基于用水安全的地下水資源可持續利用研究
——以延邊州為例

王 磊，梁 秀 娟，李 宏 偉，魯 華

(1. 吉林大學 地下水資源與環境教育部重點實驗室，吉林 長春 130021; 2.吉林大學 新能源與環境學院，吉林 長春 130021)

1 研究背景

在水資源需求非常大的今天，水資源可持續利用是目前乃至將來都必修嚴肅認真對待的課題。水資源可持續利用的定義是：在維持水的持續性和生態系統整體性的條件下，支持人口、資源、環境與經濟協調發展和滿足代內及代際人的用水[1-2]。目前，國內外學者對水資源可持續利用評價進行了相應的研究。

(1) 發展過程。從地下水可持續利用機理的研究開始[3]，到地下水資源可持續利用評價體系的建立[4]，再到地下水資源可持續利用的綜合評價[5]。

(2) 研究內容。由地表水資源的可持續利用開始[6]，到地下水資源的可持續利用研究[7-9]，再到礦泉水資源的可持續利用的研究[10-11]。

(3) 評價方法。開展水資源可持續利用評價過程采用的主要方法包括：灰色聚類評價法[12-13]、多目標層次分析法[14]、Bossel理論法[15]以及神經網絡法[16]等。

然而當前社會水資源的需求，不僅是地下水資源可持續利用的問題，還應滿足用水安全方面的渴求。用水安全的概念來自于水安全，水資源安全為在一定時空條件下，能夠持續、穩定、保質保量地滿足人類及社會發展中對水資源的需求，同時又能保障生態環境良好運行的水資源的狀態[17]。用水安全在水資源開發利用中存在著至關重要的作用。在以往有關地下水資源可持續利用的研究中，對于用水安全方面并沒有明確的體現。本文根據延邊州的實際情況，以用水安全為前提，對地下水資源的可持續利用進行分析，旨在維護用水安全的前提下，針對地下水的可持續性開采利用問題展開討論，希望能為同類研究提供依據。因此，本次研究除了具有一定的理論意義，還具有實際應用價值。

圖1 地下水資源可持續利用指標體系示意Fig.1 The map of sustainable utilization of ground water resources

2 研究區概況

將延邊朝鮮族自治州作為研究區。該區北鄰黑龍江省的牡丹江市,西部與吉林省的吉林市和通化市相連,南部和朝鮮民主主義人民共和國隔江相望，東部和俄羅斯聯邦相鄰。總面積為42 700 km2。

延邊朝鮮族自治州屬于中溫帶濕潤季風氣候區。多年平均降水量為595.0 mm，雨量集中在6，7，8三個月。

延邊州地下水資源主要賦存于延吉盆地、琿春盆地、敦化盆地以及羅子溝盆地。延邊州2017年的淺層地下水資源量為26.13億m3，地下水實際開采量為0.85億m3/a、地下水可開采資源量為10.89億m3/a。其中，琿春市、圖們市、延吉市和龍井市的開發利用程度較高，分別為13.29%，11.68%，10.62%和9.64%。

2017年，在延邊州取了98組地下水樣，根據地下水質量標準中的評價指標進行了51項指標的測試和分析。其中，Fe、硝酸鹽、耗氧量、氨氮這4項指標超標。Fe超標主要分布在敦化市和安圖縣；硝酸鹽超標主要分布在敦化市、安圖縣、汪清縣、圖們市、和龍市、琿春市，耗氧量超標主要分布在敦化市、安圖縣；氨氮超標主要分布在敦化市、安圖縣、汪清縣、圖們市、琿春市。從地下水水質來看，延邊州的用水安全堪憂。

3 地下水資源可持續利用研究

3.1 研究方法

針對延邊州地下水水質和開發利用的特點，建立了地下水資源可持續利用安全評價體系。采用直線法對指標進行標準化，采用多目標層次法來確定指標的權重，通過加權直線法來確定延邊州地下水資源可持續利用的發展狀態。

3.2 評價指標體系的建立

地下水可持續利用評價指標體系以社會、經濟、資源、環境協調發展為主導思想，以用水安全為基本前提，結合延邊州地下水資源開發利用、社會經濟發展及生態環境情況，建立了地下水資源可持續利用評價指標體系，如圖1所示。

3.3 指標的計算方法

針對延邊州地下水資源的水質和水量，選取了23個指標來對其可持續利用研究情況進行評價。表1為每個指標的計算方法，本文采用直線型指標標準化方法對指標值進行處理[10]。

表1 地下水資源可持續利用指標計算法Tab.1 Calculation of index for sustainable utilization of ground water resources

3.4 權重的計算方法

采用層次分析法來計算權重，在層次結構中,判斷矩陣是通過數值來比較、判斷某一層次各個元素針對前一個層次的某元素的重要性的矩陣。判斷矩陣中，各元素的數值一般由1～9標度法來確定[18-19]。確定矩陣中元素的數值后，利用公式(1)和公式(2)來計算判斷矩陣的特征向量Wi(權重)以及最大特征根λmax。計算公式如下：

(1)

(2)

式中,(AW)i表示向量AW的第i個元素。

計算出特征向量Wi(權重)，還需借助于公式(3)和公式(4)對其進行一致性檢驗。RI為判斷矩陣的平均隨機一致性，可查表得；一般認為一致性比例為CR<0.1時，才達到令人滿意的結果。

(3)

(4)

3.5 數據來源及權重的確定

3.5.1 數據來源

本文的水質數據來自黑龍江譜尼測試科技有限公司(資質認定證書編號 150800140504)給出的水質監測結果；地下水資源的實際開采量、地下水開發利用程度、工業用水量、生活用水量、生態用水量、工業水重復利用量以及水功能區合格率數據主要是來自2008～2014年《延邊朝鮮族自治州水資源公報》，數據值取其多年平均值。降雨量、地下水資源量、土地面積的數據來自《吉林省水資源》；人口總量、GDP、人口增長率、森林覆蓋率、污水處理率、環保事業的投資數據來自《延邊朝鮮族自治州國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》和《吉林省統計年鑒》。

3.5.2 權重的確定

(1) 準則層權重。以用水安全系統為主要考慮的影響因素，地下水資源系統相對次之。社會經濟系統要與生態系統并重，僅次于地下水資源系統。

(2) 方案層權重。安全系統中合格水質面積率為主要考慮因素，其次考慮不合格水質地區地下水中Fe、硝酸鹽、耗氧量、氨氮的達標率；地下水資源系統中，地下水的實際開采模數指標為主要考慮因素，其次考慮降雨量、地下水可開采模數、開發利用程度，人均地下水占有量相對前4種指標的影響程度略輕；社會經濟系統中，工業萬元產值用水量指標為主要考慮因素，農業用水比例、工業用水比例、工業用水重復率指標相對次之，人口密度，人口增長率、GDP增長率、人均GDP的影響程度相對來說略輕；生態系統中環境保護投資指數、城市污水處理率指標為主要考慮因素，水功能區合格率、生態環境用水率指標相對次之，而延邊州的自然條件決定其森林覆蓋率的權重不大。

3.6 現狀評價

運用加權直線法來計算可持續利用狀態，即將每個指標的目標層權重與相對應的無量綱指標值相乘的結果相加。表2為地下水資源可持續利用指標最終水平；表3為地下水資源可持續利用指標水平度量標準。

表2 地下水資源可持續利用指標最終水平Tab.2 Final level of index for sustainable utilization of ground water resources

表3 地下水資源可持續利用指標水平度量標準Tab.3 Standard of sustainable utilization of ground water resources

3.6.1 計算結果分析

(1) 延邊州的地下水資源可持續利用指標為1.97，可持續利用發展態勢危險。

(2) 安全系統可持續利用指標為1，為不可接受的狀態，嚴重影響了整個體系的可持續利用，主要是因為延邊州第四系地下水水質較差所致。天然狀態下，用水安全得不到保證，尤其是生活用水安全得不到保證，致使地下水的可持續利用體系受到嚴重的影響。地下水的主要超標項目為Fe、硝酸鹽、耗氧量、氨氮。Fe超標是由于東北地區原生地質環境所造成的；硝酸鹽、耗氧量超標是由于延邊州的工業廢水以及生活廢水的不合理排放所造成的。氨氮超標是由于農田種植時化肥的過量使用造成的。

(3) 地下水資源系統的地下水資源可持續利用指標為2.66，可持續利用發展態勢一般，主要因為地下水資源的實際開采量不大，能夠得到可持續發展。

(4) 社會經濟系統的地下水資源可持續利用指標為3.19，可持續利用發展態勢良好，說明延邊州的社會經濟發展是很優越的，能夠維持可持續利用的狀態。

(5) 生態系統的地下水資源可持續利用性相對要差些，為2.16，接近危險狀態，主要原因是環境保護投資的力度不夠，尤其是在水污染治理方面的投資力度不夠。

3.6.2 地下水不可持續利用地區和資源量

根據現狀評價結果,將延邊州地下水資源不可持續利用的地區進行了劃分，并對這些地區的地下水資源不可持續利用量進行了計算，計算結果列于表4中。

表4 地下水資源不可持續利用量Tab.4 Unsustainable utilization quantity of ground water resources

(1) 地下水資源中，達到Ⅲ類水質及其以上要求的地下水資源量為22.58億m3，占區域土地面積約為34 251 km2，這部分地下水資源能夠達到可持續利用；

(2) 達到Ⅳ類水質要求的地下水資源量為1.54億m3，占區域土地面積約3 681 km2，這部分地下水資源達不到可持續利用；

(3) 達到Ⅴ類水質要求的地下水資源量為2.01億m3，占區域土地面積約4 768 km2，這部分地下水資源達不到可持續利用。

3.7 地下水資源可持續利用的對策

基于用水安全的延邊州地下水資源可持續利用受到了影響，因而天然狀態下不能很好地滿足延邊州用水的需求，特別是不能滿足生活用水的需求。根據研究結果，提出了以下幾條有關地下水資源可持續利用的對策。

(1) 分質供水。以水質符合飲用水標準的地下水作為飲用水，在兩江鄉、石門鎮、雁鳴湖鄉、沙河沿鎮、涼水鎮和春陽鎮，以水質能夠符合工業用水的Ⅳ類地下水作為工業用水。

(2) 集中供水。對于用水不安全的地區，建議以村屯為整體，以深層、優質的地下水作為集中供水水源，以解決居民的飲水問題。

(3) 集中進行水處理。對于用水不安全的地區，供水處理設施進行水質凈化，凈化后的水質達到飲用水標準后再供水。

(4) 加大污水處理力度。在延邊州的每個鄉鎮，建設污水輸送和處理設施，加大對廢污水的處理力度，水質達標后才可允許排放，防止對地下水造成進一步污染。

(5) 控制化肥使用。對于農業灌溉面積較大的區域，比如敬信鎮、月晴鎮、涼水鎮，加強對農藥的使用管理，嚴禁使用高毒、高殘留農藥，減少化學農藥的噴施次數和用藥量，優化調度，合理控制化肥農藥施用時間，防止對地下水水質造成污染。

4 結 論

本文以用水安全為基本前提，結合延邊州的地下水資源的開發利用、社會經濟發展及生態環境情況，建立了地下水資源可持續利用評價指標體系。評價結果表明：

(1) 延邊州的地下水資源可持續利用指標為1.97，說明可持續利用發展態勢危險，主要是因為延邊州第四系地下水水質較差，致使用水安全得不到保證。

(2) 延邊州的地下水資源可持續利用量為22.58億m3，占區域土地面積為34 251 km2。

(3) 由于水質不符合用水安全而造成的地下水資源不可持續利用量為3.54億m3，占區域土地面積為8 449 km2。

根據研究結果，提出了以下有關改進地下水資源可持續利用的措施：① 分質供水；② 集中供水；③ 集中進行水處理；④ 加大對污水的處理力度；⑤ 控制化肥的使用量。