高萌萌,李瑞敏,劉 瓊,王 軼,李小磊
(中國地質環(huán)境監(jiān)測院,北京 100081)
20世紀以來,隨著生產(chǎn)力水平提高和人口數(shù)量的急劇增長,人類對自然資源的開發(fā)程度逐漸加強,全球人口、資源與環(huán)境問題愈發(fā)嚴峻,資源環(huán)境承載能力研究越來越受到重視。承載力概念理論逐漸被廣泛應用于土地資源、礦產(chǎn)資源、水資源、生態(tài)環(huán)境等各個領域[1-2]。黨的十八大報告明確指出,面對資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴峻形勢,必須樹立尊重自然、順應自然、保護自然的生態(tài)文明理念。隨后,黨的十八屆三中全會提出了“建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預警機制,對水土資源、環(huán)境容量和海洋資源超載區(qū)實行限制性措施”。近些年,基于對資源環(huán)境承載能力的不斷探索和研究,李瑞敏等[3-6]提出了“資源環(huán)境承載協(xié)調(diào)理論”,該理論構建了承載本底和承載狀態(tài)兩個層次的服務目標,承載本底反映資源稟賦的優(yōu)劣程度,承載狀態(tài)則反映資源環(huán)境供容能力與社會經(jīng)濟發(fā)展的匹配程度。
我國地下水資源約占水資源總量的三分之一,是水資源的重要組成部分。20世紀90年代后期開始,隨著我國地下水供水比例不斷升高,區(qū)域地下水過量開采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題受到持續(xù)關注。不合理開采地下水造成了地面沉降、地面塌陷、植被退化、土地沙漠化、土壤鹽漬化、海水入侵等一系列地質環(huán)境問題[7-8],這對區(qū)域地下水資源可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。進入21世紀,伴隨著新一輪全國地下水資源評價的完成,地下水資源承載能力的研究逐步開始,多側重于評價模型和方法的研究,主要集中在水資源短缺的干旱半干旱地區(qū)[9-13]。
地下水資源承載本底評價與自然屬性密切相關,而地下水資源分區(qū)是評價地下水資源承載本底的重要基礎工作。本文從地下水資源分區(qū)入手,建立了“自然單元-計算單元-行政單元”的評價單元框架,利用地下水可開采模數(shù)指標,實現(xiàn)了全國地下水資源承載本底由自然單元到行政單元的成果表達,建立地下水資源承載本底評價空間數(shù)據(jù)庫。開展全國地下水資源承載本底評價,可摸清全國地下水資源在自然稟賦條件下的分布狀況和規(guī)律,為地下水資源合理開發(fā)利用與資源配置提供依據(jù),為將來建立長期性、常態(tài)性和可持續(xù)性評價及監(jiān)測預警機制打下基礎。
國內(nèi)外學者和不同部門,根據(jù)各個領域水資源評價與管理的不同需求和用途,提出了多種水資源分區(qū)的劃分方式[14-19]。各省在本省區(qū)域內(nèi)進行了地下水資源分區(qū),但是工作程度和分區(qū)原則不一,導致無法與全國地下水資源分區(qū)有效對接。本次地下水資源分區(qū),將地表水和地下水作為一個整體進行研究,在新一輪全國地下水資源一級分區(qū)的基礎上,繼續(xù)劃分二級和三級區(qū),重點解決了各省地下水資源分區(qū)的銜接問題,為地下水資源承載本底評價自下而上的動態(tài)更新提供空間數(shù)據(jù)基礎。
(1)獨立性和完整性相結合
地下水資源區(qū)是各種組成要素的整體,是一個存在于一定環(huán)境之中的相對獨立的整體,是補、徑、排和水循環(huán)的統(tǒng)一體。進行地下水資源分區(qū),應考慮儲水空間的完整性和水循環(huán)的連續(xù)性,保證相對獨立和完整的地下水循環(huán)演化體系。
(2)科學性與可行性相結合
地下水資源分區(qū)是地下水資源承載能力評價的基礎,為行政管理規(guī)劃服務。在進行地下水資源分區(qū)時,既要考慮分區(qū)的科學性,又要考慮評價的可操作性及服務性,盡可能保證行政單元的完整。
(3)地下水與地表水相結合
地表水與地下水都源自于大氣降水,是一個完整的水資源系統(tǒng),在一定條件下水量相互轉化。分區(qū)時綜合考慮水文動態(tài)規(guī)律和區(qū)域水循環(huán)演化,將地表水與地下水聯(lián)系起來,作為一個整體進行研究。
(4)繼承性與創(chuàng)新性相結合
以現(xiàn)有地下水資源研究成果為基礎,保持成果的連貫性和一致性,并進一步完善和創(chuàng)新。
1.2.1分區(qū)指標
本文通過對地形地貌、地質構造、氣候條件、地表水流域、水文地質特征等的分析研究,在新一輪地下水資源調(diào)查地下水資源一級分區(qū)的基礎上,進一步進行二級和三級分區(qū)。地形地貌和構造單元對地下水的形成與分布規(guī)律起著主導控制作用,在其控制下,形成各自完整獨立的水文地質單元;不同氣候條件,降雨和蒸發(fā)有很大的差別,對地下水系統(tǒng)的補給和排泄有著很重要的控制作用;地表水流域與地下水不可分割的系統(tǒng)性決定著地表水流域在一定程度上反映了地下水資源的分布狀況;水文地質特征,包括含水層結構、含水層介質等,能最直接地反映出地下水資源的賦存條件。
綜上考慮,分區(qū)指標如下:
一級分區(qū)指標:地形地貌、構造單元、氣候條件、一級地表水流域;
二級分區(qū)指標:二級地貌單元、二級地表水流域;
三級分區(qū)指標:三級地貌單元、三級地表水流域、含水層介質。
1.2.2分區(qū)方法
分級區(qū)劃一般有定量和定性兩類方法,常用的方法有主導因素分析法、模糊聚類法、層次分析法、主成分分析法、GIS空間疊加分析法等[20-21]。地下水資源分區(qū)指標沒有定量描述,因此采用定性分析,利用主導因素分析法,結合GIS空間疊加分析,對地下水資源進行分區(qū)。
首先,根據(jù)我國整體地形地貌、地質構造、氣候條件及一級地表水流域的特征差異,劃分一級區(qū),在此基礎上,結合每個一級區(qū)內(nèi)的次一級地形地貌、次一級水系流域劃分二級區(qū),再結合水文地質單元的劃分,體現(xiàn)地下水含水層結構的不同,加入含水層介質指標,進行三級區(qū)劃分。
本文在新一輪全國地下水資源一級分區(qū)的基礎上,收集柴達木盆地、鄂爾多斯盆地、松遼平原、長江中下游平原等重點區(qū)域[22-31]的地下水資源評價成果,依照上述分區(qū)原則及分區(qū)方法,經(jīng)系統(tǒng)梳理,形成全國地下水資源一、二、三級分區(qū),并參照各省(區(qū)、縣)地下水資源分區(qū)結果進行了適當修正。共計26個一級區(qū),143個二級區(qū),412個三級區(qū)(表1)。
本次評價以自然單元和行政單元相結合的方法,以自然單元為基礎評價單元,在自然單元評價的基礎上,進行縣級行政單元的評價。難題是如何將自然單元和行政單元結合,如何將自然單元的地下水資源量分解到縣級行政單元?針對該問題,筆者在地下水資源三級區(qū)(即自然單元)的基礎上,結合縣級行政單元,分解劃分了計算單元,有機結合自然單元和行政單元,建立了“自然單元-計算單元-行政單元”的評價單元框架。首先將地下水資源量按面積加權平均分解到計算單元,求得每個計算單元的地下水資源量,再將縣級行政單元內(nèi)的各計算單元的地下水資源量相加,得到行政單元的地下水資源量。
表1 全國地下水資源承載本底評價單元
為更直觀地說明“自然單元-計算單元-行政單元”之間的關系,以黑龍江省伊春市為例,伊春市包含市轄區(qū)、鐵力市、嘉蔭縣三個區(qū),分別被所屬的三級區(qū)劃分為7個計算單元,如表2和圖1所示。
表2 伊春市地下水資源承載能力評價單元表
圖1 伊春市地下水資源承載能力評價單元圖Fig.1 Evaluation units map of groundwater resources carrying capacity in the City of Yichun
全國地下水資源三級分區(qū)412個,縣級行政單元2 864個,經(jīng)三級分區(qū)和縣級行政單元切割劃分為計算單元共4 942個(表1)。
① 李瑞敏,孟暉,李小磊,等.區(qū)域地質資源環(huán)境承載能力評價技術要求(征求意見稿),2018。
據(jù)《區(qū)域地質資源環(huán)境承載能力評價技術要求(征求意見稿)》①,本次評價從地下水可開采資源模數(shù)單指標評價入手,開展地下水資源承載本底評價,用于反映地下水資源在自然本底狀況下的稟賦條件。根據(jù)評價結果承載本底劃分為高、較高、中、較低、低等5個等級,分級標準見表3。
表3 地下水資源承載本底評價指標分級
地下水資源承載本底基礎評價指標為地下水可開采資源模數(shù),是指單位面積上的地下水可開采資源量,計算公式為:
(1)
式中:Me——地下水可開采資源模數(shù)/(m3·km-2·a-1);
Qe——地下水可開采資源量/(m3·a-1);
S——評價區(qū)總面積/km2。
可開采資源量評價以自然單元(即地下水資源分區(qū))為基礎評價單元。以新一輪全國地下水資源評價數(shù)據(jù)為基礎,更新了主要平原盆地、部分省(區(qū)市)地下水資源最新調(diào)查評價成果。結合計算單元,采用面積加權平均法,獲得縣域行政單元可開采資源量評價數(shù)據(jù)。
根據(jù)上述評價方法,分別對自然單元(412個地下水資源三級分區(qū))和行政單元(2 864個區(qū)縣)進行了地下水資源承載本底評價,結果見表4和表5。
表4 地下水資源承載本底(自然單元)評價結果統(tǒng)計表
表5 地下水資源承載本底(縣級行政單元)評價結果統(tǒng)計表
(1)我國地下水資源分布受控于氣候條件、地貌單元與大地構造背景、水文地質條件,空間差異性較大。承載本底總體表現(xiàn)出平原盆地區(qū)為中-高水平,北方干旱區(qū)為低水平,區(qū)域差異性較大。
(2)從自然單元看,我國地下水資源承載本底高的地區(qū)多集中在平原盆地區(qū),主要有黃淮海平原、江漢洞庭平原、長江下游平原、松遼平原、三江平原、成都平原、汾渭盆地、嶺南地區(qū)、雷瓊地區(qū)等。承載本底低的地區(qū)主要分布在西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)、山地丘陵區(qū)、西南高原區(qū),主要有藏北川北高原、內(nèi)蒙古北部高原、黃土高原、塔里木盆地、柴達木盆地、北山地區(qū)、大巴山地區(qū)、贛南山區(qū)等。
(3)從縣域單元看,全國2 864個縣級行政單元中,承載本底等級為高、較高、中、較低、低的縣(區(qū)、市)分別為774,332,798,387,573個,面積占比分別為11.15%、5.87%、19.56%、12.09%、52.34%。
(1)本文以新一輪地下水資源評價成果和主要平原盆地、部分省(區(qū)市)地下水資源最新調(diào)查評價成果為基礎,綜合地形地貌、構造單元、氣候分帶、地表水流域、含水層介質等多項指標,把地表水和地下水看作一個整體,將全國劃分為26個一級區(qū)、143個二級區(qū)、412個三級區(qū),重點解決了各省地下水資源分區(qū)的銜接問題,為地下水資源承載本底評價自下而上的動態(tài)更新打下基礎。
(2)通過將地下水資源分區(qū)與縣級行政區(qū)劃耦合,建立了“自然單元-計算單元-行政單元”的評價單元框架,確定了4 942個計算單元,利用地下水可開采模數(shù)指標,實現(xiàn)了地下水資源承載本底評價由以自然單元評價到以縣級行政單元的成果表達,從而建立了地下水資源承載本底評價空間數(shù)據(jù)基礎。
(3)全國地下水資源承載本底在自然單元和縣域行政單元的評價結果,基本反映出我國地下水資源稟賦條件和區(qū)域分布規(guī)律,可為下一步地下水資源承載能力評價和地下水合理開發(fā)利用與管理服務。
(4)自然單元劃分精度影響地下水資源承載本底的評價精度,全國地下水資源承載本底評價在地下水資源三級分區(qū)的基礎上進行,反映了宏觀的空間分布規(guī)律。但在進行小范圍的地下水資源承載本底評價時,需要更詳細的地下水資源分區(qū)做支撐。