)式中,Q:供水量,單位m3/d;Qe:有效儲(chǔ)量為可供旱季調(diào)節(jié)的一部分靜水儲(chǔ)量,是存在于含水層的最枯地下水位面之下到經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平與地質(zhì)環(huán)境安全允許的最低水位埋藏深度之間的儲(chǔ)水量,單位m3;Qk:枯季需要調(diào)節(jié)時(shí)段的平均天然徑流量,單位m3/d;t:枯季需要調(diào)節(jié)的時(shí)段,單位d.
機(jī)井含水層滿足下列條件時(shí),即可為水量的可持續(xù)性利用.①供水量≦保證率的天然補(bǔ)給量;②機(jī)井地下水位≦機(jī)井含水層地質(zhì)環(huán)境要求最低的地下水位;③機(jī)井地下水位≦經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平能夠承受的最大水位.
但由于多數(shù)機(jī)井含水層水循環(huán)過程參與區(qū)域水循環(huán)較弱,地下水含水層地質(zhì)環(huán)境功能相對(duì)較弱,難以出現(xiàn)因地下水位下降導(dǎo)致的地面沉降、塌陷或不良水體入侵污染等問題.另一方面,農(nóng)戶開采地下水資源是自由行為,不受供水價(jià)格的影響.所以限制機(jī)井含水層可持續(xù)利用的條件是供水量≦保證率下天然補(bǔ)給量,但事實(shí)上,農(nóng)戶可允許的開采量并不是按(2)式估算水量來進(jìn)行的,也就說有部分機(jī)井開采量包括儲(chǔ)水量和天然徑流量,其實(shí)質(zhì)導(dǎo)致的最終結(jié)果是地下水位持續(xù)下降,含水層供水量持續(xù)衰退.因此,本研究通過對(duì)機(jī)井在這方面的調(diào)查統(tǒng)計(jì),看看有多少機(jī)井產(chǎn)生這種結(jié)果,來評(píng)判水量方面的可持續(xù)性.
大足區(qū)位于重慶市西部,地處川中丘陵與原川東平行嶺谷的過渡地帶,有低山、丘陵、溪谷平壩三種地貌類型,其中低山丘陵占全區(qū)面積的90.9%,侏羅系地層占全區(qū)總面積的91.8%,均屬于紅層.該區(qū)多年平均降雨量984.5mm,每年6~9月降雨量占全年降雨量的80%,且多暴雨.但春旱、伏旱災(zāi)害頻率較高,季節(jié)性缺水較為突出.地表水利用率較低,且多年均入境徑流量僅為4 765萬m3,人均水資源占有量僅為576 m3,占重慶市人均水資源的1/3,是渝西北缺水較嚴(yán)重地區(qū)之一.從2007年—2016年,大足區(qū)已實(shí)施找水打井工程,累計(jì)打機(jī)井37 771口,初步解決或緩解了12萬多人口的飲水困難問題.但對(duì)于全區(qū)缺水人口為20.72萬總量來說,大足區(qū)仍將面臨較大的水資源短缺的挑戰(zhàn).
本研究采用入戶實(shí)地調(diào)查方法,2017年7~9月,依據(jù)2012年研究區(qū)實(shí)施找水打井工程實(shí)施報(bào)告的基礎(chǔ)資料,選取裂隙—孔隙水淺層機(jī)井616口,抽查率為30.8%,調(diào)查內(nèi)容指標(biāo)主要有機(jī)井運(yùn)行時(shí)間、干旱和雨季時(shí)期機(jī)井抽水量及其抽水時(shí)間、地下水位、抽水泵運(yùn)行及維護(hù)、機(jī)井周圍環(huán)境等.在入戶訪談616戶家庭的機(jī)井的基礎(chǔ)上,按紅層區(qū)機(jī)井涌水量大于2 m3/d、1.5~2 m3/d、1~1.5 m3/d、0.5~1 m3/d等級(jí)劃分的富水程度,分別抽樣15口機(jī)井水質(zhì)水樣共60個(gè)機(jī)井地下水水質(zhì)水樣.水質(zhì)測(cè)試主要指標(biāo)為渾濁度和細(xì)菌總數(shù)[14].
由表5分析知,工程取得了較好的社會(huì)影響,其社會(huì)影響的總體協(xié)調(diào)度達(dá)0.88,屬于基本協(xié)調(diào)狀態(tài).即該工程給絕大部分農(nóng)戶家庭人畜飲水產(chǎn)生了積極作用.從社會(huì)評(píng)估七大指標(biāo)看,僅有“安全”(機(jī)井的水質(zhì)是否影響身體健康)指標(biāo)協(xié)調(diào)性為0.78,屬于不協(xié)調(diào)狀態(tài).究其主要原因有兩個(gè)方面,一方面由于紅層區(qū)地下水存在淡咸水界面,而這種界面深度沒有規(guī)律可循[15],有近10%機(jī)井的水質(zhì)較為咸化;另一方面由于侏羅紀(jì)紅層巖性中的Fe、Mn含量高,使5%機(jī)井水質(zhì)存在富含F(xiàn)e、Mn元素[16];“選擇”(打井工程是否解放了取水勞動(dòng)力)和“適應(yīng)”(您是否積極維護(hù)和管理機(jī)井的運(yùn)行情況)指標(biāo)協(xié)調(diào)性大于0.95,屬于協(xié)調(diào)狀態(tài).紅層找水打井基本上解決或緩解了農(nóng)戶人畜飲水困難的問題,解放了以前家庭取水的勞動(dòng)力;機(jī)井是家庭用水的重要水源,所以參與機(jī)井維護(hù)和管理的積極性就比較高.“生存”“效率”“共存”和“心理”四個(gè)指標(biāo)屬于基本協(xié)調(diào)狀態(tài).因此,紅層丘陵區(qū)打井工程取得了積極的社會(huì)影響.
表5 調(diào)查問卷與評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)
2.3.1 工程對(duì)地下水水質(zhì)的影響
由表5分析,成井前后的評(píng)價(jià)因子僅有含水層凈補(bǔ)給量和包氣帶影響兩個(gè)評(píng)價(jià)因子發(fā)生較大變化,其他5個(gè)評(píng)價(jià)因子未發(fā)生變化.76.4%的機(jī)井含水層凈補(bǔ)給量發(fā)生了變化,從實(shí)際調(diào)查了解,這部分機(jī)井含水層凈補(bǔ)給量完全被開采利用,甚至含水層靜水量被開采利用了一部分,所以機(jī)井含水層地下水位有不同的下降,含水層供水能力逐漸衰減;86.8%機(jī)井含水層水質(zhì)受到包氣帶影響,包氣帶影響主要表現(xiàn)在機(jī)井周圍環(huán)境的變化,如增加人畜糞便場(chǎng)所、生活廢物排堆場(chǎng)所以及農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)等方面.計(jì)算工程成井前后DRASTIC變化加權(quán)值為7.369,相當(dāng)于原評(píng)價(jià)加權(quán)值73.69,則工程對(duì)地下水水質(zhì)的脆弱性屬于較高等級(jí).再結(jié)合地下水水質(zhì)指標(biāo)渾濁度和細(xì)菌總數(shù)的82.3%超標(biāo)率,這表明部分機(jī)井含水層地下水水質(zhì)已受到了污染.
表6 成井前后DRASTIC指標(biāo)體系
2.3.2 工程對(duì)含水層供水量影響
由表7和公式(2)綜合分析,從2012年到2017年,含水層供水衰退的機(jī)井比例隨成井時(shí)涌水量大小呈反比例關(guān)系.即當(dāng)運(yùn)行5年后,涌水量q<1 m3/d的含水層供水衰退的機(jī)井比例增加了79.73%,遠(yuǎn)比1≦q<1.5 m3/d、1.5≦q<2 m3/d和2≦qm3/d衰退比例高出43.23%、51.29%、64.9%.調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析,77%的機(jī)井抽采含水層地下水存在間歇式供水,部分機(jī)井在枯水季節(jié),特別是每年2-5月份,機(jī)井抽采時(shí)間比原來延長3~6倍,地下水位明顯下降且難以恢復(fù),即使在豐水季節(jié),部分機(jī)井含水層供水量依然較低,地下水位也無明顯上升.從含水層儲(chǔ)水能力和調(diào)蓄能力看,含水層q越小,特別不能滿足農(nóng)戶的需水量時(shí),開采量包括了含水層天然降雨徑流量和部分靜水儲(chǔ)量,頻繁的抽采,使得部分靜水儲(chǔ)量不斷消耗,地下水就會(huì)持續(xù)下降,雨季降雨補(bǔ)給量也難以補(bǔ)充恢復(fù)靜水儲(chǔ)量.所以,機(jī)井含水層儲(chǔ)水和調(diào)蓄能力大小決定了含水層持續(xù)穩(wěn)定供水的主要因素.
表7 成井前后機(jī)井含水層涌水量衰退統(tǒng)計(jì)表
1)紅層區(qū)找水打井工程對(duì)社會(huì)影響整體上是比較積極的,大部分農(nóng)戶的人畜飲水困難問題能夠得到緩解,但部分比例農(nóng)戶最為擔(dān)心是飲水安全問題.
2)紅層區(qū)找水工程運(yùn)行5年后,農(nóng)戶的不合理活動(dòng)致使部分機(jī)井含水層水質(zhì)的已受到污染;農(nóng)戶的過度開采使部分機(jī)井含水層因儲(chǔ)水和調(diào)蓄能力不足,導(dǎo)致含水層供水能力逐漸衰退.
通過紅層區(qū)找水打井工程對(duì)地下水可持續(xù)利用影響評(píng)價(jià)結(jié)果表明,需要長期開展機(jī)井含水層地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作,并及時(shí)向社會(huì)公布相關(guān)信息;加強(qiáng)研發(fā)針對(duì)紅層區(qū)淺層地下水特有水質(zhì)處理技術(shù),并推廣和普及農(nóng)戶使用;加強(qiáng)機(jī)井周圍環(huán)境保護(hù)宣傳力度,引導(dǎo)農(nóng)戶參與保護(hù)地下水資源工作,如隔離污染源遠(yuǎn)離機(jī)井、節(jié)約用水等;合理安排機(jī)井開采方式,限量開采地下水水量.除此之外,利用有利地形修建水塘、山坪塘等小型水利工程,攔截地表徑流,增加可利用的蓄水量,或利用現(xiàn)代農(nóng)戶家庭庭院建筑面收集雨水儲(chǔ)水,是解決紅層區(qū)農(nóng)村人畜飲水困難與安全的有效途徑.