2010-2020年贛州市地下水資源承載力研究

胡 健,劉佳興

(贛南科技學院 資源與建筑工程學院,江西 贛州 341000)

0 引 言

地下水資源是水資源的重要組成部分,地下水資源承載力在社會經濟發展、人類生活、生態平衡中扮演著重要角色。目前,地下水承載力的研究方法主要有模糊綜合評價法、系統動力學法等。孟麗紅［1］、徐富剛等［2］分別采用模糊綜合評價法和構建Bayes-TOPSIS模型,評價了贛州市2009、2018-2020年水資源承載力狀態。王宵君［3］等構建了贛州市水資源承載力的社會經濟等3個子系統的系統動力學模型,模擬了2020-2035年贛州市水資源承載力狀態。龔麗芳等［4］利用因子分析和熵權法,計算了贛州市2000-2018年的水資源承載力綜合得分,結果表明贛州市水資源承載力變化不穩定,受到降水、人口等多因素影響。以上文獻僅研究了贛州市的總水資源承載力,而對其地下水資源承載力的研究有所欠缺。

麥爾哈巴等［5］運用系統動力學仿真模型法,模擬了3種策略下2011-2025年吐魯番地區地下水資源承載力數值。郗鴻峰等［6］選取研究區地下水利用率、供水模數等8個指標,運用主成分分析法、集對分析法,研究了撓力河流域2012年的地下水資源承載力。王威等［7］選取寶雞峽灌區地下水灌溉率、地下水利用率等指標,構建了研究區模糊評價模型,評價了其地下水資源承載力,結果顯示研究區地下水開采潛力小。段揚等［8］選取銀川平原經濟、水資源、環境等有關的17個指標,運用模糊綜合評價法,研究了銀川平原各市的地下水資源承載力,結果表明各市承載力均較低,需加強地下水管理。廖強等［9］采用PSR框架模型,選取人均地下水用水量、水質綜合達標率等9項指標,對格爾木區地下水資源承載力進行綜合評價,結果表明該區地下水資源承載力較高,地下水開發潛力大。劉敏等［10］運用地下水開采程度與社會經濟發展程度的相對關系,評價了華北平原地區地下水承載力。

因此,本文根據前人研究的結果和經驗,運用地下水開采程度、社會經濟發展程度相對關系,評價贛州市地下水資源承載力。

1 地下水資源承載力研究方法

1.1 地下水資源承載力的計算

本文采用劉敏等［10］提出的地下水資源承載力評價的新方法。該方法指出地下水資源承載力是與經濟、社會、技術等相關,地下水資源所能支撐起社會經濟發展的最大能力,可用GDP表示。因此,地下水資源承載力表述為地下水資源利用量與社會經濟發展的函數關系,公式如下:

f=αq

(1)

式中:f為地下水資源支撐的社會經濟(GDP);α為用水效率,與行業用水標準、水資源開發利用管理政策、人口、經濟技術發展水平等多方面因素相關;q為地下水資源可利用量。

由式(1)可知,根據地下水的最大可利用量(qmax)和最大用水效率,可計算出理論最大承載力(fmax)。本文采用李洪任等［11］在江西省地下水開發利用紅線管理中的贛州市地下水開發利用總量控制數據,作為最大可利用量qmax。實際地下水承載力f的計算采用實際地下水用水量,用水效率采用綜合用水效率,公式如下:

α=R/q

(2)

(3)

式中:α為用水效率;α綜、α農、α工、α它分別為綜合、農業、工業、其他用水效率;x,y,z分別為農業、工業、其他行業用水量與總用水量的比值;R為某行業的生產總值;q為某行業對應的總用水量,m3。

1.2 地下水資源承載力的評價方法

本文運用劉敏等［10］創建的RG-RQ關系圖法,對贛州市地下水資源承載力進行評價。根據收集的數據計算出各行業用水效率,再得到綜合用水效率,然而將所求解的最大綜合用水效率作為標準值(期望值),再利用最大可利用量qmax,計算出贛州市理論最大地下水承載力fmax。贛州市實際地下水資源承載力fa與理論最大地下水資源承載力fmax的比值為贛州經濟發展程度(RG),而地下水開采程度(RQ)為地下水資源實際開采量q開與地下水可利用量的比值。根據RG-RQ的關系可作圖表達,2010-2020年的贛州市RG-RQ數據投影到圖上,見圖1。

圖1 RG-RQ關系

將RG-RQ關系圖分為3個區域。如果某年份的RG-RQ位于I區,表明贛州市經濟發展不受水資源約束,對地下水資源的依賴程度較低,未來發展潛力很大;如果投影在II區,表明贛州市出現地下水超采,但經濟不超載,被水資源約束,優化調整用水效率,今后經濟發展尚有上升空間,地下水資源可恢復;如果位于III區,表明贛州市出現經濟超載和地下水超采,即使優化調整用水效率,也無法實現地下水資源動態平衡,今后經濟發展被水資源嚴重約束。若投影點位于或靠近線上,則表明實際用水效率已達到或接近峰值。

2 研究區概況與數據來源

贛州市位于贛江上游,江西省南部,東西南方向分別與福建、湖南、廣東3省交界,地處N24°29′-N27°09′,E113°54′-E116°38′之間。縱距295km,橫距219km,全市總面積39 379.64km2,占江西省總面積的23.6%。境內包括長江流域鄱陽湖水系贛江上中游區和珠江流域東江水系上游區河段,可劃分16個水資源流域分區。根據官方數據,贛州市常住人口2010-2020年由836萬人增長至897萬人,農作物播種面積2010-2020年由73×104hm2增長至77×104hm2。理論用水量持續增加,因水資源長期不合理利用,水土流失嚴重,水資源短缺與鄉村振興發展的矛盾凸顯。

贛州市多年平均降水量1 580.2mm,年平均氣溫19.9℃,多年平均地表水資源量336.52×108m3,地下水資源量92.38×108m3。表1中數據來源于2010-2020年贛州市水資源公報、江西省水資源公報、贛州市統計年鑒、江西省統計年鑒。贛州市地下水資源最大可利用量來源于李洪任等［11］在江西省地下水開發利用紅線管理控制指標研究結果數據。其他數據來源于國家統計局、國家數據網、江西省水利廳、贛州市水利局等官方網站。

表1 贛州市水資源、各產業用水量及產值

3 結果與討論

3.1 贛州市地下水資源承載力分析

地下水資源承載力受用水效率、地下水可利用量兩大因素制約。本文計算了2010-2020年贛州市的農業、工業和其他行業的用水效率,見圖2。由圖2可知,贛州市農業用水量2010-2020年總體走勢起伏不定,從20.21×108m3增長至2020年24.71×108m3,工業用水量由2010年的3.35×108m3增長至2017年的4.69×108m3,再下降至2020年的2.56×108m3,其他行業用水量從2010年的4.7×108m3增加至2020年的5.76×108m3,呈持續上升趨勢。農業、工業、其他行業的用水效率分別從2010年的10.39、166.9、101.7元/m3增長至2020年的16.78、542.65、319.68元/m3,其中工業用水效率在2019-2020年有快速增長。

綜合用水效率從2010年的44.13元/m3增長至2020年110.36元/m3,呈現總體上升趨勢。但贛州市最大綜合用水效率110.36元/m3遠低于全國平均用水效率,與高飛等［12］測算的北京市2015年的綜合用水效率620元/m3相差甚遠,與劉敏等［10］統計的2011年華北平原平均用水效率的179.5元/m3存在一定距離。各行業用水效率低是目前出現的較大問題,提高贛州各行業用水效率是改變綜合用水效率的重要舉措,也是未來主要的突破方向。

圖2 贛州市各產業用水量及用水效率

贛州市的用水效率和經濟發展的變化同步進行,地下水資源承載力也同樣發生變化。2010-2020年贛州市實際地下水資源承載力呈整體上升趨勢,從2010年的82.96億元快速增長至2013年109.22億元,2014年又降至105.03億元,2015年由123.44億元增長至2019年的164.34億元,2020年又下降至144.57億元,期間略有起伏。

地下水資源實際承載力年平均增長率為6%,增長率波動較大,整體呈下降趨勢,2014和2020年出現負增長-3%和-12%,其主要原因為相比上一年地下水用水量有明顯降低。

從用水結構上分析,贛州市地下水主要用于農田灌溉。2010-2016年農業用水量波動較大,而2017-2020年基本維持在24×108m3左右,但農業GDP卻持續增長,表明農業節水灌溉的措施有所成效,較大程度上節約了水資源的使用。工業用水量在2017年達到峰值4.69×108m3,隨后下降至2020年的2.56×108m3,但工業生產總值依然穩步上漲,表明各大型工業工廠嚴格執行了政府水利部門出臺的相關節水政策,提高了工業用水重復利用率或使用了新的節水技術。

根據李洪任等［11］在江西省地下水開發利用紅線管理控制指標的研究成果,贛州市最大地下水可利用量(可開采量)為4.06×108m3,由此可得出贛州市地下水資源的理論最大承載力(fmax)為448.06億元。由圖3可知,近些年,贛州市地下水實際承載的生產總值(GDP)遠小于其地下水理論最大承載的生產總值(GDP),表明在提高各行業用水效率的同時,為加速贛州市經濟發展可適當增加地下水資源的開發利用,且存在一定的提升空間,改變經濟發展模式、合理利用地下水資源能有效解決當前問題,最終達成贛州市社會經濟和地下水資源協調發展。

圖3 贛州市地下水實際與理論承載GDP

3.2 贛州市各年份RQ-RG分析

根據上述地下水資源承載力評價方法,將2010-2020年贛州市的地下水開采程度和地下水支撐的經濟發展程度投影到RG-RQ關系圖上,見圖4。由圖4可知,贛州市2010-2020年的RG-RQ數據點均落在I區域內,表明贛州市地下水資源承載力未超載,而其地下水開采程度與所支撐的經濟發展程度逐年改變。整體上看,贛州市的社會經濟發展不受地下水資源的限制,其依賴程度較低,贛州市未來經濟發展和地下水開發利用的潛力很大。從圖4上還能看到,贛州市的綜合用水效率逐年靠攏最大用水效率值αmax。其中,2020年的數據點落在用水效率αmax線上,表明2020年贛州市綜合用水效率已到最大值,而當年地下水開采程度和地下水資源承載力并未超載。2010-2020年贛州市用水效率雖有逐步提高,但地下水開采程度逐年降低,合理利用并加大開采地下水量,保持當前用水效率,未來贛州市的社會經濟發展規模有較大提升空間。

圖4 贛州市RG-RQ投影圖

3.3 地下水承載力的提高方案

地下水資源承載力的大小與地下水可利用量和綜合用水效率有關,其主要受到氣候、地貌地質條件、水文地質條件、生態環境、開采技術、資源管理、人口、工農業、科技進步等相關因素的制約。因此,應從以下兩個方向探討。

1)增加地下水可利用量。地下水可利用量主要受到水文地質條件、開采技術、生態環境的限制,不同地區各項條件不一,結合贛州市多山區的特點,有以下途徑可增加地下水可利用量:①利用平原地帶的調蓄能力,通過人工雨水調蓄或回灌,將地表水部分轉化為地下水,增加地下水的利用量;②在山區或山前,改進淺層含水層開采技術,增加使用小口徑井開采,增加地下水可利用量;③發展地下水凈化技術,將無法直接使用的地下水,轉化為可利用地下水。優化地下水開采技術,增加開采地下水資源量,是提高贛州市當前問題的有效途經之一。

2)提高用水效率。用水效率與產業結構、經濟技術、節水技術、資源管理等相關,因此不同產業和相關部門應采取不同對策提高用水效率。在農業上,優化農業節水措施,發展新節水技術,如調整灌溉模式;調整種植結構,發展種植低耗水農作物,提高農業用水效率。在工業上,提高用水重復利用率和廢水循環使用率。相關部門出臺的節水政策,優化地下水資源管理方案,加強節水宣傳,提高總體用水效率。

4 結 論

本文收集了2010-2020年贛州市水資源量、地下水、地表水供水量、工農業、其他行業GDP及其用水量數據,分析了贛州市農業、工業、其他行業及綜合用水效率的時間變化特征。運用RG-RQ投影法,研究了2010-2020年贛州市地下水資源承載力,并分析了其變化特征。結論如下:

1)贛州市農業、工業以及其他行業用水效率逐年升高,分別從2010年的10.39、166.9、101.7元/m3增長至2020年的16.78、542.65、319.68元/m3,其中工業用水效率在2019-2020年有快速增長。而綜合用水效率從2010年的44.13元/m3增長至2020年的110.36元/m3,總體呈現上升趨勢,但與北京市、天津市等城市用水效率相差甚遠。

2)2010-2020年贛州市實際地下水資源承載力呈整體上升趨勢,從2010年的82.96億元上升至2020年的144.57億元,期間略有起伏,但遠低于其地下水理論承載的GDP(fmax)448.06億元。2010-2020年地下水資源實際承載力年平均增長率為6%,增長率波動較大,整體呈下降趨勢。根據RG-RQ投影關系圖顯示,2010-2020年數據點均落在I區域內,表明贛州市地下水資源承載力未出現超載現象,贛州市的社會經濟發展不受地下水資源的限制,其依賴程度較低,地下水開采潛力大,未來經濟發展規模有較大空間。

3)提高地下水資源承載力的對策有兩種,即增加地下水可利用量、提高用水效率。因此,應提高各行業的用水效率,從而提高綜合用水效率。同時,由于當前開采程度較低,應合理開采利用地下水量,有效提高贛州市地下水資源實際承載力。