南方地區地下水功能評價指標篩選研究
——以廣東省為例

張 蕾,劉曉敏,嚴 鈺

(1.河海大學水文水資源學院,江蘇 南京 210098;2.廣東省水文局,廣東 廣州 510150)

1 研究目的與意義

根據2004年全國水資源公報[1],南方地區地下水資源量為3835.59億m3,占全國地下水資源量的51.6%。與北方地區相比,我國南方地區地下水資源豐富,整體水質良好,在供水中處于輔助地位,開發利用潛力很大,但也存在局部區域超采現象,且南方地區地下水調查研究相對落后。目前國內對北方平原區地下水的研究較為深入,已經形成了一套較為完整的體系[2],而南方地下水問題研究僅限于局部地區,嚴重缺乏相關的水文地質資料,且南方地區地下水功能評價、功能區劃等研究也還不完善或者才剛剛起步。因此,加強南方地區地下水功能評價研究具有一定的必要性。

地下水功能評價是近年提出的一種地下水評價的新方法[3-4],該方法綜合考慮區域地下水的資源功能、生態環境功能和地質環境功能,進行地下水的可持續性評價,較其他評價方法更能全面地概括地下水各項功能,充分體現地下水的整體最佳效益,為地下水功能區劃研究提供理論依據。要完成地下水功能評價,首先需要解決的一個問題是確定評價指標體系,即采用哪些指標進行綜合評價,指標選取是否合適決定整個評價工作的成功與否。目前國內外還沒有提出統一的地下水功能評價指標體系,如何建立全面科學的評價指標體系?如何根據研究區的區域特征篩選評價指標?如何檢驗指標并分析指標的合理性?這些問題在評價工作已經越來越受到研究者的關注。筆者就地下水功能評價指標體系構建、評價指標篩選、指標的合理性檢驗等進行了探討。

2 地下水功能評價指標體系的構建

在地下水功能評價中,評價指標的選取是一項很關鍵的工作。筆者選取“驅使力-狀態-響應”模型(DSR模型)構建地下水功能評價指標體系。DSR模型突出了地下水功能受到的壓力和地下水功能退化之間的因果關系,這是DSR模型的優勢,但對于社會和經濟指標,這種分類方法不可能得到其所希望的因果關系,即在“驅動力指標”和“狀態指標”之間沒有邏輯上的必然聯系,這是DSR概念模型的缺陷。在應用于地下水功能評價時,因評價內容側重于地下水的資源功能、生態功能和地質環境功能,無需將社會和經濟指標作為評價重點,恰好回避了這一缺陷,而應用了該模型的優勢。

運用DSR模型建立地下水循環系統的驅動因子群、狀態因子群和響應因子群,其中:“驅動因子”是由表征促使地下水補給、徑流和排泄等因素變化的因子群組成,包括降水量變化、地表水徑流變化、地下水開采量和土地利用等;“狀態因子”是由表征地下水數量和質量、儲存和運動變量特征的因子群組成,包括地下水位、儲存量、可利用資源量等;“響應因子”指由表征湖泊、濕地、土地、綠洲、地面沉降和植被等變化的因子群組成,包括湖泊深度、湖泊面積、土地肥力、地面沉降量和植被覆蓋度等。篩選主導因子與地下水功能之間的關系,確定地下水功能評價指標體系。在總結國內外相關領域研究成果的基礎上,根據指標的屬性進行歸類,建立的地下水功能評價指標體系見表1。

3 廣東省地下水功能評價指標體系

3.1 地下水問題

廣東省位于我國大陸南端,雖然水資源比較豐富,但由于人口眾多,人均占有水資源量僅達全國平均水平,加上水資源的時空分布不均勻,局部地區地下水開采日趨頻繁,可用地下水資源逐漸減少;其次,廣東省地下水的開發利用對生態環境也產生較大影響,湛江紅樹林自然保護區2005年地下水開采量為777萬m3,地下水水質較差,局部礦化度、鐵離子超標,生態功能逐步退化;同時,廣東省因開發利用地下水誘發的地面塌陷及地裂縫、房裂等災害也較多,主要發生在覆蓋巖溶區,硇洲島部分區域淺層井水質不同程度咸化。

表1 地下水功能評價指標體系[5]

3.2 指標篩選目的、方法和程序

3.2.1 篩選目的

表1建立的地下水功能評價指標體系不是針對某個地區或區域提出的,而是全面考慮地下水功能可能的影響因素和“驅動-狀態-響應”因子構建的,包含的指標種類多、數目大,指標間信息可能重疊,如果不加選擇地把所有指標都應用于地下水功能評價,指標集會龐大繁雜,不僅加大工作量和分析計算的難度,而且還可能會沖淡地下水功能主導因素的作用,給評價工作帶來誤差。因此,必須根據廣東省的水文地質條件、地下水生態環境狀況和地質環境狀況,采取一定的評價指標篩選方法進行指標篩選,得到具有廣東省特征的評價指標體系。

3.2.2 篩選方法

目前國內學者針對評價指標篩選提出了一些方法,主要集中在統計和數學方法上。常見的方法包括灰色關聯度法、主成分分析法、區分度分析法、理論分析法、層次分析法、頻度統計法、專家咨詢法等。廣東省地下水功能評價指標的數據資料少,難以找出統計規律,無法判定樣本數據服從的概率分布,因此采用數理統計方法難以實現指標的定量分析。灰色關聯分析方法從某種程度上彌補了這種缺憾,它對樣本量的多少和樣本有無規律都同樣適用,而且計算量小,應用方便。本文選擇理論分析法和專家咨詢法進行廣東省地下水功能評價指標的第1次篩選,選擇灰色關聯度法進行廣東省地下水功能評價指標的第2次篩選。

3.2.3 篩選程序

地下水功能評價指標篩選分為定性、定量篩選兩步,具體指標篩選程序見圖1。

圖1 評價指標篩選程序

3.3 具體指標篩選

3.3.1 理論分析法與專家咨詢法篩選指標

理論分析法是對廣東省地下水的分布規律、水質、功能現狀、開發利用狀況、地下水開采誘發的生態環境問題和地質災害等進行分析,選擇符合廣東省地下水功能特性的重要指標;專家咨詢法是在理論分析法初步篩選評價指標的同時,征詢有關專家的意見,對指標進行調整。

廣東省地表水資源豐富,地下水主要接受區內的降雨入滲補給,基本上沒有人為的域外調水,剔除“區外補給資源占有率”這項指標;廣東省湖泊主要靠大氣降水和地表徑流補給,地下水補給量很小,土地質量與地下水的關聯性較小,結合專家咨詢結果,忽略“湖泊環境與地下水關聯度”和“土地質量與地下水關聯度”這2項指標,此外,廣東省土地沙化現象很少,剔除“土地沙化與地下水關聯度”,考慮到“草場變化與地下水關聯度”與“天植變化與地下水關聯度”2項指標均描述植被狀況與同期地下水位變化之間的關聯性,遵循主導性與簡明性的指標篩選原則,忽略前一項指標;“累計開采量與彈性釋水系數”與“水位埋深與彈性釋水系數”2項指標均描述了地下水功能與承壓水的關聯性,廣東省承壓水以火山群為中心呈放射狀向海方向徑流,在遠海排泄,且開采深層承壓水對淺層地下水影響不大,忽略這2項指標;同時,“年均沉降量與年均開采量”、“累計沉降量與同期水位降幅”、“地面沉降與地下水關聯度”這3項指標均考慮地面沉降與地下水位變化的關系,存在信息的重疊,因此剔除前2項指標。運用理論分析法和專家咨詢法共篩選出了25項指標,被忽略的指標共9項,包括:區外補給資源占有率、湖泊環境與地下水關聯度、草場變化與地下水關聯度、土地沙化與地下水關聯度、土地質量與地下水關聯度、累計開采量與彈性釋水系數、水位埋深與彈性釋水系數、年均沉降量與年均開采量、累計沉降量與同期水位降幅。

3.3.2 灰色關聯度模型篩選指標步驟

運用理論分析法和專家咨詢法定性篩選的評價指標仍然龐大、繁雜,研究中進一步從定量角度采用灰色關聯度模型篩選優勢指標[6-7],從上述25個指標中篩選出主要因素和次要因素并確定因素間的關系。根據廣東省地下水資源的補給、恢復和利用等特點,對生態功能層和地質環境功能層的指標進行優勢指標的篩選。

a.對數列 X進行關聯度分析。選取湛江、深圳、汕頭3個行政區作為比較點,根據2005年廣東省各行政分區水資源開發利用程度統計結果,這3個市的地下水開發利用率排名最前,其中湛江市為13.73%,深圳為6.87%,汕頭為26.34%。它們分別組成數列

表2 各地區評價指標數據值

表3 矩陣R的各行均值

以數列X1為參考數列,根據式(1)對表2進行計算,得到絕對差數列:

式中:i為參考數列;j為比較數列;K1、K2、K3分別代表湛江、深圳、汕頭。Xi(K)為第K行第i列的指標數據值;Xj(K)為第K行第j列的指標數據值;Δij(K)為第K行第j列的指標數據值與第K行第i列的指標數據值之差的絕對值。

其中

得到絕對差數列的 Δmax和 Δmin后,根據式(2)計算關聯系數,ρ一般取0.5。

計算比較數列Xj對參考數列Xi的關聯度

按照上述步驟計算,依次改變母序列,求出所有兩兩數列的關聯度;并將兩兩數列的關聯度值寫成關聯度矩陣的形式,得到關聯度矩陣R。

b.分析關聯矩陣行。以第1列(景變指數與地下水關聯度)為例,按表2中的關聯度大小排序,得到關聯序[r17,r110,r16,r12,r18,r13,r19,r14,r15],即對X1影響最大的是X7,地下水質量影響水景觀是顯然的,其他指標與 X1的關聯次序為 X7、X10、X6、X2、X8、X3、X9、X4、X5,其余各行的關聯序采用相同方法計算和分析。

d.評價指標篩選。基于上述分析,X4、X2、X9、X6、X3為優勢指標,對廣東省地下水功能的影響作用較強 ;X1、X7、X10、X8、X5為非優勢指標,對廣東省地下水功能的影響作用較弱,由此忽略這5個指標。將生態功能層、地質環境功能層的優勢指標和資源功能層的指標進行組合,得到廣東省地下水功能評價的指標體系,見表4。

4 指標合理性分析

4.1 廣東省地下水功能評價指標定性分析

由于廣東省地下水方面的統計資料有限,而且現有數據灰度較大,因此采用數理統計方法進行指標合理性分析比較困難,只能對指標體系作定性的合理性分析:圖1表明了地下水功能評價指標體系的構建程序,以表1中評價指標體系為基礎,首先,根據廣東省地下水的分布狀況、分布規律、功能狀況、開發利用狀況等,結合數據資料情況,采用理論分析與專家咨詢相結合的方法進行評價指標的第1次篩選,選擇那些符合廣東省地下水功能特性的重要指標;其次,采用灰色關聯度模型進一步篩選優勢指標;最后,得到廣東省的地下水功能評價指標體系。以表4中廣東省地下水功能評價指標體系為依據,進行廣東省地下水功能評價,評價結果基本與廣東省實際情況吻合,說明本文提出的評價指標篩選方法和廣東省地下水功能評價指標具有一定的科學性、合理性。

表4 廣東省地下水功能評價指標體系

4.2 與北方地下水功能評價指標差異性分析

張光輝等[5]根據華北平原水文地質、生態環境和地質環境條件,建立了華北平原地下水功能評價指標體系,見表5。本文提出的廣東省地下水功能評價指標體系(表4),與華北平原地下水功能評價指標體系(表5)對比,可以看出:華北平原地區的評價指標體系不僅考慮了區外資源補給,還考慮了土地沙化與地下水的關聯性和地下水補給變率與水位的變差比,符合華北平原的地下水特征,由上述評價指標篩選分析可知,南方地區雨量充沛,地表水資源和地下水資源都比較豐富,地下水資源在供水中所占比例不到4%,因此上述指標在廣東省地下水功能評價中均被忽略;南方地區河流湖泊等地表水體主要靠大氣降水和地表徑流補給,地下水補給量很小,湖泊環境受地下水的影響也比較小,因此“湖沼環境與地下水關聯度”等指標在南方地區地下水功能評價中被忽略,而在北方地區被重視;廣東省南臨南海,沿海岸線曲折,長達3368.1km,居全國海岸線長度第1位,因此,“海水入侵與地下水水位的關聯性”指標在廣東省地下水功能評價中被著重考慮。由此可知,表4提出的廣東省地下水功能評價指標體系與華北平原地下水功能評價指標體系差異較大。

表5 華北平原地下水功能評價指標體系[8]

除有關地下水共性指標外,不同地區地下水功能評價指標體系的建立還要根據各地區的水文地質、地下水開采利用、生態環境和地質環境條件選取反映區域特征的評價指標體系。

5 結 語

a.根據研究區的水文地質條件、地下水生態環境狀況和地質環境狀況,選擇理論分析法和專家咨詢法進行地下水功能評價指標的第1次篩選,選擇灰色關聯度法進行研究區地下水功能評價指標的第2次篩選,從地下水功能評價體系的34個指標中篩選出19個主導性的優勢指標,評價結果基本與廣東省實際情況吻合,說明研究區篩選的評價指標具有一定的科學性、合理性。

b.通過與“華北平原地下水功能評價指標體系”對比,可以看出,華北平原地區的評價指標體系不僅考慮了區外資源補給、湖泊環境受地下水的影響,還考慮了土地沙化、地下水補給變率與水位的關系,這些指標在廣東省地下水功能評價中均被忽略,而海水入侵則被著重考慮。兩地指標體系差異較大,除有關地下水共性指標外,不同地區地下水功能評價指標體系的建立還要根據各地區的水文地質情況選取反映區域特征的評價指標體系。

c.地下水系統的復雜性、隱蔽性給全面認識地下水系統特征帶來困難,需要進一步對地下水功能的表征屬性和影響因子進行分析,建立實時動態的數據資料監測體系,進一步完善評價指標體系,實現地下水功能的動態評價。

[1] 水利部.中國水資源公報(2004年)[R].北京:水利部,2005.

[2] 趙賢豹,鐘華平,黃昌碩.南方地下水開發利用存在問題及對策[J].地下水,2008(1):40-43.

[3] 中國地質調查局.全國地下水資源及其環境問題調查評價[R].北京:中國地質調查局,2004.

[4] 羅育池,魏秀琴,杜金龍,等,基于MapGIS的河南省淺層地下水功能評價與區劃[J].中國農村水利水電,2007(9):36-42.

[5] 張光輝,聶振龍.區域地下水功能可持續性評價理論與方法研究[M].北京:地質出版社,2008.

[6] 史瑞卿,孫維芬.灰色聚類分析在地下水功能區劃中的應用[J].工程勘察,1999(1):27-30.

[7] 費為進,經蘇龍.快速灰色分級聚類法在地下水功能區劃中的應用[J].地下水,2001,23(2):190-191.

[8] 張光輝,申建梅,聶振龍,等.區域地下水功能及可持續利用性評價理論與方法[J].水文地質工程地質,2006(4):62-71.