紅層區(qū)找水打井工程的地下水資源可持續(xù)利用影響評(píng)價(jià)

成六三，朱朝霞，張茂超

(重慶工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 402260)

0 引言

地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)是地下水水資源管理的核心內(nèi)容，是制定或調(diào)控地下水資源可持續(xù)利用政策的重要依據(jù)[1].當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究主要集中在建立可持續(xù)利用評(píng)價(jià)體系指標(biāo)上[2]，評(píng)價(jià)方法主要有層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等[3].這些評(píng)價(jià)體系指標(biāo)建立過(guò)程都是對(duì)地下水資源進(jìn)行了功能性劃分，指標(biāo)選取主要著重于地下水資源資源功能和環(huán)境功能方面，如DPSIR、DRASTIC等.但實(shí)際上從以往國(guó)內(nèi)外開(kāi)采利用地下水過(guò)程中分析，社會(huì)因素的影響往往比自然因素影響還要大[4]，因此融入社會(huì)因素也是地下水可持續(xù)利用的問(wèn)題之一.而紅層區(qū)找水打井工程是一項(xiàng)特殊的取水工程，是由政府、農(nóng)戶和技術(shù)人員共同來(lái)完成的[5]，特別在成井后期運(yùn)行過(guò)程中，農(nóng)戶的行為將對(duì)地下水資源的可持續(xù)利用起到?jīng)Q定性的作用[6-7].當(dāng)前關(guān)于這項(xiàng)民生工程的可持續(xù)研究都集中在地下水資源賦存能力大小方面[8]，缺乏農(nóng)戶對(duì)地下水資源開(kāi)采過(guò)程中的社會(huì)因素考慮，評(píng)價(jià)的結(jié)果不全面、不系統(tǒng).因此建立區(qū)域社會(huì)和生態(tài)綜合的可持續(xù)利用評(píng)價(jià)體系是對(duì)當(dāng)前地下水資源可持續(xù)利用評(píng)價(jià)的延伸.

1 工程的可持續(xù)利用影響評(píng)價(jià)

1.1 工程對(duì)社會(huì)方面的影響

工程對(duì)社會(huì)方面的影響主要參考Bossel可持續(xù)發(fā)展基本定向指標(biāo)框架[9]，Bossel的可持續(xù)理論模型最初應(yīng)用在產(chǎn)品對(duì)客戶影響評(píng)價(jià)的方面，后期被廣泛地應(yīng)用于城市復(fù)雜的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和自然對(duì)水資源可持續(xù)利用的影響[10].Bossel理論模型中產(chǎn)品或某一資源的外界環(huán)境狀態(tài)主要由資源稀缺性、多樣性、可變性、塑造性和其他自律性6個(gè)基本的環(huán)境特征決定，這些特征被一套具有社會(huì)屬性的指標(biāo)來(lái)對(duì)應(yīng)衡量.具體評(píng)價(jià)指標(biāo)分別為生存、效率、選擇、安全、適應(yīng)、共存以及心理滿足感.評(píng)價(jià)的方法讓顧客或使用者對(duì)產(chǎn)品有所了解，選擇每個(gè)指標(biāo)設(shè)計(jì)的0～10數(shù)字區(qū)域，數(shù)字越大表明產(chǎn)品越好.通過(guò)對(duì)顧客或使用者的調(diào)查數(shù)據(jù)平均數(shù)統(tǒng)計(jì)，將評(píng)價(jià)結(jié)果等級(jí)劃分為四個(gè)層次：0～1、1～2、2～3、3～4，分別表示不可接受、接受、良好、優(yōu)秀.而本研究依據(jù)紅層丘陵區(qū)分散農(nóng)戶的教育水平較低，難以在設(shè)計(jì)的0～10數(shù)字區(qū)域內(nèi)客觀地選擇工程在自己心中位置大小問(wèn)題，采取了對(duì)Bossel理論模型指標(biāo)的轉(zhuǎn)換，即用詢(xún)問(wèn)問(wèn)題回答“是”或“否”的頻率來(lái)對(duì)應(yīng)相應(yīng)Bossel理論模型評(píng)價(jià)指標(biāo)的某個(gè)數(shù)字取值，如表1所示.

表1 調(diào)查問(wèn)卷與評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)

與此同時(shí)，引入模糊數(shù)學(xué)隸屬度協(xié)調(diào)系數(shù)[11]，其計(jì)算見(jiàn)公式(1)，用計(jì)算結(jié)果來(lái)劃分工程對(duì)社會(huì)的影響等級(jí)，如表2所示.

U=exp[-k(x-x′)2].

(1)

式(1)中，U表示狀態(tài)協(xié)度；x為實(shí)測(cè)數(shù)值；x′為系統(tǒng)的協(xié)調(diào)值，k=2/S，S2為方差.系統(tǒng)計(jì)算值與協(xié)調(diào)性值離差越大，狀態(tài)協(xié)調(diào)度越小，說(shuō)明協(xié)調(diào)發(fā)展程度越低.協(xié)調(diào)度分析如表2所示.

表2 協(xié)調(diào)度分析表

1.2 工程對(duì)地下水資源影響

紅層區(qū)找水打井工程成井的機(jī)井含水層地下水絕大部分屬于裂隙-孔隙水類(lèi)型，其地下水資源資源功能為主體功能，地質(zhì)環(huán)境功能較弱.另因單戶機(jī)井含水層地下水系統(tǒng)一般不具有區(qū)域水動(dòng)力聯(lián)系，以降雨補(bǔ)給為主等特征，其可持續(xù)利用主要限制在水量和水質(zhì)方面.

1.2.1 水質(zhì)方面

本研究欲引入較為通用的USEPA的DRASTIC地下水脆弱性評(píng)價(jià)模型的指標(biāo)體系[12]，但對(duì)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行改進(jìn)，即不是靜態(tài)地給評(píng)價(jià)指標(biāo)賦值，而是動(dòng)態(tài)地給指標(biāo)賦值，通過(guò)調(diào)查對(duì)比成井前后評(píng)價(jià)指標(biāo)變化的比例來(lái)代替指標(biāo)評(píng)價(jià)分值，其因子權(quán)重不變，如表3所示.計(jì)算DRASTIC的加權(quán)指數(shù)以及等級(jí)劃分[12].

DRASTIC指數(shù)=5D+4R+3A+2S+T+5I+3C.

表3 DRASTIC指標(biāo)體系

續(xù)表3

表4 DRASTIC指數(shù)等級(jí)劃分表

1.2.2 水量方面

在機(jī)井含水層影響半徑R范圍內(nèi) ，含水層厚度M內(nèi)，以5年為一個(gè)水文年，分析機(jī)井含水層的儲(chǔ)存量及儲(chǔ)存調(diào)節(jié)功能，依據(jù)雨季補(bǔ)給旱季，豐年補(bǔ)給枯年的原則，保證穩(wěn)定地提供飲水供水. 其調(diào)節(jié)功能見(jiàn)公式(2)所示[13].

Q≦Qe/t+Qk.

(2)

(2)式中，Q：供水量，單位m3/d；Qe:有效儲(chǔ)量為可供旱季調(diào)節(jié)的一部分靜水儲(chǔ)量，是存在于含水層的最枯地下水位面之下到經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平與地質(zhì)環(huán)境安全允許的最低水位埋藏深度之間的儲(chǔ)水量，單位m3;Qk:枯季需要調(diào)節(jié)時(shí)段的平均天然徑流量，單位m3/d；t:枯季需要調(diào)節(jié)的時(shí)段，單位d.

機(jī)井含水層滿足下列條件時(shí)，即可為水量的可持續(xù)性利用.①供水量≦保證率的天然補(bǔ)給量；②機(jī)井地下水位≦機(jī)井含水層地質(zhì)環(huán)境要求最低的地下水位;③機(jī)井地下水位≦經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平能夠承受的最大水位.

但由于多數(shù)機(jī)井含水層水循環(huán)過(guò)程參與區(qū)域水循環(huán)較弱，地下水含水層地質(zhì)環(huán)境功能相對(duì)較弱，難以出現(xiàn)因地下水位下降導(dǎo)致的地面沉降、塌陷或不良水體入侵污染等問(wèn)題.另一方面，農(nóng)戶開(kāi)采地下水資源是自由行為，不受供水價(jià)格的影響.所以限制機(jī)井含水層可持續(xù)利用的條件是供水量≦保證率下天然補(bǔ)給量，但事實(shí)上，農(nóng)戶可允許的開(kāi)采量并不是按(2)式估算水量來(lái)進(jìn)行的，也就說(shuō)有部分機(jī)井開(kāi)采量包括儲(chǔ)水量和天然徑流量，其實(shí)質(zhì)導(dǎo)致的最終結(jié)果是地下水位持續(xù)下降，含水層供水量持續(xù)衰退.因此，本研究通過(guò)對(duì)機(jī)井在這方面的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，看看有多少機(jī)井產(chǎn)生這種結(jié)果，來(lái)評(píng)判水量方面的可持續(xù)性.

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

大足區(qū)位于重慶市西部，地處川中丘陵與原川東平行嶺谷的過(guò)渡地帶，有低山、丘陵、溪谷平壩三種地貌類(lèi)型，其中低山丘陵占全區(qū)面積的90.9%，侏羅系地層占全區(qū)總面積的91.8%，均屬于紅層.該區(qū)多年平均降雨量984.5mm，每年6～9月降雨量占全年降雨量的80%，且多暴雨.但春旱、伏旱災(zāi)害頻率較高，季節(jié)性缺水較為突出.地表水利用率較低，且多年均入境徑流量?jī)H為4 765萬(wàn)m3，人均水資源占有量?jī)H為576 m3，占重慶市人均水資源的1/3,是渝西北缺水較嚴(yán)重地區(qū)之一.從2007年—2016年，大足區(qū)已實(shí)施找水打井工程，累計(jì)打機(jī)井37 771口，初步解決或緩解了12萬(wàn)多人口的飲水困難問(wèn)題.但對(duì)于全區(qū)缺水人口為20.72萬(wàn)總量來(lái)說(shuō)，大足區(qū)仍將面臨較大的水資源短缺的挑戰(zhàn).

本研究采用入戶實(shí)地調(diào)查方法，2017年7～9月，依據(jù)2012年研究區(qū)實(shí)施找水打井工程實(shí)施報(bào)告的基礎(chǔ)資料，選取裂隙—孔隙水淺層機(jī)井616口，抽查率為30.8%，調(diào)查內(nèi)容指標(biāo)主要有機(jī)井運(yùn)行時(shí)間、干旱和雨季時(shí)期機(jī)井抽水量及其抽水時(shí)間、地下水位、抽水泵運(yùn)行及維護(hù)、機(jī)井周?chē)h(huán)境等.在入戶訪談616戶家庭的機(jī)井的基礎(chǔ)上，按紅層區(qū)機(jī)井涌水量大于2 m3/d、1.5～2 m3/d、1～1.5 m3/d、0.5～1 m3/d等級(jí)劃分的富水程度，分別抽樣15口機(jī)井水質(zhì)水樣共60個(gè)機(jī)井地下水水質(zhì)水樣.水質(zhì)測(cè)試主要指標(biāo)為渾濁度和細(xì)菌總數(shù)[14].

2.2 工程對(duì)社會(huì)影響評(píng)價(jià)

由表5分析知，工程取得了較好的社會(huì)影響，其社會(huì)影響的總體協(xié)調(diào)度達(dá)0.88，屬于基本協(xié)調(diào)狀態(tài).即該工程給絕大部分農(nóng)戶家庭人畜飲水產(chǎn)生了積極作用.從社會(huì)評(píng)估七大指標(biāo)看，僅有“安全”(機(jī)井的水質(zhì)是否影響身體健康)指標(biāo)協(xié)調(diào)性為0.78，屬于不協(xié)調(diào)狀態(tài).究其主要原因有兩個(gè)方面，一方面由于紅層區(qū)地下水存在淡咸水界面，而這種界面深度沒(méi)有規(guī)律可循[15]，有近10%機(jī)井的水質(zhì)較為咸化；另一方面由于侏羅紀(jì)紅層巖性中的Fe、Mn含量高，使5%機(jī)井水質(zhì)存在富含F(xiàn)e、Mn元素[16]；“選擇”(打井工程是否解放了取水勞動(dòng)力)和“適應(yīng)”(您是否積極維護(hù)和管理機(jī)井的運(yùn)行情況)指標(biāo)協(xié)調(diào)性大于0.95，屬于協(xié)調(diào)狀態(tài).紅層找水打井基本上解決或緩解了農(nóng)戶人畜飲水困難的問(wèn)題，解放了以前家庭取水的勞動(dòng)力；機(jī)井是家庭用水的重要水源，所以參與機(jī)井維護(hù)和管理的積極性就比較高.“生存”“效率”“共存”和“心理”四個(gè)指標(biāo)屬于基本協(xié)調(diào)狀態(tài).因此，紅層丘陵區(qū)打井工程取得了積極的社會(huì)影響.

表5 調(diào)查問(wèn)卷與評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)

2.3 工程對(duì)含水層地下水影響

2.3.1 工程對(duì)地下水水質(zhì)的影響

由表5分析，成井前后的評(píng)價(jià)因子僅有含水層凈補(bǔ)給量和包氣帶影響兩個(gè)評(píng)價(jià)因子發(fā)生較大變化，其他5個(gè)評(píng)價(jià)因子未發(fā)生變化.76.4%的機(jī)井含水層凈補(bǔ)給量發(fā)生了變化，從實(shí)際調(diào)查了解，這部分機(jī)井含水層凈補(bǔ)給量完全被開(kāi)采利用，甚至含水層靜水量被開(kāi)采利用了一部分，所以機(jī)井含水層地下水位有不同的下降，含水層供水能力逐漸衰減；86.8%機(jī)井含水層水質(zhì)受到包氣帶影響，包氣帶影響主要表現(xiàn)在機(jī)井周?chē)h(huán)境的變化，如增加人畜糞便場(chǎng)所、生活廢物排堆場(chǎng)所以及農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)等方面.計(jì)算工程成井前后DRASTIC變化加權(quán)值為7.369，相當(dāng)于原評(píng)價(jià)加權(quán)值73.69，則工程對(duì)地下水水質(zhì)的脆弱性屬于較高等級(jí).再結(jié)合地下水水質(zhì)指標(biāo)渾濁度和細(xì)菌總數(shù)的82.3%超標(biāo)率，這表明部分機(jī)井含水層地下水水質(zhì)已受到了污染.

表6 成井前后DRASTIC指標(biāo)體系

2.3.2 工程對(duì)含水層供水量影響

由表7和公式(2)綜合分析，從2012年到2017年，含水層供水衰退的機(jī)井比例隨成井時(shí)涌水量大小呈反比例關(guān)系.即當(dāng)運(yùn)行5年后，涌水量q<1 m3/d的含水層供水衰退的機(jī)井比例增加了79.73%，遠(yuǎn)比1≦q<1.5 m3/d、1.5≦q<2 m3/d和2≦qm3/d衰退比例高出43.23%、51.29%、64.9%.調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，77%的機(jī)井抽采含水層地下水存在間歇式供水，部分機(jī)井在枯水季節(jié)，特別是每年2-5月份，機(jī)井抽采時(shí)間比原來(lái)延長(zhǎng)3～6倍，地下水位明顯下降且難以恢復(fù)，即使在豐水季節(jié)，部分機(jī)井含水層供水量依然較低，地下水位也無(wú)明顯上升.從含水層儲(chǔ)水能力和調(diào)蓄能力看，含水層q越小，特別不能滿足農(nóng)戶的需水量時(shí)，開(kāi)采量包括了含水層天然降雨徑流量和部分靜水儲(chǔ)量，頻繁的抽采，使得部分靜水儲(chǔ)量不斷消耗，地下水就會(huì)持續(xù)下降，雨季降雨補(bǔ)給量也難以補(bǔ)充恢復(fù)靜水儲(chǔ)量.所以，機(jī)井含水層儲(chǔ)水和調(diào)蓄能力大小決定了含水層持續(xù)穩(wěn)定供水的主要因素.

表7 成井前后機(jī)井含水層涌水量衰退統(tǒng)計(jì)表

3 結(jié)論與建議

1)紅層區(qū)找水打井工程對(duì)社會(huì)影響整體上是比較積極的，大部分農(nóng)戶的人畜飲水困難問(wèn)題能夠得到緩解，但部分比例農(nóng)戶最為擔(dān)心是飲水安全問(wèn)題.

2)紅層區(qū)找水工程運(yùn)行5年后，農(nóng)戶的不合理活動(dòng)致使部分機(jī)井含水層水質(zhì)的已受到污染；農(nóng)戶的過(guò)度開(kāi)采使部分機(jī)井含水層因儲(chǔ)水和調(diào)蓄能力不足，導(dǎo)致含水層供水能力逐漸衰退.

通過(guò)紅層區(qū)找水打井工程對(duì)地下水可持續(xù)利用影響評(píng)價(jià)結(jié)果表明，需要長(zhǎng)期開(kāi)展機(jī)井含水層地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)工作，并及時(shí)向社會(huì)公布相關(guān)信息；加強(qiáng)研發(fā)針對(duì)紅層區(qū)淺層地下水特有水質(zhì)處理技術(shù)，并推廣和普及農(nóng)戶使用；加強(qiáng)機(jī)井周?chē)h(huán)境保護(hù)宣傳力度，引導(dǎo)農(nóng)戶參與保護(hù)地下水資源工作，如隔離污染源遠(yuǎn)離機(jī)井、節(jié)約用水等；合理安排機(jī)井開(kāi)采方式，限量開(kāi)采地下水水量.除此之外，利用有利地形修建水塘、山坪塘等小型水利工程，攔截地表徑流，增加可利用的蓄水量，或利用現(xiàn)代農(nóng)戶家庭庭院建筑面收集雨水儲(chǔ)水，是解決紅層區(qū)農(nóng)村人畜飲水困難與安全的有效途徑.