南方地區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選研究
——以廣東省為例

張 蕾,劉曉敏,嚴(yán) 鈺

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)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(jù)2004年全國(guó)水資源公報(bào)[1],南方地區(qū)地下水資源量為3835.59億m3,占全國(guó)地下水資源量的51.6%。與北方地區(qū)相比,我國(guó)南方地區(qū)地下水資源豐富,整體水質(zhì)良好,在供水中處于輔助地位,開發(fā)利用潛力很大,但也存在局部區(qū)域超采現(xiàn)象,且南方地區(qū)地下水調(diào)查研究相對(duì)落后。目前國(guó)內(nèi)對(duì)北方平原區(qū)地下水的研究較為深入,已經(jīng)形成了一套較為完整的體系[2],而南方地下水問題研究?jī)H限于局部地區(qū),嚴(yán)重缺乏相關(guān)的水文地質(zhì)資料,且南方地區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)、功能區(qū)劃等研究也還不完善或者才剛剛起步。因此,加強(qiáng)南方地區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)研究具有一定的必要性。

地下水功能評(píng)價(jià)是近年提出的一種地下水評(píng)價(jià)的新方法[3-4],該方法綜合考慮區(qū)域地下水的資源功能、生態(tài)環(huán)境功能和地質(zhì)環(huán)境功能,進(jìn)行地下水的可持續(xù)性評(píng)價(jià),較其他評(píng)價(jià)方法更能全面地概括地下水各項(xiàng)功能,充分體現(xiàn)地下水的整體最佳效益,為地下水功能區(qū)劃研究提供理論依據(jù)。要完成地下水功能評(píng)價(jià),首先需要解決的一個(gè)問題是確定評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,即采用哪些指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),指標(biāo)選取是否合適決定整個(gè)評(píng)價(jià)工作的成功與否。目前國(guó)內(nèi)外還沒有提出統(tǒng)一的地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,如何建立全面科學(xué)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?如何根據(jù)研究區(qū)的區(qū)域特征篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)?如何檢驗(yàn)指標(biāo)并分析指標(biāo)的合理性?這些問題在評(píng)價(jià)工作已經(jīng)越來越受到研究者的關(guān)注。筆者就地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建、評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選、指標(biāo)的合理性檢驗(yàn)等進(jìn)行了探討。

2 地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

在地下水功能評(píng)價(jià)中,評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取是一項(xiàng)很關(guān)鍵的工作。筆者選取“驅(qū)使力-狀態(tài)-響應(yīng)”模型(DSR模型)構(gòu)建地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)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(guān)系,這是DSR模型的優(yōu)勢(shì),但對(duì)于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo),這種分類方法不可能得到其所希望的因果關(guān)系,即在“驅(qū)動(dòng)力指標(biāo)”和“狀態(tài)指標(biāo)”之間沒有邏輯上的必然聯(lián)系,這是DSR概念模型的缺陷。在應(yīng)用于地下水功能評(píng)價(jià)時(shí),因評(píng)價(jià)內(nèi)容側(cè)重于地下水的資源功能、生態(tài)功能和地質(zhì)環(huán)境功能,無(wú)需將社會(huì)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)重點(diǎn),恰好回避了這一缺陷,而應(yīng)用了該模型的優(yōu)勢(shì)。

運(yùn)用DSR模型建立地下水循環(huán)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)因子群、狀態(tài)因子群和響應(yīng)因子群,其中:“驅(qū)動(dòng)因子”是由表征促使地下水補(bǔ)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(tài)因子”是由表征地下水?dāng)?shù)量和質(zhì)量、儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)變量特征的因子群組成,包括地下水位、儲(chǔ)存量、可利用資源量等;“響應(yīng)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(dǎo)因子與地下水功能之間的關(guān)系,確定地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。在總結(jié)國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果的基礎(chǔ)上,根據(jù)指標(biāo)的屬性進(jìn)行歸類,建立的地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見表1。

3 廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.1 地下水問題

廣東省位于我國(guó)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?jī)H達(dá)全國(guó)平均水平,加上水資源的時(shí)空分布不均勻,局部地區(qū)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(fā)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境也產(chǎn)生較大影響,湛江紅樹林自然保護(hù)區(qū)2005年地下水開采量為777萬(wàn)m3,地下水水質(zhì)較差,局部礦化度、鐵離子超標(biāo),生態(tài)功能逐步退化;同時(shí),廣東省因開發(fā)利用地下水誘發(fā)的地面塌陷及地裂縫、房裂等災(zāi)害也較多,主要發(fā)生在覆蓋巖溶區(qū),硇洲島部分區(qū)域淺層井水質(zhì)不同程度咸化。

表1 地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[5]

3.2 指標(biāo)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(píng)價(jià)指標(biāo)體系不是針對(duì)某個(gè)地區(qū)或區(qū)域提出的,而是全面考慮地下水功能可能的影響因素和“驅(qū)動(dòng)-狀態(tài)-響應(yīng)”因子構(gòu)建的,包含的指標(biāo)種類多、數(shù)目大,指標(biāo)間信息可能重疊,如果不加選擇地把所有指標(biāo)都應(yīng)用于地下水功能評(píng)價(jià),指標(biāo)集會(huì)龐大繁雜,不僅加大工作量和分析計(jì)算的難度,而且還可能會(huì)沖淡地下水功能主導(dǎo)因素的作用,給評(píng)價(jià)工作帶來誤差。因此,必須根據(jù)廣東省的水文地質(zhì)條件、地下水生態(tài)環(huán)境狀況和地質(zhì)環(huán)境狀況,采取一定的評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選方法進(jìn)行指標(biāo)篩選,得到具有廣東省特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

3.2.2 篩選方法

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選提出了一些方法,主要集中在統(tǒng)計(jì)和數(shù)學(xué)方法上。常見的方法包括灰色關(guān)聯(lián)度法、主成分分析法、區(qū)分度分析法、理論分析法、層次分析法、頻度統(tǒng)計(jì)法、專家咨詢法等。廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)資料少,難以找出統(tǒng)計(jì)規(guī)律,無(wú)法判定樣本數(shù)據(jù)服從的概率分布,因此采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法難以實(shí)現(xiàn)指標(biāo)的定量分析?；疑P(guān)聯(lián)分析方法從某種程度上彌補(bǔ)了這種缺憾,它對(duì)樣本量的多少和樣本有無(wú)規(guī)律都同樣適用,而且計(jì)算量小,應(yīng)用方便。本文選擇理論分析法和專家咨詢法進(jìn)行廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)的第1次篩選,選擇灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)的第2次篩選。

3.2.3 篩選程序

地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選分為定性、定量篩選兩步,具體指標(biāo)篩選程序見圖1。

圖1 評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選程序

3.3 具體指標(biāo)篩選

3.3.1 理論分析法與專家咨詢法篩選指標(biāo)

理論分析法是對(duì)廣東省地下水的分布規(guī)律、水質(zhì)、功能現(xiàn)狀、開發(fā)利用狀況、地下水開采誘發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題和地質(zhì)災(zāi)害等進(jìn)行分析,選擇符合廣東省地下水功能特性的重要指標(biāo);專家咨詢法是在理論分析法初步篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)的同時(shí),征詢有關(guān)專家的意見,對(duì)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整。

廣東省地表水資源豐富,地下水主要接受區(qū)內(nèi)的降雨入滲補(bǔ)給,基本上沒有人為的域外調(diào)水,剔除“區(qū)外補(bǔ)給資源占有率”這項(xiàng)指標(biāo);廣東省湖泊主要靠大氣降水和地表徑流補(bǔ)給,地下水補(bǔ)給量很小,土地質(zhì)量與地下水的關(guān)聯(lián)性較小,結(jié)合專家咨詢結(jié)果,忽略“湖泊環(huán)境與地下水關(guān)聯(lián)度”和“土地質(zhì)量與地下水關(guān)聯(lián)度”這2項(xiàng)指標(biāo),此外,廣東省土地沙化現(xiàn)象很少,剔除“土地沙化與地下水關(guān)聯(lián)度”,考慮到“草場(chǎng)變化與地下水關(guān)聯(lián)度”與“天植變化與地下水關(guān)聯(lián)度”2項(xiàng)指標(biāo)均描述植被狀況與同期地下水位變化之間的關(guān)聯(lián)性,遵循主導(dǎo)性與簡(jiǎn)明性的指標(biāo)篩選原則,忽略前一項(xiàng)指標(biāo);“累計(jì)開采量與彈性釋水系數(shù)”與“水位埋深與彈性釋水系數(shù)”2項(xiàng)指標(biāo)均描述了地下水功能與承壓水的關(guān)聯(lián)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(yuǎn)海排泄,且開采深層承壓水對(duì)淺層地下水影響不大,忽略這2項(xiàng)指標(biāo);同時(shí),“年均沉降量與年均開采量”、“累計(jì)沉降量與同期水位降幅”、“地面沉降與地下水關(guān)聯(lián)度”這3項(xiàng)指標(biāo)均考慮地面沉降與地下水位變化的關(guān)系,存在信息的重疊,因此剔除前2項(xiàng)指標(biāo)。運(yùn)用理論分析法和專家咨詢法共篩選出了25項(xiàng)指標(biāo),被忽略的指標(biāo)共9項(xiàng),包括:區(qū)外補(bǔ)給資源占有率、湖泊環(huán)境與地下水關(guān)聯(lián)度、草場(chǎng)變化與地下水關(guān)聯(lián)度、土地沙化與地下水關(guān)聯(lián)度、土地質(zhì)量與地下水關(guān)聯(lián)度、累計(jì)開采量與彈性釋水系數(shù)、水位埋深與彈性釋水系數(shù)、年均沉降量與年均開采量、累計(jì)沉降量與同期水位降幅。

3.3.2 灰色關(guān)聯(lián)度模型篩選指標(biāo)步驟

運(yùn)用理論分析法和專家咨詢法定性篩選的評(píng)價(jià)指標(biāo)仍然龐大、繁雜,研究中進(jìn)一步從定量角度采用灰色關(guān)聯(lián)度模型篩選優(yōu)勢(shì)指標(biāo)[6-7],從上述25個(gè)指標(biāo)中篩選出主要因素和次要因素并確定因素間的關(guān)系。根據(jù)廣東省地下水資源的補(bǔ)給、恢復(fù)和利用等特點(diǎn),對(duì)生態(tài)功能層和地質(zhì)環(huán)境功能層的指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)指標(biāo)的篩選。

a.對(duì)數(shù)列 X進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析。選取湛江、深圳、汕頭3個(gè)行政區(qū)作為比較點(diǎn),根據(jù)2005年廣東省各行政分區(qū)水資源開發(fā)利用程度統(tǒng)計(jì)結(jié)果,這3個(gè)市的地下水開發(fā)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(shù)列

表2 各地區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)值

表3 矩陣R的各行均值

以數(shù)列X1為參考數(shù)列,根據(jù)式(1)對(duì)表2進(jìn)行計(jì)算,得到絕對(duì)差數(shù)列:

式中:i為參考數(shù)列;j為比較數(shù)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(biāo)數(shù)據(jù)值;Xj(K)為第K行第j列的指標(biāo)數(shù)據(jù)值;Δij(K)為第K行第j列的指標(biāo)數(shù)據(jù)值與第K行第i列的指標(biāo)數(shù)據(jù)值之差的絕對(duì)值。

其中

得到絕對(duì)差數(shù)列的 Δmax和 Δmin后,根據(jù)式(2)計(jì)算關(guān)聯(lián)系數(shù),ρ一般取0.5。

計(jì)算比較數(shù)列Xj對(duì)參考數(shù)列Xi的關(guān)聯(lián)度

按照上述步驟計(jì)算,依次改變母序列,求出所有兩兩數(shù)列的關(guān)聯(lián)度;并將兩兩數(shù)列的關(guān)聯(lián)度值寫成關(guān)聯(lián)度矩陣的形式,得到關(guān)聯(lián)度矩陣R。

b.分析關(guān)聯(lián)矩陣行。以第1列(景變指數(shù)與地下水關(guān)聯(lián)度)為例,按表2中的關(guān)聯(lián)度大小排序,得到關(guān)聯(lián)序[r17,r110,r16,r12,r18,r13,r19,r14,r15],即對(duì)X1影響最大的是X7,地下水質(zhì)量影響水景觀是顯然的,其他指標(biāo)與 X1的關(guān)聯(lián)次序?yàn)?X7、X10、X6、X2、X8、X3、X9、X4、X5,其余各行的關(guān)聯(lián)序采用相同方法計(jì)算和分析。

d.評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選。基于上述分析,X4、X2、X9、X6、X3為優(yōu)勢(shì)指標(biāo),對(duì)廣東省地下水功能的影響作用較強(qiáng) ;X1、X7、X10、X8、X5為非優(yōu)勢(shì)指標(biāo),對(duì)廣東省地下水功能的影響作用較弱,由此忽略這5個(gè)指標(biāo)。將生態(tài)功能層、地質(zhì)環(huán)境功能層的優(yōu)勢(shì)指標(biāo)和資源功能層的指標(biāo)進(jìn)行組合,得到廣東省地下水功能評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系,見表4。

4 指標(biāo)合理性分析

4.1 廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)定性分析

由于廣東省地下水方面的統(tǒng)計(jì)資料有限,而且現(xiàn)有數(shù)據(jù)灰度較大,因此采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行指標(biāo)合理性分析比較困難,只能對(duì)指標(biāo)體系作定性的合理性分析:圖1表明了地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建程序,以表1中評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為基礎(chǔ),首先,根據(jù)廣東省地下水的分布狀況、分布規(guī)律、功能狀況、開發(fā)利用狀況等,結(jié)合數(shù)據(jù)資料情況,采用理論分析與專家咨詢相結(jié)合的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)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(biāo);其次,采用灰色關(guān)聯(lián)度模型進(jìn)一步篩選優(yōu)勢(shì)指標(biāo);最后,得到廣東省的地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。以表4中廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系為依據(jù),進(jìn)行廣東省地下水功能評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果基本與廣東省實(shí)際情況吻合,說明本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選方法和廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的科學(xué)性、合理性。

表4 廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4.2 與北方地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)差異性分析

張光輝等[5]根據(jù)華北平原水文地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境條件,建立了華北平原地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,見表5。本文提出的廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表4),與華北平原地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系(表5)對(duì)比,可以看出:華北平原地區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不僅考慮了區(qū)外資源補(bǔ)給,還考慮了土地沙化與地下水的關(guān)聯(lián)性和地下水補(bǔ)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(píng)價(jià)指標(biāo)篩選分析可知,南方地區(qū)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(biāo)在廣東省地下水功能評(píng)價(jià)中均被忽略;南方地區(qū)河流湖泊等地表水體主要靠大氣降水和地表徑流補(bǔ)給,地下水補(bǔ)給量很小,湖泊環(huán)境受地下水的影響也比較小,因此“湖沼環(huán)境與地下水關(guān)聯(lián)度”等指標(biāo)在南方地區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)中被忽略,而在北方地區(qū)被重視;廣東省南臨南海,沿海岸線曲折,長(zhǎng)達(dá)3368.1km,居全國(guó)海岸線長(zhǎng)度第1位,因此,“海水入侵與地下水水位的關(guān)聯(lián)性”指標(biāo)在廣東省地下水功能評(píng)價(jià)中被著重考慮。由此可知,表4提出的廣東省地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與華北平原地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系差異較大。

表5 華北平原地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[8]

除有關(guān)地下水共性指標(biāo)外,不同地區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立還要根據(jù)各地區(qū)的水文地質(zhì)、地下水開采利用、生態(tài)環(huán)境和地質(zhì)環(huán)境條件選取反映區(qū)域特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

5 結(jié) 語(yǔ)

a.根據(jù)研究區(qū)的水文地質(zhì)條件、地下水生態(tài)環(huán)境狀況和地質(zhì)環(huán)境狀況,選擇理論分析法和專家咨詢法進(jìn)行地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)的第1次篩選,選擇灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行研究區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)的第2次篩選,從地下水功能評(píng)價(jià)體系的34個(gè)指標(biāo)中篩選出19個(gè)主導(dǎo)性的優(yōu)勢(shì)指標(biāo),評(píng)價(jià)結(jié)果基本與廣東省實(shí)際情況吻合,說明研究區(qū)篩選的評(píng)價(jià)指標(biāo)具有一定的科學(xué)性、合理性。

b.通過與“華北平原地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系”對(duì)比,可以看出,華北平原地區(qū)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系不僅考慮了區(qū)外資源補(bǔ)給、湖泊環(huán)境受地下水的影響,還考慮了土地沙化、地下水補(bǔ)給變率與水位的關(guān)系,這些指標(biāo)在廣東省地下水功能評(píng)價(jià)中均被忽略,而海水入侵則被著重考慮。兩地指標(biāo)體系差異較大,除有關(guān)地下水共性指標(biāo)外,不同地區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立還要根據(jù)各地區(qū)的水文地質(zhì)情況選取反映區(qū)域特征的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

c.地下水系統(tǒng)的復(fù)雜性、隱蔽性給全面認(rèn)識(shí)地下水系統(tǒng)特征帶來困難,需要進(jìn)一步對(duì)地下水功能的表征屬性和影響因子進(jìn)行分析,建立實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)資料監(jiān)測(cè)體系,進(jìn)一步完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,實(shí)現(xiàn)地下水功能的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。

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