基于GIS的地下水資源分區(qū)研究及承載本底評(píng)價(jià)

高萌萌，李瑞敏，劉 瓊，王 軼，李小磊

(中國(guó)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院，北京 100081)

20世紀(jì)以來(lái)，隨著生產(chǎn)力水平提高和人口數(shù)量的急劇增長(zhǎng)，人類(lèi)對(duì)自然資源的開(kāi)發(fā)程度逐漸加強(qiáng)，全球人口、資源與環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)峻，資源環(huán)境承載能力研究越來(lái)越受到重視。承載力概念理論逐漸被廣泛應(yīng)用于土地資源、礦產(chǎn)資源、水資源、生態(tài)環(huán)境等各個(gè)領(lǐng)域[1-2]。黨的十八大報(bào)告明確指出，面對(duì)資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重、生態(tài)系統(tǒng)退化的嚴(yán)峻形勢(shì)，必須樹(shù)立尊重自然、順應(yīng)自然、保護(hù)自然的生態(tài)文明理念。隨后，黨的十八屆三中全會(huì)提出了“建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制，對(duì)水土資源、環(huán)境容量和海洋資源超載區(qū)實(shí)行限制性措施”。近些年，基于對(duì)資源環(huán)境承載能力的不斷探索和研究，李瑞敏等[3-6]提出了“資源環(huán)境承載協(xié)調(diào)理論”，該理論構(gòu)建了承載本底和承載狀態(tài)兩個(gè)層次的服務(wù)目標(biāo)，承載本底反映資源稟賦的優(yōu)劣程度，承載狀態(tài)則反映資源環(huán)境供容能力與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的匹配程度。

我國(guó)地下水資源約占水資源總量的三分之一，是水資源的重要組成部分。20世紀(jì)90年代后期開(kāi)始，隨著我國(guó)地下水供水比例不斷升高，區(qū)域地下水過(guò)量開(kāi)采引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題受到持續(xù)關(guān)注。不合理開(kāi)采地下水造成了地面沉降、地面塌陷、植被退化、土地沙漠化、土壤鹽漬化、海水入侵等一系列地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題[7-8]，這對(duì)區(qū)域地下水資源可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境及經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。進(jìn)入21世紀(jì)，伴隨著新一輪全國(guó)地下水資源評(píng)價(jià)的完成，地下水資源承載能力的研究逐步開(kāi)始，多側(cè)重于評(píng)價(jià)模型和方法的研究，主要集中在水資源短缺的干旱半干旱地區(qū)[9-13]。

地下水資源承載本底評(píng)價(jià)與自然屬性密切相關(guān)，而地下水資源分區(qū)是評(píng)價(jià)地下水資源承載本底的重要基礎(chǔ)工作。本文從地下水資源分區(qū)入手，建立了“自然單元-計(jì)算單元-行政單元”的評(píng)價(jià)單元框架，利用地下水可開(kāi)采模數(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了全國(guó)地下水資源承載本底由自然單元到行政單元的成果表達(dá)，建立地下水資源承載本底評(píng)價(jià)空間數(shù)據(jù)庫(kù)。開(kāi)展全國(guó)地下水資源承載本底評(píng)價(jià)，可摸清全國(guó)地下水資源在自然稟賦條件下的分布狀況和規(guī)律，為地下水資源合理開(kāi)發(fā)利用與資源配置提供依據(jù)，為將來(lái)建立長(zhǎng)期性、常態(tài)性和可持續(xù)性評(píng)價(jià)及監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制打下基礎(chǔ)。

1 全國(guó)地下水資源分區(qū)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者和不同部門(mén)，根據(jù)各個(gè)領(lǐng)域水資源評(píng)價(jià)與管理的不同需求和用途，提出了多種水資源分區(qū)的劃分方式[14-19]。各省在本省區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了地下水資源分區(qū)，但是工作程度和分區(qū)原則不一，導(dǎo)致無(wú)法與全國(guó)地下水資源分區(qū)有效對(duì)接。本次地下水資源分區(qū)，將地表水和地下水作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，在新一輪全國(guó)地下水資源一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)劃分二級(jí)和三級(jí)區(qū)，重點(diǎn)解決了各省地下水資源分區(qū)的銜接問(wèn)題，為地下水資源承載本底評(píng)價(jià)自下而上的動(dòng)態(tài)更新提供空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.1 分區(qū)原則

(1)獨(dú)立性和完整性相結(jié)合

地下水資源區(qū)是各種組成要素的整體，是一個(gè)存在于一定環(huán)境之中的相對(duì)獨(dú)立的整體，是補(bǔ)、徑、排和水循環(huán)的統(tǒng)一體。進(jìn)行地下水資源分區(qū)，應(yīng)考慮儲(chǔ)水空間的完整性和水循環(huán)的連續(xù)性，保證相對(duì)獨(dú)立和完整的地下水循環(huán)演化體系。

(2)科學(xué)性與可行性相結(jié)合

地下水資源分區(qū)是地下水資源承載能力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，為行政管理規(guī)劃服務(wù)。在進(jìn)行地下水資源分區(qū)時(shí)，既要考慮分區(qū)的科學(xué)性，又要考慮評(píng)價(jià)的可操作性及服務(wù)性，盡可能保證行政單元的完整。

(3)地下水與地表水相結(jié)合

地表水與地下水都源自于大氣降水，是一個(gè)完整的水資源系統(tǒng)，在一定條件下水量相互轉(zhuǎn)化。分區(qū)時(shí)綜合考慮水文動(dòng)態(tài)規(guī)律和區(qū)域水循環(huán)演化，將地表水與地下水聯(lián)系起來(lái)，作為一個(gè)整體進(jìn)行研究。

(4)繼承性與創(chuàng)新性相結(jié)合

以現(xiàn)有地下水資源研究成果為基礎(chǔ)，保持成果的連貫性和一致性，并進(jìn)一步完善和創(chuàng)新。

1.2 分區(qū)指標(biāo)與分區(qū)方法

1.2.1分區(qū)指標(biāo)

本文通過(guò)對(duì)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件、地表水流域、水文地質(zhì)特征等的分析研究，在新一輪地下水資源調(diào)查地下水資源一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行二級(jí)和三級(jí)分區(qū)。地形地貌和構(gòu)造單元對(duì)地下水的形成與分布規(guī)律起著主導(dǎo)控制作用，在其控制下，形成各自完整獨(dú)立的水文地質(zhì)單元；不同氣候條件，降雨和蒸發(fā)有很大的差別，對(duì)地下水系統(tǒng)的補(bǔ)給和排泄有著很重要的控制作用；地表水流域與地下水不可分割的系統(tǒng)性決定著地表水流域在一定程度上反映了地下水資源的分布狀況；水文地質(zhì)特征，包括含水層結(jié)構(gòu)、含水層介質(zhì)等，能最直接地反映出地下水資源的賦存條件。

綜上考慮，分區(qū)指標(biāo)如下：

一級(jí)分區(qū)指標(biāo)：地形地貌、構(gòu)造單元、氣候條件、一級(jí)地表水流域；

二級(jí)分區(qū)指標(biāo)：二級(jí)地貌單元、二級(jí)地表水流域；

三級(jí)分區(qū)指標(biāo)：三級(jí)地貌單元、三級(jí)地表水流域、含水層介質(zhì)。

1.2.2分區(qū)方法

分級(jí)區(qū)劃一般有定量和定性?xún)深?lèi)方法，常用的方法有主導(dǎo)因素分析法、模糊聚類(lèi)法、層次分析法、主成分分析法、GIS空間疊加分析法等[20-21]。地下水資源分區(qū)指標(biāo)沒(méi)有定量描述，因此采用定性分析，利用主導(dǎo)因素分析法，結(jié)合GIS空間疊加分析，對(duì)地下水資源進(jìn)行分區(qū)。

首先，根據(jù)我國(guó)整體地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件及一級(jí)地表水流域的特征差異，劃分一級(jí)區(qū)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合每個(gè)一級(jí)區(qū)內(nèi)的次一級(jí)地形地貌、次一級(jí)水系流域劃分二級(jí)區(qū)，再結(jié)合水文地質(zhì)單元的劃分，體現(xiàn)地下水含水層結(jié)構(gòu)的不同，加入含水層介質(zhì)指標(biāo)，進(jìn)行三級(jí)區(qū)劃分。

1.3 分區(qū)結(jié)果

本文在新一輪全國(guó)地下水資源一級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，收集柴達(dá)木盆地、鄂爾多斯盆地、松遼平原、長(zhǎng)江中下游平原等重點(diǎn)區(qū)域[22-31]的地下水資源評(píng)價(jià)成果，依照上述分區(qū)原則及分區(qū)方法，經(jīng)系統(tǒng)梳理，形成全國(guó)地下水資源一、二、三級(jí)分區(qū)，并參照各省(區(qū)、縣)地下水資源分區(qū)結(jié)果進(jìn)行了適當(dāng)修正。共計(jì)26個(gè)一級(jí)區(qū)，143個(gè)二級(jí)區(qū)，412個(gè)三級(jí)區(qū)(表1)。

2 地下水資源承載本底評(píng)價(jià)單元研究

2.1 自然單元-計(jì)算單元-行政單元

本次評(píng)價(jià)以自然單元和行政單元相結(jié)合的方法，以自然單元為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)單元，在自然單元評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行縣級(jí)行政單元的評(píng)價(jià)。難題是如何將自然單元和行政單元結(jié)合，如何將自然單元的地下水資源量分解到縣級(jí)行政單元？針對(duì)該問(wèn)題，筆者在地下水資源三級(jí)區(qū)(即自然單元)的基礎(chǔ)上，結(jié)合縣級(jí)行政單元，分解劃分了計(jì)算單元，有機(jī)結(jié)合自然單元和行政單元，建立了“自然單元-計(jì)算單元-行政單元”的評(píng)價(jià)單元框架。首先將地下水資源量按面積加權(quán)平均分解到計(jì)算單元，求得每個(gè)計(jì)算單元的地下水資源量，再將縣級(jí)行政單元內(nèi)的各計(jì)算單元的地下水資源量相加，得到行政單元的地下水資源量。

表1 全國(guó)地下水資源承載本底評(píng)價(jià)單元

為更直觀地說(shuō)明“自然單元-計(jì)算單元-行政單元”之間的關(guān)系，以黑龍江省伊春市為例，伊春市包含市轄區(qū)、鐵力市、嘉蔭縣三個(gè)區(qū)，分別被所屬的三級(jí)區(qū)劃分為7個(gè)計(jì)算單元，如表2和圖1所示。

表2 伊春市地下水資源承載能力評(píng)價(jià)單元表

圖1 伊春市地下水資源承載能力評(píng)價(jià)單元圖Fig.1 Evaluation units map of groundwater resources carrying capacity in the City of Yichun

2.2 計(jì)算單元?jiǎng)澐纸Y(jié)果

全國(guó)地下水資源三級(jí)分區(qū)412個(gè)，縣級(jí)行政單元2 864個(gè)，經(jīng)三級(jí)分區(qū)和縣級(jí)行政單元切割劃分為計(jì)算單元共4 942個(gè)(表1)。

① 李瑞敏,孟暉,李小磊,等.區(qū)域地質(zhì)資源環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)技術(shù)要求(征求意見(jiàn)稿),2018。

3 全國(guó)地下水資源承載能力本底評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

據(jù)《區(qū)域地質(zhì)資源環(huán)境承載能力評(píng)價(jià)技術(shù)要求(征求意見(jiàn)稿)》①，本次評(píng)價(jià)從地下水可開(kāi)采資源模數(shù)單指標(biāo)評(píng)價(jià)入手，開(kāi)展地下水資源承載本底評(píng)價(jià)，用于反映地下水資源在自然本底狀況下的稟賦條件。根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果承載本底劃分為高、較高、中、較低、低等5個(gè)等級(jí)，分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 地下水資源承載本底評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)

3.2 評(píng)價(jià)方法

地下水資源承載本底基礎(chǔ)評(píng)價(jià)指標(biāo)為地下水可開(kāi)采資源模數(shù)，是指單位面積上的地下水可開(kāi)采資源量，計(jì)算公式為：

(1)

式中：Me——地下水可開(kāi)采資源模數(shù)/(m3·km-2·a-1)；

Qe——地下水可開(kāi)采資源量/(m3·a-1)；

S——評(píng)價(jià)區(qū)總面積/km2。

可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)以自然單元(即地下水資源分區(qū))為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)單元。以新一輪全國(guó)地下水資源評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，更新了主要平原盆地、部分省(區(qū)市)地下水資源最新調(diào)查評(píng)價(jià)成果。結(jié)合計(jì)算單元，采用面積加權(quán)平均法，獲得縣域行政單元可開(kāi)采資源量評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

3.3 評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方法，分別對(duì)自然單元(412個(gè)地下水資源三級(jí)分區(qū))和行政單元(2 864個(gè)區(qū)縣)進(jìn)行了地下水資源承載本底評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表4和表5。

表4 地下水資源承載本底(自然單元)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

表5 地下水資源承載本底(縣級(jí)行政單元)評(píng)價(jià)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

(1)我國(guó)地下水資源分布受控于氣候條件、地貌單元與大地構(gòu)造背景、水文地質(zhì)條件，空間差異性較大。承載本底總體表現(xiàn)出平原盆地區(qū)為中-高水平，北方干旱區(qū)為低水平，區(qū)域差異性較大。

(2)從自然單元看，我國(guó)地下水資源承載本底高的地區(qū)多集中在平原盆地區(qū)，主要有黃淮海平原、江漢洞庭平原、長(zhǎng)江下游平原、松遼平原、三江平原、成都平原、汾渭盆地、嶺南地區(qū)、雷瓊地區(qū)等。承載本底低的地區(qū)主要分布在西北內(nèi)陸干旱半干旱地區(qū)、山地丘陵區(qū)、西南高原區(qū)，主要有藏北川北高原、內(nèi)蒙古北部高原、黃土高原、塔里木盆地、柴達(dá)木盆地、北山地區(qū)、大巴山地區(qū)、贛南山區(qū)等。

(3)從縣域單元看，全國(guó)2 864個(gè)縣級(jí)行政單元中，承載本底等級(jí)為高、較高、中、較低、低的縣(區(qū)、市)分別為774，332，798，387，573個(gè)，面積占比分別為11.15%、5.87%、19.56%、12.09%、52.34%。

4 結(jié)論

(1)本文以新一輪地下水資源評(píng)價(jià)成果和主要平原盆地、部分省(區(qū)市)地下水資源最新調(diào)查評(píng)價(jià)成果為基礎(chǔ)，綜合地形地貌、構(gòu)造單元、氣候分帶、地表水流域、含水層介質(zhì)等多項(xiàng)指標(biāo)，把地表水和地下水看作一個(gè)整體，將全國(guó)劃分為26個(gè)一級(jí)區(qū)、143個(gè)二級(jí)區(qū)、412個(gè)三級(jí)區(qū)，重點(diǎn)解決了各省地下水資源分區(qū)的銜接問(wèn)題，為地下水資源承載本底評(píng)價(jià)自下而上的動(dòng)態(tài)更新打下基礎(chǔ)。

(2)通過(guò)將地下水資源分區(qū)與縣級(jí)行政區(qū)劃耦合，建立了“自然單元-計(jì)算單元-行政單元”的評(píng)價(jià)單元框架，確定了4 942個(gè)計(jì)算單元，利用地下水可開(kāi)采模數(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了地下水資源承載本底評(píng)價(jià)由以自然單元評(píng)價(jià)到以縣級(jí)行政單元的成果表達(dá)，從而建立了地下水資源承載本底評(píng)價(jià)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3)全國(guó)地下水資源承載本底在自然單元和縣域行政單元的評(píng)價(jià)結(jié)果，基本反映出我國(guó)地下水資源稟賦條件和區(qū)域分布規(guī)律，可為下一步地下水資源承載能力評(píng)價(jià)和地下水合理開(kāi)發(fā)利用與管理服務(wù)。

(4)自然單元?jiǎng)澐志扔绊懙叵滤Y源承載本底的評(píng)價(jià)精度，全國(guó)地下水資源承載本底評(píng)價(jià)在地下水資源三級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上進(jìn)行，反映了宏觀的空間分布規(guī)律。但在進(jìn)行小范圍的地下水資源承載本底評(píng)價(jià)時(shí)，需要更詳細(xì)的地下水資源分區(qū)做支撐。