劉 瓊，李瑞敏，王 軼，高萌萌，李小磊，孫 超

(1.中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081；2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，河北 石家莊 050011)

承載能力(Carrying Capacity)通常是指某個(gè)承載體對(duì)承載對(duì)象的支撐能力。資源環(huán)境承載能力研究以自然資源環(huán)境作為承載體，以社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展作為承載對(duì)象，研究特定條件下一定地域空間內(nèi)的自然資源環(huán)境系統(tǒng)對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的支撐能力[1-2]。在我國(guó)大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，強(qiáng)調(diào)綠色、可持續(xù)發(fā)展的形勢(shì)下，資源環(huán)境承載能力研究正成為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要判據(jù)，且逐步在國(guó)土空間規(guī)劃、主體功能區(qū)劃、“三區(qū)三線”劃定中發(fā)揮重要作用。

地下水資源是水資源的重要組成部分。國(guó)外在研究水資源對(duì)生態(tài)承載力、人口承載力或可持續(xù)發(fā)展的限制性作用的歷程中，發(fā)展出一系列具有相似內(nèi)涵的概念，如可利用水資源量(water availablity)[3-4]、水壓力指數(shù)(water stress index)[5]、水資源緊缺指數(shù)(water scarcity indice)[6]、生態(tài)可持續(xù)利用水資源量(ecologically sustainable water resource)[7-8]，但直接以水資源承載力為主題開(kāi)展專項(xiàng)研究的幾乎沒(méi)有。

我國(guó)著名學(xué)者施雅風(fēng)在20世紀(jì)90年代初研究西北干旱地區(qū)水資源對(duì)生態(tài)環(huán)境與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的瓶頸制約作用時(shí)提出了“水資源承載力”，定義為某一地區(qū)的水資源，在一定社會(huì)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段，在不破壞社會(huì)和生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，最大可承載的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口水平[9]。經(jīng)過(guò)30多年的研究，水資源承載力在我國(guó)得到了獨(dú)立的發(fā)展，主要包括三種觀點(diǎn)：一是水資源支撐人口或經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的最大規(guī)模[9]；二是抽象的能力，表達(dá)為水資源對(duì)地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐能力[10]；三是水資源開(kāi)發(fā)容量[11]。研究方法上逐步由單一指標(biāo)、靜態(tài)分析走向系統(tǒng)多目標(biāo)、動(dòng)態(tài)綜合分析。主要包括指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)法、多目標(biāo)情景分析法、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模擬法。指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)法是運(yùn)用最多的研究方法，一般是通過(guò)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)水資源承載能力各關(guān)鍵因子分別進(jìn)行評(píng)判，再通過(guò)主成分分析法[12]、模糊綜合評(píng)價(jià)法[13]、物元分析法[14]等綜合評(píng)價(jià)方法，將各指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果綜合起來(lái)，得出一個(gè)比較全面的評(píng)價(jià)結(jié)果。此外，多目標(biāo)情景分析法[15]、系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型法[16]也是較常用的研究方法。

20世紀(jì)90年代后期，隨著我國(guó)地下水供水比重不斷攀升，由于過(guò)量開(kāi)采地下水引發(fā)的地面沉降、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題加劇，地下水資源承載力研究也備受關(guān)注，在華北平原、關(guān)中平原、貴州巖溶區(qū)及大型灌區(qū)開(kāi)展了大量有益探索[14-15, 16-17]。地下水資源承載力多延用水資源承載力的內(nèi)涵，但在研究方法上一般有所創(chuàng)新，尤其是運(yùn)用指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)法研究時(shí)，充分考慮了各研究區(qū)地下水資源分布規(guī)律與利用狀況特點(diǎn)，建立了差異化的指標(biāo)體系。如，在開(kāi)采地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉的華北平原、關(guān)中盆地及其他大型灌區(qū)，選取的指標(biāo)往往有灌溉土地供水模數(shù)、需水模數(shù)、灌溉水利用系數(shù)等[11,13]。

開(kāi)展全國(guó)區(qū)域地下水資源承載能力評(píng)價(jià)研究，判別地下水資源超載程度和發(fā)展趨勢(shì)，是支撐建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警體系、加強(qiáng)水資源開(kāi)發(fā)利用管理的有效手段。尤其是在以地下水為主要供水水源的我國(guó)北方地區(qū)，可為合理配置水資源、測(cè)算供需水量，擬定“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”方案，為國(guó)土空間規(guī)劃編制和調(diào)整提供重要技術(shù)支撐。因此，亟需開(kāi)展地下水資源承載能力的評(píng)價(jià)理論與方法探索，為區(qū)域尺度的評(píng)價(jià)工作提供統(tǒng)一的方法依據(jù)。

本文在總結(jié)前人研究理論與方法的基礎(chǔ)上，面向支撐建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制的目標(biāo)，以期準(zhǔn)確定義地下水資源承載能力的概念和內(nèi)涵，結(jié)合地下水資源稟賦、開(kāi)發(fā)利用狀況以及相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，提出一套宏觀的可適用于我國(guó)省域和重要經(jīng)濟(jì)區(qū)(跨省域)的區(qū)域地下水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與方法，并開(kāi)展了京津冀地下水資源承載能力評(píng)價(jià)，論證該評(píng)價(jià)方法的可靠性。

1 地下水資源承載能力研究的基本理論

1.1 承載協(xié)調(diào)理論

在開(kāi)展資源環(huán)境承載能力研究以支撐編制“全國(guó)國(guó)土規(guī)劃綱要(2016—2030)”及建立“國(guó)土資源環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制”的歷程中，本研究團(tuán)隊(duì)在充分吸收前人研究精華、結(jié)合新時(shí)代承載能力研究新特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出承載協(xié)調(diào)理論[2]。該理論以追求社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然資源環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)為要義，將自然資源環(huán)境系統(tǒng)的稟賦條件作為約束社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模的根本因素。研究對(duì)象定位在自然資源環(huán)境系統(tǒng)及其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的關(guān)系，即“一個(gè)系統(tǒng)、一個(gè)關(guān)系”，重點(diǎn)進(jìn)行資源環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)和監(jiān)測(cè)預(yù)警兩個(gè)方面的研究。其中，承載能力評(píng)價(jià)分為三個(gè)層次：首先是研判自然資源稟賦與環(huán)境容量?jī)?yōu)劣程度的承載本底評(píng)價(jià)；其次是分析資源環(huán)境供容能力與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的匹配程度的承載狀態(tài)評(píng)價(jià)；最后綜合兩者形成承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果，反映當(dāng)前資源環(huán)境能夠保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力水平。

按照評(píng)價(jià)目的不同，可分為面向建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制的宏觀性評(píng)價(jià)和面向國(guó)土空間規(guī)劃的細(xì)致性評(píng)價(jià)，前者主要采用總體性的評(píng)價(jià)指標(biāo)從宏觀尺度上綜合反映大區(qū)域范圍內(nèi)資源環(huán)境承載能力強(qiáng)弱程度和空間差異性，后者主要是通過(guò)可以反映本研究區(qū)的特征性指標(biāo)來(lái)較精細(xì)地刻畫(huà)研究區(qū)內(nèi)部的承載能力差異。本文重點(diǎn)討論區(qū)域性宏觀評(píng)價(jià)方法。

圖1 資源環(huán)境承載協(xié)調(diào)理論技術(shù)框架[2]Fig.1 Frame of the coordination theory and evaluation method of resource and environmental carrying capacity

1.2 定義與內(nèi)涵

按照資源環(huán)境承載協(xié)調(diào)理論及面向建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制的目標(biāo)，將地下水資源承載能力定義為：在一定時(shí)期和技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件下，以開(kāi)發(fā)地下水不破壞生態(tài)、且保持地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定為前提，區(qū)域地下水資源保障當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力。在此內(nèi)涵下，評(píng)價(jià)地下水資源承載能力首先強(qiáng)調(diào)數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)并重的理念，保證質(zhì)量、維持生態(tài)及地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定為底線，更強(qiáng)調(diào)保護(hù)中發(fā)展；其次強(qiáng)調(diào)動(dòng)態(tài)性，受技術(shù)、管理、人類認(rèn)知水平等局限，地下水資源承載能力呈動(dòng)態(tài)發(fā)展，并非一成不變；最后還強(qiáng)調(diào)了地域性和尺度效應(yīng)，不同地域和研究尺度的研究目標(biāo)和研究方法往往有差異。

根據(jù)承載協(xié)調(diào)理論，地下水資源承載能力評(píng)價(jià)的對(duì)象及內(nèi)容主要包括：(1)承載本底評(píng)價(jià)對(duì)象即地下水資源，重點(diǎn)從數(shù)量和質(zhì)量?jī)蓚€(gè)核心的自然屬性來(lái)考量地下水資源稟賦的優(yōu)劣；(2)承載狀態(tài)評(píng)價(jià)對(duì)象是地下水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的關(guān)系，重點(diǎn)從區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)地下水開(kāi)發(fā)利用的現(xiàn)狀程度，以及對(duì)水質(zhì)、生態(tài)、地質(zhì)環(huán)境造成的不利影響來(lái)考量；(3)承載能力則通過(guò)綜合承載本底和承載狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果來(lái)反映當(dāng)前地下水資源的數(shù)量、質(zhì)量及其維系的生態(tài)環(huán)境能夠保障社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的能力水平。

2 評(píng)價(jià)方法

我國(guó)疆域遼闊，自然條件下地下水補(bǔ)給、徑流、排泄以及地下水開(kāi)發(fā)利用情況差異極大。在綜合分析我國(guó)地下水資源分布規(guī)律、開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀與影響及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)水資源的需求等基礎(chǔ)上，遵循簡(jiǎn)便、實(shí)用、可操作的原則，采用指標(biāo)體系綜合評(píng)價(jià)法，構(gòu)建了可應(yīng)用于省域和重要經(jīng)濟(jì)區(qū)(跨省域)的區(qū)域地下水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與方法。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

區(qū)域地下水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)包括基礎(chǔ)指標(biāo)和修正指標(biāo)?；A(chǔ)指標(biāo)作為普適性指標(biāo)，從地下水的數(shù)量屬性出發(fā)，根據(jù)承載本底、承載狀態(tài)的內(nèi)涵，分別選取地下水可開(kāi)采資源模數(shù)、地下水開(kāi)采程度作為相應(yīng)指標(biāo)，經(jīng)評(píng)價(jià)后得出初步結(jié)果。修正指標(biāo)作為針對(duì)性指標(biāo)，從地下水的質(zhì)量屬性，或者區(qū)域特殊問(wèn)題出發(fā)，對(duì)相應(yīng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)后，再對(duì)基礎(chǔ)指標(biāo)的初步評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行修正。

2.1.1指標(biāo)選取依據(jù)與定義

(1)地下水可開(kāi)采資源模數(shù)

地下水可開(kāi)采資源模數(shù)表示的是單位面積上的地下水可開(kāi)采資源量。地下水可開(kāi)采資源量通常定義為一定經(jīng)濟(jì)、技術(shù)條件下，開(kāi)采過(guò)程中不會(huì)誘發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，可以持續(xù)開(kāi)采利用的地下水量[18]，是目前普遍采用的表征地下水資源量的概念之一。此概念強(qiáng)調(diào)在保證生態(tài)用水和環(huán)境安全的前提下計(jì)算可開(kāi)采利用的地下水量，主要以生態(tài)環(huán)境安全為約束條件。地下水可開(kāi)采資源模數(shù)是地下水可開(kāi)采資源量的“地均值”，以更直觀對(duì)比區(qū)域間地下水資源稟賦的差異。而人均地下水資源量這個(gè)“人均值”著眼于人口分布和資源消耗現(xiàn)狀，不符合生態(tài)文明理念。

表1 區(qū)域地下水資源承載能力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

(2)地下水開(kāi)采程度

地下水開(kāi)采程度是指地下水開(kāi)發(fā)利用量與地下水可開(kāi)采資源量之比。該指標(biāo)通過(guò)可開(kāi)采量與已開(kāi)采量進(jìn)行直觀對(duì)比，可綜合反映地下水資源的開(kāi)發(fā)利用狀況，能較全面體現(xiàn)地下水對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的支撐狀況，也是目前廣泛運(yùn)用的指標(biāo)。研究者們?cè)谶\(yùn)用逼近理想解、模型判斷、投影尋蹤、專家打分等不同方法評(píng)價(jià)地下水資源承載力時(shí)，均認(rèn)為地下水開(kāi)采程度可體現(xiàn)區(qū)域地下水開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，在所有相似指標(biāo)中權(quán)重最高[19]。

(3)地下水背景質(zhì)量等級(jí)

地下水背景質(zhì)量等級(jí)表示的是原生條件下地下水質(zhì)量狀況的優(yōu)劣。通過(guò)綜合考量區(qū)域地下水基本化學(xué)成分及含量、地下水典型元素背景狀況，分析化學(xué)組分含量及背景值高的地下水分布情況，以其面積占比來(lái)反映評(píng)價(jià)區(qū)域的地下水背景質(zhì)量等級(jí)。

地下水基本化學(xué)成分、典型元素背景狀況反映了地下水在自然環(huán)境循環(huán)過(guò)程中的原始物理化學(xué)性質(zhì)，是研究水環(huán)境質(zhì)量與水質(zhì)評(píng)價(jià)的基本依據(jù)，充分體現(xiàn)了“本底”的理念。我國(guó)地下水典型的高背景值元素包括鐵、錳、氟化物、碘化物、砷等。其中，砷是國(guó)際上公認(rèn)的具有直接毒害作用的六大毒性物質(zhì)之一。氟化物也是對(duì)人類健康具有直接毒害作用的元素之一。碘是維持生物生長(zhǎng)發(fā)育必須的微量元素，但飲用高碘水也能引起人類健康問(wèn)題。此外，氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽等雖然為無(wú)直接毒害作用的無(wú)機(jī)污染物，但當(dāng)組分達(dá)到一定濃度后，導(dǎo)致地下水中含鹽量過(guò)高，同樣會(huì)對(duì)其利用價(jià)值或環(huán)境甚至對(duì)人類健康造成不同程度的影響和危害[20-22]。此外，當(dāng)前的水處理工藝，對(duì)砷、氟化物、碘化物、含鹽量等組分或元素含量高的地下水進(jìn)行處理，技術(shù)也相對(duì)不成熟，存在成本高或效率低的問(wèn)題。因此，綜合以上因素，選取含鹽量、砷、氟化物、碘化物作為主要指標(biāo)，參考《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GBT 14848—2017)和《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749—2006)[23-24]，按表2判斷具有高背景值的化學(xué)組分或元素含量的地下水類型。

表2 高背景值化學(xué)組分或元素含量的地下水類型判斷標(biāo)準(zhǔn)

據(jù)歷年來(lái)水資源公報(bào)數(shù)據(jù)(2013—2018)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)隨著地下水壓采政策的實(shí)施，各地區(qū)地下水開(kāi)采量較過(guò)去二三十年有所下降，局部地區(qū)地下水超采的局面得到控制。然而，地下水作為重要的環(huán)境因子，常以物質(zhì)遷移、能量轉(zhuǎn)換、動(dòng)力學(xué)特征等方式影響地質(zhì)環(huán)境，地下水過(guò)度開(kāi)發(fā)利用會(huì)引發(fā)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，如區(qū)域地下水位下降、地下水污染、地面沉降、海水入侵、巖溶塌陷、土壤鹽漬化、沼澤化、沙漠化等[18,25-26]。因此，此類問(wèn)題作為地下水不合理開(kāi)發(fā)利用的影響也需要納入評(píng)價(jià)體系。從影響程度和范圍出發(fā)，分別選取地下水污染、地面沉降、海水入侵、土地鹽漬化作為需要重點(diǎn)評(píng)價(jià)的問(wèn)題。選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)下文。

(4)地下水污染程度

地下水污染指的是人類活動(dòng)影響下，地下水水質(zhì)朝著惡化方向發(fā)展的現(xiàn)象。受我國(guó)城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程加快影響，特別是城市及工礦企業(yè)“三廢”無(wú)序排放影響，地下水水質(zhì)正在發(fā)生重大變化。首輪地下水污染調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地下水正在區(qū)域上發(fā)生著硬化、鹽化、硝化(三氮污染)、酸化等問(wèn)題，局部重(類)金屬污染嚴(yán)重，個(gè)別地方有機(jī)污染已有顯現(xiàn)。地下水三氮污染普遍，在農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)和城市周邊地區(qū)已呈面污染特征。重金屬污染多呈點(diǎn)狀分布在城市周邊及工礦企業(yè)周圍。地下水有毒有害有機(jī)污染相對(duì)少，主要呈點(diǎn)狀、復(fù)合污染的特征在淺層地下水中顯現(xiàn)[27]。根據(jù)地下水污染調(diào)查評(píng)價(jià)方法，以污染評(píng)價(jià)后得到的地下水污染區(qū)的面積占比，或原始調(diào)查點(diǎn)中地下水污染點(diǎn)的個(gè)數(shù)占比，來(lái)反映區(qū)域地下水污染嚴(yán)重程度。

(5)地面沉降程度

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動(dòng)引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種緩變性地質(zhì)災(zāi)害。人類活動(dòng)是誘發(fā)高速率地面沉降的重要因素，其中，大量抽取地下水與地面沉降關(guān)系最為密切。尤其是在我國(guó)長(zhǎng)江三角洲、華北平原、汾渭盆地等地區(qū)，由于過(guò)量開(kāi)采地下水，特別是開(kāi)采井群過(guò)分集中，引起地下水水位持續(xù)下降，誘發(fā)了地面沉降[28]。為保持評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的一致性，利用InSAR 數(shù)據(jù)得到的全國(guó)范圍內(nèi)的地面沉降速率作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以地面沉降速率大于10 mm/a的區(qū)域占比情況表征地面沉降程度。

(6)海水入侵程度

海水入侵是由于濱海地區(qū)地下水動(dòng)力條件發(fā)生改變，引發(fā)海水或高礦化咸水向陸地淡水含水層運(yùn)移而發(fā)生水土侵入的過(guò)程和現(xiàn)象，是沿海地區(qū)水資源不合理開(kāi)發(fā)帶來(lái)的特殊環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。我國(guó)渤海、黃海沿岸不少地帶，由于地下水過(guò)量開(kāi)采，水位持續(xù)下降，20 世紀(jì)70 年代中期開(kāi)始陸續(xù)發(fā)生海水入侵陸地含水層的現(xiàn)象，20 世紀(jì)80 年代以來(lái)海水入侵現(xiàn)象加劇[29]。以區(qū)域發(fā)生海水入侵的面積占比表征海水入侵程度。該指標(biāo)只在沿海地區(qū)使用。

(7)土壤鹽漬化程度

土壤鹽漬化是土壤表層鹽分含量不斷增加以至超出某一限度的發(fā)展過(guò)程。從地質(zhì)環(huán)境角度，土壤的積鹽過(guò)程實(shí)質(zhì)上是土壤系統(tǒng)中地下水運(yùn)動(dòng)和鹽分遷移富集的一種水文地質(zhì)過(guò)程。在全球變暖的趨勢(shì)下，中低緯度地區(qū)的土壤鹽漬化現(xiàn)狀日益嚴(yán)重，成為綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展障礙。我國(guó)西北內(nèi)陸干旱區(qū)的人工綠洲、黑河流域中下游平原、河套平原、銀川平原,以及東北平原、黃淮海平原的低洼地區(qū)廣泛分布鹽漬化。鹽漬化形成的主要控制為潛水水位埋深、潛水礦化度、微地形、包氣帶巖性綜合特征和灌排條件，人類活動(dòng)較易對(duì)以上控制因素造成干擾。尤其是，以不合理灌排或水利工程滲漏等活動(dòng)，造成潛水水位抬升而引發(fā)鹽漬化問(wèn)題[30]。因此，以人類不合理灌排或水利工程滲漏等活動(dòng)，造成潛水水位抬升而引發(fā)土壤鹽漬化的區(qū)域面積占比，表征土壤鹽漬化程度。

2.1.2指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

(1)地下水可開(kāi)采資源模數(shù)

利用新一輪地下水資源評(píng)價(jià)成果[18]中全國(guó)26個(gè)地下水資源一級(jí)區(qū)的地下水可開(kāi)采資源模數(shù)數(shù)據(jù)，用自然斷點(diǎn)法初步分析并結(jié)合專家判斷后，劃分地下水可開(kāi)采資源模數(shù)5個(gè)等級(jí)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3所示，分別代表區(qū)域地下水資源量很豐富、豐富、比較豐富、一般豐富、不豐富。

表3 地下水可開(kāi)采資源模數(shù)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Table 3 Classification of module of exploitable

groundwater resources

/(×104 m3·km-2·a-1)

(2)地下水開(kāi)采程度

對(duì)應(yīng)承載狀態(tài)的3個(gè)等級(jí)，劃分地下水開(kāi)采程度為較低、適中、超采3個(gè)等級(jí)。其中，以地下水開(kāi)采程度大于100%，即地下水開(kāi)采量超過(guò)地下水可開(kāi)采資源量，為超采；參考新一輪地下水資源評(píng)價(jià)[18]中對(duì)我國(guó)各省份地下水開(kāi)采程度的分析標(biāo)準(zhǔn)，以70%作為臨界值，當(dāng)?shù)叵滤_(kāi)采量介于70%～100%之間時(shí)定義為適中，地下水開(kāi)采量小于70%定義為較低。

(3)其他修正指標(biāo)

以2018年出版的《中國(guó)地質(zhì)環(huán)境圖系》中《中國(guó)地下水環(huán)境圖》、《中國(guó)地面沉降現(xiàn)狀圖》、《中國(guó)荒漠化土地分布圖》[26, 28, 30]中化學(xué)組分含量及背景值高的地下水分布數(shù)據(jù)、地面沉降速率等值線數(shù)據(jù)、土壤鹽漬化分布數(shù)據(jù)、海水入侵分布數(shù)據(jù)，計(jì)算得出分省的5個(gè)修正指標(biāo)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，然后按照自然斷點(diǎn)法對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)分類后確定了分級(jí)閾值。參考該分級(jí)閾值，劃分修正指標(biāo)的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表4所示。

表4 地下水資源承載能力修正指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.2 評(píng)價(jià)流程

(1)基礎(chǔ)資料收集與分析

以收集最新、精度最高的資料為宜。包括水文地質(zhì)普(調(diào))查、地下水資源評(píng)價(jià)、地下水監(jiān)測(cè)、地下水污染調(diào)查、地下水開(kāi)發(fā)引發(fā)的問(wèn)題、地下水超采評(píng)價(jià)、地下水資源利用、保護(hù)與管理等相關(guān)資料。分析評(píng)價(jià)區(qū)水文地質(zhì)條件、地下水分布及其數(shù)量質(zhì)量特征；分析地下水開(kāi)發(fā)利用狀況及地下水水位、水量、水質(zhì)等動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及控制因素；分析不合理開(kāi)發(fā)利用地下水引發(fā)的生態(tài)、環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題。

(2)評(píng)價(jià)單元?jiǎng)澐?/p>

為兼顧科學(xué)性和實(shí)用性，地下水資源承載能力評(píng)價(jià)單元分為自然單元和行政單元2類。自然單元采用地下水資源分區(qū)單元，根據(jù)地下水補(bǔ)徑排條件、地下水化學(xué)特征等水文地質(zhì)條件劃分。行政單元采用縣級(jí)及以上行政單元。承載本底評(píng)價(jià)原則上以自然單元作為基本評(píng)價(jià)單元，也可表達(dá)至行政單元。承載狀態(tài)評(píng)價(jià)以行政區(qū)域?yàn)樵u(píng)價(jià)單元。

(3)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)的實(shí)際情況，充分考慮不合理開(kāi)發(fā)利用地下水引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，選取合適的修正指標(biāo)，結(jié)合2項(xiàng)必選的基礎(chǔ)指標(biāo)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(4)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)整理及補(bǔ)充調(diào)查

按照評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，梳理基礎(chǔ)資料，整理原始評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。對(duì)地下水補(bǔ)徑排條件變化較大區(qū)域，地下水開(kāi)采現(xiàn)狀不清或尚不滿足評(píng)價(jià)要求的區(qū)域，應(yīng)開(kāi)展補(bǔ)充調(diào)查評(píng)價(jià)工作，重新計(jì)算地下水天然補(bǔ)給資源量和可開(kāi)采資源量。針對(duì)重點(diǎn)規(guī)劃建設(shè)區(qū)、生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)等重要評(píng)價(jià)區(qū)域或數(shù)據(jù)陳舊、不足、缺失區(qū)域，適當(dāng)開(kāi)展調(diào)查，修正、補(bǔ)充評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

(5)承載能力綜合評(píng)價(jià)

從地下水可開(kāi)采資源模數(shù)、開(kāi)采程度等單指標(biāo)計(jì)算入手，先開(kāi)展承載本底、承載狀態(tài)的初步評(píng)價(jià)，再依次進(jìn)行各修正指標(biāo)的評(píng)價(jià)。承載本底的修正指標(biāo)地下水背景質(zhì)量等級(jí)分別以自然單元、行政單元進(jìn)行評(píng)價(jià)。地下水背景質(zhì)量等級(jí)評(píng)價(jià)結(jié)果為差，則承載本底評(píng)價(jià)結(jié)果下降一級(jí)。承載狀態(tài)的修正指標(biāo)以行政單元評(píng)價(jià)。任一項(xiàng)或多項(xiàng)修正指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果為高，承載狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果均下降一級(jí)。基于承載本底和承載狀態(tài)最終評(píng)價(jià)結(jié)果，按表5確定承載能力綜合等級(jí)。

表5 地下水資源承載能力綜合等級(jí)判斷標(biāo)準(zhǔn)

3 京津冀地區(qū)地下水資源承載能力評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)與數(shù)據(jù)來(lái)源

京津冀地區(qū)水資源匱乏，多年平均水資源量只有3.70×1010m3，不足全國(guó)的1.3%，卻承載了全國(guó)約10%的人口[31]。地下水作為京津冀地區(qū)工農(nóng)業(yè)和生活用水的主要供水水源，自20世紀(jì)90年代以來(lái)地下水供水比重始終保持在70%以上。地下水長(zhǎng)期過(guò)量開(kāi)采導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的區(qū)域地下水位下降、地面沉降、地下水污染、濕地退化、土壤鹽堿化、海水入侵等問(wèn)題。結(jié)合該區(qū)域特點(diǎn)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，除地下水可開(kāi)采資源模數(shù)、地下水開(kāi)采程度2項(xiàng)基礎(chǔ)指標(biāo)外，以地下水背景質(zhì)量等級(jí)、地面沉降程度、土壤鹽漬化程度3項(xiàng)指標(biāo)作為修正指標(biāo)，構(gòu)建京津冀地區(qū)地下水資源承載能力評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。

數(shù)據(jù)來(lái)源上，地下水可開(kāi)采資源量是在“新一輪地下水資源評(píng)價(jià)”的基礎(chǔ)上，根據(jù)各省、各地區(qū)地下水資源評(píng)價(jià)的最新成果進(jìn)行了更新；地下水開(kāi)采量數(shù)據(jù)采用近年來(lái)各省水利年鑒數(shù)據(jù)；化學(xué)組分含量及背景值高的地下水分布數(shù)據(jù)、地面沉降速率等值線數(shù)據(jù)、土壤鹽漬化分布數(shù)據(jù)分別來(lái)自2018年出版的《中國(guó)地質(zhì)環(huán)境圖系》中《中國(guó)地下水環(huán)境圖》、《中國(guó)地面沉降現(xiàn)狀圖》、《中國(guó)荒漠化土地分布圖》[26, 28, 30]。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果

京津冀202個(gè)縣級(jí)行政單元中，承載本底等級(jí)為高的有77個(gè)，較高的有16個(gè)，中等的有39個(gè)，較低的有37個(gè)，低的有33個(gè)。從地下水資源分區(qū)上看，承載本底高、較高的93個(gè)縣級(jí)行政單元主要分布在潮白河薊運(yùn)河、灤河、漳衛(wèi)河、子牙河流域的山前沖洪積平原，以及子牙河流域上游的山地區(qū)，水質(zhì)以孔隙水為主，基本是淡水；承載本底低、較低的70個(gè)縣級(jí)行政區(qū)主要分布在冀北的內(nèi)陸河流域、遼河大凌河流域的山地丘陵區(qū)，以及黃河、漳衛(wèi)河、子牙河流域的咸水分布廣泛的濱海沖積海積平原區(qū)。

承載狀態(tài)等級(jí)為超載的有151個(gè)，均衡的有25個(gè)，盈余的有26個(gè)。超載的縣級(jí)行政區(qū)連片分布于平原區(qū)，在山區(qū)也有分布，如承德、張家口、秦皇島等地。以上地區(qū)地下水的開(kāi)采量普遍高于可開(kāi)采資源量，平原地區(qū)的地面沉降問(wèn)題嚴(yán)重。

綜合承載本底和承載狀態(tài)結(jié)果得出，承載能力等級(jí)為強(qiáng)的有18個(gè)，較強(qiáng)的有72個(gè)，中等的有19個(gè)，較弱的有36個(gè)，弱的有57個(gè)。承載能力強(qiáng)、較強(qiáng)的縣級(jí)行政區(qū)全部位于漳衛(wèi)河、子牙河流域的上游山區(qū)、山前沖積平原，地下水資源豐富、水質(zhì)較好、地下水開(kāi)發(fā)利用程度較低或適中，幾乎沒(méi)有地下水開(kāi)發(fā)引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題；承載能力較強(qiáng)的縣級(jí)行政區(qū)分布從山區(qū)到平原區(qū)都有；承載能力中等的縣級(jí)行政區(qū)分布較為分散，主要是在承載能力強(qiáng)、較強(qiáng)縣級(jí)行政區(qū)的周邊，地下水資源較為豐富，但開(kāi)發(fā)利用程度高，地面沉降問(wèn)題較為嚴(yán)重；承載能力弱、較弱的縣級(jí)行政區(qū)主要分布在冀北的內(nèi)陸河流域、遼河大凌河流域、大清河流域的山地丘陵區(qū)，以及黃河、子牙河、灤河流域的濱海沖積海積平原區(qū)，地下水資源量不夠豐富，部分地區(qū)水質(zhì)較差，開(kāi)采程度高，有嚴(yán)重的地面沉降問(wèn)題。

3.3 結(jié)果分析

地下水資源的承載本底主要還是由資源量的多寡決定，上述京津冀地區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果符合我國(guó)地下水資源平原較山區(qū)多、南方較北方多的總體規(guī)律。

將京津冀地區(qū)地下水資源承載狀態(tài)評(píng)價(jià)結(jié)果與根據(jù)《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》評(píng)價(jià)出的地下水超采區(qū)分析后發(fā)現(xiàn)，北京市、天津的17個(gè)超載行政區(qū)全部位于超采區(qū)中，河北省134個(gè)超載的縣級(jí)行政區(qū)有108個(gè)位于超采區(qū)內(nèi)，其余26個(gè)主要分布在承德、秦皇島地區(qū)以及張家口的市區(qū)。差異原因在于，按照承載狀態(tài)基礎(chǔ)指標(biāo)開(kāi)采程度的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，承德、秦皇島、張家口地區(qū)開(kāi)采程度高于100%的縣級(jí)行政區(qū)都為超采，但《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》并沒(méi)有將開(kāi)采程度大于100%作為確定超采區(qū)的必須條件。綜合以上，本文所評(píng)價(jià)出的京津冀地區(qū)地下水資源承載能力超載的縣級(jí)行政區(qū)與超采區(qū)評(píng)價(jià)的一致性高達(dá)82%。

京津冀地區(qū)在歷史上很長(zhǎng)一段時(shí)間開(kāi)采程度都非常高。據(jù)新一輪地下水資源評(píng)價(jià)，1999年京津冀三省開(kāi)采程度均超過(guò)100%，河北省更是達(dá)到128%。平原地區(qū)深層水、淺層水的過(guò)量開(kāi)采引發(fā)了大面積分布、發(fā)展形勢(shì)較難控制的地面沉降問(wèn)題，生態(tài)維持和地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定條件得以破壞。從總體看來(lái)，京津冀地區(qū)地下水資源承載能力水平是偏弱的。但近年來(lái)，隨著地下水壓采政策的實(shí)施，很多地區(qū)的地下水開(kāi)采量減少，僅2018年度就較上年減少約1.0×109m3[32]。因此，針對(duì)超載區(qū)域通過(guò)實(shí)施地下水壓采降低地下水開(kāi)采量，實(shí)現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡，并逐步修復(fù)地下水不合理開(kāi)采引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題，將有助于提升京津冀區(qū)域地下水資源承載能力水平，使地下水在京津冀地區(qū)凸顯更重要的戰(zhàn)略價(jià)值。

4 結(jié)論與討論

4.1 評(píng)價(jià)方法評(píng)述

(1)評(píng)價(jià)方法總體上具備科學(xué)性和較強(qiáng)的可操作性

從科學(xué)性來(lái)看，該方法將評(píng)價(jià)對(duì)象地下水的數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)屬性作為一個(gè)整體來(lái)考慮，將反映資源量多少的指標(biāo)作為基礎(chǔ)指標(biāo)，同時(shí)兼顧質(zhì)量、生態(tài)，將反映地下水的質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境影響等對(duì)承載能力具有剛性約束的其他指標(biāo)作為修正指標(biāo)，能夠較為全面地反映地下水資源承載能力的狀況。此外，指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)通過(guò)實(shí)際數(shù)據(jù)計(jì)算后，權(quán)衡實(shí)際情況加以適當(dāng)修正。京津冀分縣區(qū)的評(píng)價(jià)結(jié)果雖只選取了部分指標(biāo)，但總體結(jié)果看來(lái)也是較為合理的。

從可操作性來(lái)看，評(píng)價(jià)時(shí)采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是基于地下水評(píng)價(jià)、調(diào)查、監(jiān)測(cè)工作較易獲取或所能掌握的數(shù)據(jù)，如地下水可開(kāi)采資源量、地下水質(zhì)量是區(qū)域地下水資源評(píng)價(jià)所能獲取的數(shù)據(jù)，地下水開(kāi)采量是在縣級(jí)及以上層面上較易獲取的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，地面沉降速率、土壤鹽漬化是通過(guò)InSAR 或遙感數(shù)據(jù)可評(píng)價(jià)出的基礎(chǔ)指標(biāo)。

(2)更具地區(qū)特色的修正指標(biāo)探討略有不足

為了構(gòu)建宏觀層面的評(píng)價(jià)方法，指標(biāo)多是籠統(tǒng)的概念，以模數(shù)、比率等形式體現(xiàn)，而我國(guó)幅員遼闊、自然地理地質(zhì)及水文地質(zhì)條件迥異，特別應(yīng)該在修正指標(biāo)中區(qū)別體現(xiàn)。如表示地面沉降嚴(yán)重程度的指標(biāo)，在該方法中為了可操作性更強(qiáng)，是以地面沉降速率大于10 mm/a的區(qū)域占比情況表征，實(shí)際上就危害程度而言，用該種計(jì)算方法尚不足以完全反映出危害的差異性，運(yùn)用不同地面沉降速率、沉降量的疊加的計(jì)算方法值得深入討論。又如鹽漬化，本身成因很復(fù)雜，除去人為活動(dòng)干擾外，自然條件下氣候干旱、土壤蒸發(fā)強(qiáng)烈、潛水水位及可溶性鹽量高等都是誘因，要判斷出是否是與地下水相關(guān)的各類因素導(dǎo)致，還有待于結(jié)合實(shí)際問(wèn)題具體分析。

圖2 京津冀地區(qū)地下水資源承載能力評(píng)價(jià)結(jié)果圖Fig.2 Results of the carrying capacity of groundwater resources in the Beijing-Tianjin-Hebei region

4.2 相關(guān)思考與建議

(1)根據(jù)承載能力結(jié)果可支撐制定區(qū)域地下水資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略

地下水資源承載能力各單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果基本可以反映區(qū)域地下水資源稟賦及開(kāi)發(fā)利用現(xiàn)狀，可根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果，研究劃分面向不同目標(biāo)的地下水資源保護(hù)與開(kāi)發(fā)利用戰(zhàn)略目標(biāo)，如在西北內(nèi)陸地區(qū)地下水資源貧乏、原生水質(zhì)差，局部鹽漬化、沙漠化嚴(yán)重，則需制定以改善原生水質(zhì)提升可開(kāi)采資源量、涵養(yǎng)地下水、發(fā)揮地下水保護(hù)綠洲與改善植被生態(tài)環(huán)境的管理對(duì)策；如北方、中部平原地區(qū)地下水污染、地下水超采引發(fā)的地面沉降問(wèn)題嚴(yán)重，則需制定以防治地下水污染、控制地下水開(kāi)采為主要目標(biāo)的管理對(duì)策。

(2)探討地表水地下水一體的水資源承載能力綜合評(píng)價(jià)方法

由于地表水和地下水之間相互聯(lián)系又相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，在面向支撐國(guó)土空間規(guī)劃的“雙評(píng)價(jià)”研究時(shí)，將地表水、地下水兩者結(jié)合起來(lái)共同開(kāi)展承載能力研究將有助于獲取更深刻的認(rèn)識(shí)。如深入開(kāi)展“以水四定”研究，分析區(qū)域水資源稟賦和合理用水需求，權(quán)衡制定取用水總量，通過(guò)加強(qiáng)地表水、地下水資源合理配置，合理測(cè)算地下水需水量及可供水量，并提出人口控制、用地減量、產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向及城市空間發(fā)展布局的合理目標(biāo)等。

(3)推進(jìn)數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)一體的地下水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警體系

基礎(chǔ)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的獲取是決定水資源承載能力研究能否真正發(fā)揮作用的關(guān)鍵。而扎實(shí)的數(shù)據(jù)獲取有賴于建立數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)一體的監(jiān)測(cè)體系。我國(guó)地下水監(jiān)測(cè)工作從20世紀(jì)50年代初期發(fā)展至今，經(jīng)歷了從單純的水位監(jiān)測(cè)，到水位水溫水質(zhì)多項(xiàng)指標(biāo)監(jiān)測(cè)的歷程，目前已啟動(dòng)的國(guó)家地下水監(jiān)測(cè)工程共建設(shè)完成20 469個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，首次構(gòu)建國(guó)家級(jí)地下水三維自動(dòng)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)中國(guó)主要平原盆地和巖溶含水層地下水水位、水質(zhì)的有效監(jiān)測(cè)。但在研究地下水承載能力評(píng)價(jià)方法的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)海水入侵、水質(zhì)污染等數(shù)據(jù)獲取不足。因此，建議依托國(guó)家資源環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制建設(shè)，在水資源開(kāi)發(fā)利用造成重大生態(tài)問(wèn)題的區(qū)域，建立數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)一體的地下水資源承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警監(jiān)測(cè)體系，以全面、動(dòng)態(tài)評(píng)估區(qū)域地下水資源承載能力狀況。