汾河流域盆地地下水動態及其與社會經濟耦合協調性研究

關鍵詞：地下水動態；社會經濟；耦合協調度模型；灰色關聯分析；太原盆地；臨汾盆地；汾河流域

汾河流域地處黃土高原東部，流域內從北到南依次分布有太原、臨汾兩大地塹型斷陷盆地（下文簡稱兩大盆地），兩大盆地內分布有省會太原、臨汾等重要城市，存在大量工農業活動，是山西省黃河流域生態保護和高質量發展的重要區域。長期以來水資源以支持區域經濟發展為主要社會價值而存在，兩大盆地受自然資源稟賦條件的局限，地表水資源缺乏，各類生產生活用水依賴地下水，導致盆地內地下水位不斷下降，地下水超采現象嚴重。目前針對兩大盆地地下水動態變化及影響因素已有諸多研究，例如：王宏認為太原盆地內淺層、中深層地下水在20世紀90年代后急劇下降的主要因素是人工開采：郝振純等分析2006-2010年山西省主要盆地地下水動態，得出兩大盆地地下水位呈下降趨勢：林若靜等研究了臨汾盆地地下水埋深變化和控制因素，認為2007-2018年地下水位呈下降趨勢，地下水埋深對蒸發量敏感，人口數量對其貢獻率較高。

2000年之后，山西省各地實施地下水超采治理措施，兩大盆地地下水位止降回升，地下水治理取得了一定成效。然而，在地下水開采對象已經轉變為承壓水的現狀下，相關研究多側重于考慮自然及與水資源利用相關的人類活動對地下水的影響。在我國經濟逐步由高速發展向高質量發展轉變的背景下，水資源的社會價值在當前乃至未來較長時間內體現為支持環境可持續發展，其與社會經濟、環境等系統的耦合發展成為研究熱點。地下水作為北方地區重要的基礎資源，在當前乃至未來較長時間內依然是主要的供水水源，在社會經濟的可持續發展中起著重要作用，而目前對于二者之間的相關性和耦合協調發展研究較少。鑒于此，本文以汾河流域兩大盆地承壓地下水為研究對象，分析地下水在開發利用、保護治理及社會經濟發展等綜合因素下的動態變化，并探索其影響因素及與社會經濟之間的協調性，以期為汾河流域水資源高效利用和節約保護提供參考。

1研究區概況

汾河流域兩大盆地均呈東北一西南向分布，其中：太原盆地位于汾河中上游，平均高程819.0m，面積6195km2，占汾河流域面積的15.70%，多年平均降水量為500mm，盆地內第四系松散巖類孔隙水埋深0～500m，分為4個含水巖組，其中50～200m為第二含水巖組，為太原盆地主要承壓水開采層，含水介質為砂卵石和中、粗、細粉沙；臨汾盆地位于汾河中下游，平均高程530.0m，面積6338km2．占汾河流域面積的16.06%，多年平均降水量為493mm，盆地內第四系松散巖類孔隙水埋深0～400m，分為3個含水巖組，其中60～200m為第二含水巖組，是臨汾盆地主要承壓水開采層，含水介質為砂礫石和中細沙。本文研究對象以承壓井為主，部分水井為混合井，其中：太原盆地65眼、臨汾盆地50眼。兩大盆地和監測井分布情況見圖1。

2數據來源與研究方法

2.1數據來源

本文采用的各監測井地下水埋深、井口地面高程數據來源于山西省水文水資源勘測總站，地下水位由井口地面高程減去地下水埋深得到；降水量、地下水用水量、每公頃農田灌溉用水量、萬元GDP用水量來源于2010-2019年各地級市水資源公報及山西省水資源公報；灌溉機井數量、農作物播種面積、常住人口及經濟等數據來源于2011-2020年《山西統計年鑒》。

2.2研究方法

1）采用ArcGIS 10.2反距離空間插值方法，繪制地下水位年均變化速率分布圖，并根據水位年均變化速率劃分地下水動態類型：快速下降型（≤-0.5m/a）、緩慢下降型（-0.5-0.1m/a）、基本穩定型（-0.1～0.1m/a）、緩慢上升型（0.1～0.5m/a）和快速上升型（≥0.5m/a）。

2）運用Kendall、Spearman相關性分析法，分析各影響指標與地下水埋深的相關性。應用灰色關聯分析法，定量計算各影響指標對地下水埋深的影響程度。以地下水年均埋深為母序列，以影響指標為子序列x，在k時刻的關聯系數公式為

3）采用耦合協調度模型，分析2010-2019年兩大盆地地下水與社會經濟的耦合協調發展水平。計算公式為

參考王富強等[的研究，將耦合協調發展情況分為失調（0，0.4]、勉強耦合協調（0.4，0.6]、中級耦合協調（0.6，0.8]、良好耦合協調（0.8，1.0]4個階段。

3結果與分析

3.1地下水埋深

3.1.1年均變化趨勢

對2010-2019年兩大盆地地下水年均埋深進行統計并繪制變化趨勢（見圖2）。由圖2可知，臨汾盆地地下水平均埋深（58.35m）大于太原盆地的（31.07m）。兩大盆地地下水埋深隨時間推移呈波動減小趨勢，其中：太原盆地地下水埋深由2010年的35.18m減小為2019年的29.34m，減小速率為0.65m/a;臨汾盆地地下水埋深由2010年的58.99m減小為2019年的57.84m，減小速率為0.13m/a。2010-2019年兩大盆地年均地下水位呈上升趨勢。地下水埋深變異系數（0.54～0.70）較大，說明不同監測井地下水埋深差異較大。

3.1.2空間分布特征

兩大盆地地下水位年均變化速率等值線和動態類型見圖3?？梢钥闯?，兩大盆地地下水位上升范圍大于下降范圍。太原盆地65眼監測井中有47眼監測井水位上升，上升最大的為清徐縣平泉監測井，上升速率為5.34m/a;18眼監測井地下水位下降，下降最大的為榆次區東陽監測井，下降速率為1.5m/a。太原盆地地下水位從西北快速上升區過渡到東南快速下降區，快速上升區和緩慢上升區主要分布在北部及西部地區，面積分別為2457.4、1949.6km2，合計占盆地面積的71.1%：緩慢下降區和快速下降區主要分布在盆地東部及南部局部地區，面積分別為917.2、174.1km2，合計占盆地面積的17.6%。臨汾盆地50眼監測井中有25眼監測井水位上升，上升幅度最大的為堯都區高河店監測井，上升速率為2.08m/a;25眼地下水位下降，下降幅度最大的為河津市劉村監測井，下降速率為1.58m/a。臨汾盆地地下水位快速上升區和緩慢上升區分布于東北部的洪洞縣、曲沃縣和中部的新絳縣、侯馬市，面積分別為693.1、2484.5km2，合計占盆地面積的50.1%：緩慢下降區和快速下降區分布于盆地西南部的稷山、萬榮、河津等縣（市），面積分別為497.8、1333.9km2，合計占盆地面積的28.9%。

以上結果反映了近年來通過調整用水結構、節水控水、關井壓采、劃定禁采區等多項措施，兩大盆地地下水位下降趨勢得到一定程度的遏制，地下水位穩步回升。在調整供水結構方面，山西省從2011年開始建設大水網，隨著各地配套工程的建成和投入使用，地下水供水比例不斷下降，太原盆地、臨汾盆地內各地市地下水供水比例由2011年的61.73%、48.14%分別降低到2019年的33.96%、29.38%：在節水控水方面，太原盆地、臨汾盆地通過制定地下水年度取水計劃，實行地下水剛性約束管控制度，萬元GDP用水量從2011年的56.7、112.0m3分別降低到2019年的37.0、80.5m3，每公頃農田灌溉用水量從2011年的3553、3163m3分別降低到2019年的2789、3133m3；地下水治理方面，自2003年起有關部門制訂兩大盆地關井計劃減少地下水開采，尤其自2018年以來各超采區通過科學配置水資源，充分利用各類地表水，實施水源置換工程，進一步促進了關井壓采。

雖然總體上兩大盆地地下水位呈上升趨勢，但上升區域主要位于太原市區及臨汾堯都區、侯馬市等供水管網建設進程較快、有條件實施水源置換工程的地區，而工農業活動同等普遍的區域如太原盆地太谷縣、孝義市、介休市以及臨汾盆地下游的河津市、萬榮縣等地區地下水位仍然呈下降趨勢。由于所選擇的監測井類型及位置不同，因此即使同一區域也可能出現研究結果相反的情況，如本次得到臨汾盆地承壓地下水位呈上升趨勢，而林若靜等選擇不同的監測井得出臨汾盆地地下水位在2010-2018年呈下降趨勢。上述情況說明，即使當前地下水治理成效顯著，但不同區域、不同類型的地下水動態變化仍然存在差異，未來山西省各地在地下水治理方面依然需要持續強化。

3.2影響因素分析

選擇自然因素以及與經濟社會發展相關的13個指標作為影響因素進行相關性分析。鑒于本次所選擇的大部分監測井地下水埋深較大，故忽略蒸發影響，自然因素選擇降水量指標：人類活動因素選擇與地下水利用直接相關的指標（地下水用水量、灌溉機井數量、糧食作物播種面積、蔬菜播種面積、瓜果播種面積、每公頃農田灌溉用水量、萬元GDP用水量）和人口經濟指標（常住人口、地區生產總值、第一產業產值、第二產業產值、人均地區生產總值）兩大類。

由Kendall、Spearman相關性分析結果（見表1）可知，兩大盆地地下水埋深與各指標的相關性雖然存在一定的差異，但總體保持一致，如與降水量、灌溉機井數量的相關系數均較小，同地下水用水量、糧食作物播種面積．蔬菜播種面積、瓜果播種面積、每公頃農田灌溉用水量、萬元GDP用水量成正相關關系，同人口、經濟指標成負相關關系。

由灰色關聯分析結果（見表2）可知，兩大盆地各影響指標與地下水埋深的關聯度均在0.750及以上，其中：糧食作物播種面積在兩大盆地的關聯度排名均為第一，每公頃農田灌溉用水量排名分別為第二和第三，地下水用水量排名均在前五，瓜果播種面積排名最后。降水量、灌溉機井數量與地下水埋深關聯度也較大，太原盆地關聯度分別為0.893和0.944．臨汾盆地分別為0.833和0.849，說明二者對承壓地下水動態有一定影響。

由表2可知，自然因素、人類活動對盆地內承壓地下水埋深動態均可產生影響，其中：糧食作物播種面積、每公頃農田灌溉用水量和地下水用水量對地下水埋深影響較大。1985-2000年太原盆地用于農業灌溉的地下水量占盆地地下水總開采量的58.3%，2016年臨汾盆地農業灌溉地下水用水量占盆地地下水開采量的65.6%。2010-2019年太原盆地、臨汾盆地播種面積分別占其盆地面積的40%、70%左右，加上農業用水效率偏低，2010-2019年全省農田灌溉水有效利用系數為0.500～0.546，與周邊省份存在一定差距（2019年河北為0.674、河南為0.615、陜西為0.577），兩大盆地在農業灌溉方面對地下水的依賴依然較大。太原盆地、臨汾盆地地下水用水量與地下水埋深的關聯度分別為0.925和0.910。在Kendall、Spearman相關分析結果中，太原盆地的地下水用水量與地下水埋深的相關系數僅次于糧食作物播種面積與地下水埋深的：臨汾盆地二者的相關性雖然不顯著，但是仍表現出一定的正相關性。太原盆地、臨汾盆地灌溉機井（包括潛水井和承壓水井）數量與地下水埋深的關聯度分別為0.944、0.849，隨著盆地內地下水開采深度不斷增大，目前農業灌溉以承壓水為主，因此灌溉機井數量對承壓地下水動態也產生影響。隨著近年來各地不斷推進水資源節約集約利用，地下水使用比例逐漸減小，2010-2019年太原盆地、臨汾盆地萬元GDP用水量分別下降46.9%和33.3%．水資源利用效率的提升對地下水位提升起到重要作用。上述情況說明，調整農業種植結構、控制地下水用水量、提高用水效率可有效減小地下水埋深。

人口和經濟指標與地下水埋深雖然關聯度較大，但多成負相關關系。隨著人口和經濟增長，地下水埋深減小、地下水位上升，主要原因是隨著生態文明建設不斷推進，兩大盆地內各地通過產業結構優化升級、淘汰落后產能等方式限制高耗水行業發展，推動各行業節水技術推廣與應用；同時，各地出臺越來越嚴格的地下水管控措施和保護政策，如規范地下水取水許可、水權制度改革、完善地下水監測體系、將地下水治理納入考核目標等，成為各地開展地下水保護工作的依據以及遏制水位下降的有力措施。

降水量以直接或間接的方式影響承壓地下水的補給或排泄。降水量同地下水埋深表現出一定的負相關關系，如兩大盆地降水偏少的2010年、2015年、2019年地下水埋深較大，降水偏豐的2011年、2013年、2017年地下水埋深較小，原因是選取的承壓水井以第二含水層為主，同潛水層存在一定的水力聯系，且部分監測井為混合井，降水可通過影響潛水動態來間接影響承壓地下水，并且通過影響人類開采活動對地下水動態產生影響。

3.3耦合協調性分析

從圖4可以看出：太原盆地、臨汾盆地2010-2019年社會經濟綜合指數、地下水評價指數及二者的耦合協調度均呈波動上升趨勢：社會經濟綜合指數均在2019年達到最大值，地下水評價指數分別在2018年和2017年達到最大值，二者的耦合協調發展情況均從2010年的失調衰退階段上升為2019年的良好耦合協調階段，且均在2018年達到最大值。兩大盆地在2013年以前耦合協調水平較低，其中2010年最低，原因是2010年兩大盆地地下水埋深均較大，且社會經濟綜合指數較?。?013-2015年均為中級耦合協調階段，2016年一2019年為良好耦合協調階段，說明隨著地下水治理措施的實施，地下水利用與社會經濟逐步實現了協調發展。

臨汾盆地社會經濟綜合指數與地下水評價指數之間的耦合協調度在2012年明顯下降，原因是該年降水量偏少、地下水取水量為2010-2019年第二大值，導致該年地下水平均埋深最大（59.48m），表明地下水變化對耦合協調度影響較大，在降水量減少和地下水取水量增大情況下容易出現地下水同社會經濟發展耦合協調度降低的情況。建議各地因地制宜采取針對性措施有效治理地下水位下降問題，通過實施水源置換工程、調整產業結構、設備升級改造等促進工業節水；推廣農業節水灌溉技術，推進農業水價改革，提高農業水資源利用效率，促進地下水利用與社會經濟良好協調發展。

4結論

1） 2010-2019年太原盆地、臨汾盆地孔隙承壓地下水埋深總體呈波動減小趨勢（2019年比2010年分別減小5.84、1.15m），年均地下水位呈波動上升趨勢。地下水位上升區域面積大于下降區域面積，其中：太原盆地地下水位上升區主要位于盆地北部及西部地區（占盆地面積的71.1%），下降區位于盆地東部及南部；臨汾盆地地下水位上升區主要位于盆地東北部和中部（占盆地面積的50.1%），下降區位于西南部區域。

2）地下水動態受氣候和人類活動等多重因素共同作用的影響。其中：糧食作物播種面積、每公頃農田灌溉用水量、地下水用水量對地下水埋深的影響最大，灌溉機井數量、萬元GDP用水量與地下水埋深的關聯度也較大，表明調整農業種植結構、提高用水效率可有效促進地下水位的回升；降水量、人口、經濟各指標與地下水埋深成負相關關系。

3） 2010-2019年兩大盆地地下水資源與社會經濟之間的耦合協調水平呈向好發展趨勢，其中：2013年以前為耦合失調階段，2013-2015年轉變為中級耦合協調，2016-2019年實現良好協調。說明隨著地下水治理措施的實施，地下水利用與社會經濟逐步實現了協調發展。

本文在分析汾河流域兩大盆地地下水埋深動態變化的基礎上，初步探索了地下水與社會經濟的耦合協調發展情況。受收集資料的局限，所采用的數據系列較短，下一步應當根據長序列數據，在地下水系統評價指標的選擇上綜合考慮水量、水位及地下水用水量占比等因素，經濟社會方面選取反映經濟潛力和活力等指標，以全面反映地下水與社會經濟的耦合協調發展趨勢和內在規律。