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)

0 引言

地下水資源可持續(xù)利用評價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)利用評價體系指標(biāo)上[2]，評價方法主要有層次分析法、模糊綜合評價法等[3].這些評價體系指標(biāo)建立過程都是對地下水資源進行了功能性劃分，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.但實際上從以往國內(nèi)外開采利用地下水過程中分析，社會因素的影響往往比自然因素影響還要大[4]，因此融入社會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]，特別在成井后期運行過程中，農(nóng)戶的行為將對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)戶對地下水資源開采過程中的社會因素考慮，評價的結(jié)果不全面、不系統(tǒng).因此建立區(qū)域社會和生態(tài)綜合的可持續(xù)利用評價體系是對當(dāng)前地下水資源可持續(xù)利用評價的延伸.

1 工程的可持續(xù)利用影響評價

1.1 工程對社會方面的影響

工程對社會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)品對客戶影響評價的方面，后期被廣泛地應(yīng)用于城市復(fù)雜的社會、經(jīng)濟和自然對水資源可持續(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個基本的環(huán)境特征決定，這些特征被一套具有社會屬性的指標(biāo)來對應(yīng)衡量.具體評價指標(biāo)分別為生存、效率、選擇、安全、適應(yīng)、共存以及心理滿足感.評價的方法讓顧客或使用者對產(chǎn)品有所了解，選擇每個指標(biāo)設(shè)計的0～10數(shù)字區(qū)域，數(shù)字越大表明產(chǎn)品越好.通過對顧客或使用者的調(diào)查數(shù)據(jù)平均數(shù)統(tǒng)計，將評價結(jié)果等級劃分為四個層次：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”的頻率來對應(yīng)相應(yīng)Bossel理論模型評價指標(biāo)的某個數(shù)字取值，如表1所示.

表1 調(diào)查問卷與評價指標(biāo)對應(yīng)

與此同時，引入模糊數(shù)學(xué)隸屬度協(xié)調(diào)系數(shù)[11]，其計算見公式(1)，用計算結(jié)果來劃分工程對社會的影響等級，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為實測數(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

1.2 工程對地下水資源影響

紅層區(qū)找水打井工程成井的機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.另因單戶機井含水層地下水系統(tǒng)一般不具有區(qū)域水動力聯(lián)系，以降雨補給為主等特征，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地下水脆弱性評價模型的指標(biāo)體系[12]，但對評價方法進行改進，即不是靜態(tài)地給評價指標(biāo)賦值，而是動態(tài)地給指標(biāo)賦值，通過調(diào)查對比成井前后評價指標(biāo)變化的比例來代替指標(biāo)評價分值，其因子權(quán)重不變，如表3所示.計算DRASTIC的加權(quán)指數(shù)以及等級劃分[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)等級劃分表

1.2.2 水量方面

在機井含水層影響半徑R范圍內(nèi) ，含水層厚度M內(nèi)，以5年為一個水文年，分析機井含水層的儲存量及儲存調(diào)節(jié)功能，依據(jù)雨季補給旱季，豐年補給枯年的原則，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:有效儲量為可供旱季調(diào)節(jié)的一部分靜水儲量，是存在于含水層的最枯地下水位面之下到經(jīng)濟技術(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水量，單位m3;Qk:枯季需要調(diào)節(jié)時段的平均天然徑流量，單位m3/d；t:枯季需要調(diào)節(jié)的時段，單位d.

機井含水層滿足下列條件時，即可為水量的可持續(xù)性利用.①供水量≦保證率的天然補給量；②機井地下水位≦機井含水層地質(zhì)環(huán)境要求最低的地下水位;③機井地下水位≦經(jīng)濟技術(shù)水平能夠承受的最大水位.

但由于多數(shù)機井含水層水循環(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，不受供水價格的影響.所以限制機井含水層可持續(xù)利用的條件是供水量≦保證率下天然補給量，但事實上，農(nóng)戶可允許的開采量并不是按(2)式估算水量來進行的，也就說有部分機井開采量包括儲水量和天然徑流量，其實質(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，本研究通過對機井在這方面的調(diào)查統(tǒng)計，看看有多少機井產(chǎn)生這種結(jié)果，來評判水量方面的可持續(xù)性.

2 實例分析

2.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來源

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)已實施找水打井工程，累計打機井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).

本研究采用入戶實地調(diào)查方法，2017年7～9月，依據(jù)2012年研究區(qū)實施找水打井工程實施報告的基礎(chǔ)資料，選取裂隙—孔隙水淺層機井616口，抽查率為30.8%，調(diào)查內(nèi)容指標(biāo)主要有機井運行時間、干旱和雨季時期機井抽水量及其抽水時間、地下水位、抽水泵運行及維護、機井周圍環(huán)境等.在入戶訪談616戶家庭的機井的基礎(chǔ)上，按紅層區(qū)機井涌水量大于2 m3/d、1.5～2 m3/d、1～1.5 m3/d、0.5～1 m3/d等級劃分的富水程度，分別抽樣15口機井水質(zhì)水樣共60個機井地下水水質(zhì)水樣.水質(zhì)測試主要指標(biāo)為渾濁度和細(xì)菌總數(shù)[14].

2.2 工程對社會影響評價

由表5分析知，工程取得了較好的社會影響，其社會影響的總體協(xié)調(diào)度達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.從社會評估七大指標(biāo)看，僅有“安全”(機井的水質(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力)和“適應(yīng)”(您是否積極維護和管理機井的運行情況)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力；機井是家庭用水的重要水源，所以參與機井維護和管理的積極性就比較高.“生存”“效率”“共存”和“心理”四個指標(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影響.

表5 調(diào)查問卷與評價指標(biāo)對應(yīng)

2.3 工程對含水層地下水影響

2.3.1 工程對地下水水質(zhì)的影響

由表5分析，成井前后的評價因子僅有含水層凈補給量和包氣帶影響兩個評價因子發(fā)生較大變化，其他5個評價因子未發(fā)生變化.76.4%的機井含水層凈補給量發(fā)生了變化，從實際調(diào)查了解，這部分機井含水層凈補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)在機井周圍環(huán)境的變化，如增加人畜糞便場所、生活廢物排堆場所以及農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險等方面.計算工程成井前后DRASTIC變化加權(quán)值為7.369，相當(dāng)于原評價加權(quán)值73.69，則工程對地下水水質(zhì)的脆弱性屬于較高等級.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井比例隨成井時涌水量大小呈反比例關(guān)系.即當(dāng)運行5年后，涌水量q<1 m3/d的含水層供水衰退的機井比例增加了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)計分析，77%的機井抽采含水層地下水存在間歇式供水，部分機井在枯水季節(jié)，特別是每年2-5月份，機井抽采時間比原來延長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，開采量包括了含水層天然降雨徑流量和部分靜水儲量，頻繁的抽采，使得部分靜水儲量不斷消耗，地下水就會持續(xù)下降，雨季降雨補給量也難以補充恢復(fù)靜水儲量.所以，機井含水層儲水和調(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 成井前后機井含水層涌水量衰退統(tǒng)計表

3 結(jié)論與建議

1)紅層區(qū)找水打井工程對社會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)找水工程運行5年后，農(nóng)戶的不合理活動致使部分機井含水層水質(zhì)的已受到污染；農(nóng)戶的過度開采使部分機井含水層因儲水和調(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)找水打井工程對地下水可持續(xù)利用影響評價結(jié)果表明，需要長期開展機井含水層地下水水質(zhì)監(jiān)測工作，并及時向社會公布相關(guān)信息；加強研發(fā)針對紅層區(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；加強機井周圍環(huán)境保護宣傳力度，引導(dǎo)農(nóng)戶參與保護地下水資源工作，如隔離污染源遠(yuǎn)離機井、節(jié)約用水等；合理安排機井開采方式，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.