區(qū)域地下水資源承載能力評價理論與方法研究

劉 瓊，李瑞敏，王 軼，高萌萌，李小磊，孫 超

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.河北省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站，河北 石家莊 050011)

承載能力(Carrying Capacity)通常是指某個承載體對承載對象的支撐能力。資源環(huán)境承載能力研究以自然資源環(huán)境作為承載體，以社會經(jīng)濟發(fā)展作為承載對象，研究特定條件下一定地域空間內(nèi)的自然資源環(huán)境系統(tǒng)對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的支撐能力[1-2]。在我國大力推進生態(tài)文明建設(shè)，強調(diào)綠色、可持續(xù)發(fā)展的形勢下，資源環(huán)境承載能力研究正成為衡量區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的重要判據(jù)，且逐步在國土空間規(guī)劃、主體功能區(qū)劃、“三區(qū)三線”劃定中發(fā)揮重要作用。

地下水資源是水資源的重要組成部分。國外在研究水資源對生態(tài)承載力、人口承載力或可持續(xù)發(fā)展的限制性作用的歷程中，發(fā)展出一系列具有相似內(nèi)涵的概念，如可利用水資源量(water availablity)[3-4]、水壓力指數(shù)(water stress index)[5]、水資源緊缺指數(shù)(water scarcity indice)[6]、生態(tài)可持續(xù)利用水資源量(ecologically sustainable water resource)[7-8]，但直接以水資源承載力為主題開展專項研究的幾乎沒有。

我國著名學(xué)者施雅風(fēng)在20世紀90年代初研究西北干旱地區(qū)水資源對生態(tài)環(huán)境與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的瓶頸制約作用時提出了“水資源承載力”，定義為某一地區(qū)的水資源，在一定社會和科學(xué)技術(shù)發(fā)展階段，在不破壞社會和生態(tài)系統(tǒng)時，最大可承載的農(nóng)業(yè)、工業(yè)、城市規(guī)模和人口水平[9]。經(jīng)過30多年的研究，水資源承載力在我國得到了獨立的發(fā)展，主要包括三種觀點：一是水資源支撐人口或經(jīng)濟社會發(fā)展的最大規(guī)模[9]；二是抽象的能力，表達為水資源對地區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的支撐能力[10]；三是水資源開發(fā)容量[11]。研究方法上逐步由單一指標、靜態(tài)分析走向系統(tǒng)多目標、動態(tài)綜合分析。主要包括指標體系綜合評價法、多目標情景分析法、系統(tǒng)動力學(xué)模擬法。指標體系綜合評價法是運用最多的研究方法，一般是通過建立評價指標體系對水資源承載能力各關(guān)鍵因子分別進行評判，再通過主成分分析法[12]、模糊綜合評價法[13]、物元分析法[14]等綜合評價方法，將各指標評價結(jié)果綜合起來，得出一個比較全面的評價結(jié)果。此外，多目標情景分析法[15]、系統(tǒng)動力學(xué)模型法[16]也是較常用的研究方法。

20世紀90年代后期，隨著我國地下水供水比重不斷攀升，由于過量開采地下水引發(fā)的地面沉降、生態(tài)環(huán)境問題加劇，地下水資源承載力研究也備受關(guān)注，在華北平原、關(guān)中平原、貴州巖溶區(qū)及大型灌區(qū)開展了大量有益探索[14-15, 16-17]。地下水資源承載力多延用水資源承載力的內(nèi)涵，但在研究方法上一般有所創(chuàng)新，尤其是運用指標體系綜合評價法研究時，充分考慮了各研究區(qū)地下水資源分布規(guī)律與利用狀況特點，建立了差異化的指標體系。如，在開采地下水主要用于農(nóng)業(yè)灌溉的華北平原、關(guān)中盆地及其他大型灌區(qū)，選取的指標往往有灌溉土地供水模數(shù)、需水模數(shù)、灌溉水利用系數(shù)等[11,13]。

開展全國區(qū)域地下水資源承載能力評價研究，判別地下水資源超載程度和發(fā)展趨勢，是支撐建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警體系、加強水資源開發(fā)利用管理的有效手段。尤其是在以地下水為主要供水水源的我國北方地區(qū)，可為合理配置水資源、測算供需水量，擬定“以水定城、以水定地、以水定人、以水定產(chǎn)”方案，為國土空間規(guī)劃編制和調(diào)整提供重要技術(shù)支撐。因此，亟需開展地下水資源承載能力的評價理論與方法探索，為區(qū)域尺度的評價工作提供統(tǒng)一的方法依據(jù)。

本文在總結(jié)前人研究理論與方法的基礎(chǔ)上，面向支撐建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警機制的目標，以期準確定義地下水資源承載能力的概念和內(nèi)涵，結(jié)合地下水資源稟賦、開發(fā)利用狀況以及相關(guān)的生態(tài)環(huán)境問題，提出一套宏觀的可適用于我國省域和重要經(jīng)濟區(qū)(跨省域)的區(qū)域地下水資源承載能力評價指標體系與方法，并開展了京津冀地下水資源承載能力評價，論證該評價方法的可靠性。

1 地下水資源承載能力研究的基本理論

1.1 承載協(xié)調(diào)理論

在開展資源環(huán)境承載能力研究以支撐編制“全國國土規(guī)劃綱要(2016—2030)”及建立“國土資源環(huán)境承載能力評價及監(jiān)測預(yù)警機制”的歷程中，本研究團隊在充分吸收前人研究精華、結(jié)合新時代承載能力研究新特點的基礎(chǔ)上提出承載協(xié)調(diào)理論[2]。該理論以追求社會經(jīng)濟系統(tǒng)與自然資源環(huán)境系統(tǒng)的協(xié)調(diào)為要義，將自然資源環(huán)境系統(tǒng)的稟賦條件作為約束社會經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模的根本因素。研究對象定位在自然資源環(huán)境系統(tǒng)及其與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的關(guān)系，即“一個系統(tǒng)、一個關(guān)系”，重點進行資源環(huán)境承載能力評價和監(jiān)測預(yù)警兩個方面的研究。其中，承載能力評價分為三個層次：首先是研判自然資源稟賦與環(huán)境容量優(yōu)劣程度的承載本底評價；其次是分析資源環(huán)境供容能力與經(jīng)濟社會發(fā)展的匹配程度的承載狀態(tài)評價；最后綜合兩者形成承載能力評價結(jié)果，反映當前資源環(huán)境能夠保障社會經(jīng)濟發(fā)展的能力水平。

按照評價目的不同，可分為面向建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警機制的宏觀性評價和面向國土空間規(guī)劃的細致性評價，前者主要采用總體性的評價指標從宏觀尺度上綜合反映大區(qū)域范圍內(nèi)資源環(huán)境承載能力強弱程度和空間差異性，后者主要是通過可以反映本研究區(qū)的特征性指標來較精細地刻畫研究區(qū)內(nèi)部的承載能力差異。本文重點討論區(qū)域性宏觀評價方法。

圖1 資源環(huán)境承載協(xié)調(diào)理論技術(shù)框架[2]Fig.1 Frame of the coordination theory and evaluation method of resource and environmental carrying capacity

1.2 定義與內(nèi)涵

按照資源環(huán)境承載協(xié)調(diào)理論及面向建立資源環(huán)境承載能力監(jiān)測預(yù)警機制的目標，將地下水資源承載能力定義為：在一定時期和技術(shù)經(jīng)濟條件下，以開發(fā)地下水不破壞生態(tài)、且保持地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定為前提，區(qū)域地下水資源保障當?shù)厣鐣?jīng)濟發(fā)展的能力。在此內(nèi)涵下，評價地下水資源承載能力首先強調(diào)數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)并重的理念，保證質(zhì)量、維持生態(tài)及地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定為底線，更強調(diào)保護中發(fā)展；其次強調(diào)動態(tài)性，受技術(shù)、管理、人類認知水平等局限，地下水資源承載能力呈動態(tài)發(fā)展，并非一成不變；最后還強調(diào)了地域性和尺度效應(yīng)，不同地域和研究尺度的研究目標和研究方法往往有差異。

根據(jù)承載協(xié)調(diào)理論，地下水資源承載能力評價的對象及內(nèi)容主要包括：(1)承載本底評價對象即地下水資源，重點從數(shù)量和質(zhì)量兩個核心的自然屬性來考量地下水資源稟賦的優(yōu)劣；(2)承載狀態(tài)評價對象是地下水資源與社會經(jīng)濟系統(tǒng)的關(guān)系，重點從區(qū)域社會經(jīng)濟發(fā)展對地下水開發(fā)利用的現(xiàn)狀程度，以及對水質(zhì)、生態(tài)、地質(zhì)環(huán)境造成的不利影響來考量；(3)承載能力則通過綜合承載本底和承載狀態(tài)評價結(jié)果來反映當前地下水資源的數(shù)量、質(zhì)量及其維系的生態(tài)環(huán)境能夠保障社會經(jīng)濟發(fā)展的能力水平。

2 評價方法

我國疆域遼闊，自然條件下地下水補給、徑流、排泄以及地下水開發(fā)利用情況差異極大。在綜合分析我國地下水資源分布規(guī)律、開發(fā)利用現(xiàn)狀與影響及社會經(jīng)濟發(fā)展對水資源的需求等基礎(chǔ)上，遵循簡便、實用、可操作的原則，采用指標體系綜合評價法，構(gòu)建了可應(yīng)用于省域和重要經(jīng)濟區(qū)(跨省域)的區(qū)域地下水資源承載能力評價指標體系與方法。

2.1 評價指標體系

區(qū)域地下水資源承載能力評價指標包括基礎(chǔ)指標和修正指標。基礎(chǔ)指標作為普適性指標，從地下水的數(shù)量屬性出發(fā)，根據(jù)承載本底、承載狀態(tài)的內(nèi)涵，分別選取地下水可開采資源模數(shù)、地下水開采程度作為相應(yīng)指標，經(jīng)評價后得出初步結(jié)果。修正指標作為針對性指標，從地下水的質(zhì)量屬性，或者區(qū)域特殊問題出發(fā)，對相應(yīng)指標進行評價后，再對基礎(chǔ)指標的初步評價結(jié)果進行修正。

2.1.1指標選取依據(jù)與定義

(1)地下水可開采資源模數(shù)

地下水可開采資源模數(shù)表示的是單位面積上的地下水可開采資源量。地下水可開采資源量通常定義為一定經(jīng)濟、技術(shù)條件下，開采過程中不會誘發(fā)嚴重的環(huán)境問題，可以持續(xù)開采利用的地下水量[18]，是目前普遍采用的表征地下水資源量的概念之一。此概念強調(diào)在保證生態(tài)用水和環(huán)境安全的前提下計算可開采利用的地下水量，主要以生態(tài)環(huán)境安全為約束條件。地下水可開采資源模數(shù)是地下水可開采資源量的“地均值”，以更直觀對比區(qū)域間地下水資源稟賦的差異。而人均地下水資源量這個“人均值”著眼于人口分布和資源消耗現(xiàn)狀，不符合生態(tài)文明理念。

表1 區(qū)域地下水資源承載能力評價指標體系

(2)地下水開采程度

地下水開采程度是指地下水開發(fā)利用量與地下水可開采資源量之比。該指標通過可開采量與已開采量進行直觀對比，可綜合反映地下水資源的開發(fā)利用狀況，能較全面體現(xiàn)地下水對社會經(jīng)濟系統(tǒng)的支撐狀況，也是目前廣泛運用的指標。研究者們在運用逼近理想解、模型判斷、投影尋蹤、專家打分等不同方法評價地下水資源承載力時，均認為地下水開采程度可體現(xiàn)區(qū)域地下水開發(fā)利用現(xiàn)狀，在所有相似指標中權(quán)重最高[19]。

(3)地下水背景質(zhì)量等級

地下水背景質(zhì)量等級表示的是原生條件下地下水質(zhì)量狀況的優(yōu)劣。通過綜合考量區(qū)域地下水基本化學(xué)成分及含量、地下水典型元素背景狀況，分析化學(xué)組分含量及背景值高的地下水分布情況，以其面積占比來反映評價區(qū)域的地下水背景質(zhì)量等級。

地下水基本化學(xué)成分、典型元素背景狀況反映了地下水在自然環(huán)境循環(huán)過程中的原始物理化學(xué)性質(zhì)，是研究水環(huán)境質(zhì)量與水質(zhì)評價的基本依據(jù)，充分體現(xiàn)了“本底”的理念。我國地下水典型的高背景值元素包括鐵、錳、氟化物、碘化物、砷等。其中，砷是國際上公認的具有直接毒害作用的六大毒性物質(zhì)之一。氟化物也是對人類健康具有直接毒害作用的元素之一。碘是維持生物生長發(fā)育必須的微量元素，但飲用高碘水也能引起人類健康問題。此外，氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽等雖然為無直接毒害作用的無機污染物，但當組分達到一定濃度后，導(dǎo)致地下水中含鹽量過高，同樣會對其利用價值或環(huán)境甚至對人類健康造成不同程度的影響和危害[20-22]。此外，當前的水處理工藝，對砷、氟化物、碘化物、含鹽量等組分或元素含量高的地下水進行處理，技術(shù)也相對不成熟，存在成本高或效率低的問題。因此，綜合以上因素，選取含鹽量、砷、氟化物、碘化物作為主要指標，參考《地下水質(zhì)量標準》(GBT 14848—2017)和《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB5749—2006)[23-24]，按表2判斷具有高背景值的化學(xué)組分或元素含量的地下水類型。

表2 高背景值化學(xué)組分或元素含量的地下水類型判斷標準

據(jù)歷年來水資源公報數(shù)據(jù)(2013—2018)統(tǒng)計，近年來隨著地下水壓采政策的實施，各地區(qū)地下水開采量較過去二三十年有所下降，局部地區(qū)地下水超采的局面得到控制。然而，地下水作為重要的環(huán)境因子，常以物質(zhì)遷移、能量轉(zhuǎn)換、動力學(xué)特征等方式影響地質(zhì)環(huán)境，地下水過度開發(fā)利用會引發(fā)地質(zhì)環(huán)境問題，如區(qū)域地下水位下降、地下水污染、地面沉降、海水入侵、巖溶塌陷、土壤鹽漬化、沼澤化、沙漠化等[18,25-26]。因此，此類問題作為地下水不合理開發(fā)利用的影響也需要納入評價體系。從影響程度和范圍出發(fā)，分別選取地下水污染、地面沉降、海水入侵、土地鹽漬化作為需要重點評價的問題。選取的評價指標見下文。

(4)地下水污染程度

地下水污染指的是人類活動影響下，地下水水質(zhì)朝著惡化方向發(fā)展的現(xiàn)象。受我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程加快影響，特別是城市及工礦企業(yè)“三廢”無序排放影響，地下水水質(zhì)正在發(fā)生重大變化。首輪地下水污染調(diào)查發(fā)現(xiàn)，地下水正在區(qū)域上發(fā)生著硬化、鹽化、硝化(三氮污染)、酸化等問題，局部重(類)金屬污染嚴重，個別地方有機污染已有顯現(xiàn)。地下水三氮污染普遍，在農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)和城市周邊地區(qū)已呈面污染特征。重金屬污染多呈點狀分布在城市周邊及工礦企業(yè)周圍。地下水有毒有害有機污染相對少，主要呈點狀、復(fù)合污染的特征在淺層地下水中顯現(xiàn)[27]。根據(jù)地下水污染調(diào)查評價方法，以污染評價后得到的地下水污染區(qū)的面積占比，或原始調(diào)查點中地下水污染點的個數(shù)占比，來反映區(qū)域地下水污染嚴重程度。

(5)地面沉降程度

地面沉降是指由于自然因素或人類工程活動引發(fā)的地下松散巖層固結(jié)壓縮并導(dǎo)致一定區(qū)域范圍內(nèi)地面高程降低的地質(zhì)現(xiàn)象，是一種緩變性地質(zhì)災(zāi)害。人類活動是誘發(fā)高速率地面沉降的重要因素，其中，大量抽取地下水與地面沉降關(guān)系最為密切。尤其是在我國長江三角洲、華北平原、汾渭盆地等地區(qū)，由于過量開采地下水，特別是開采井群過分集中，引起地下水水位持續(xù)下降，誘發(fā)了地面沉降[28]。為保持評價數(shù)據(jù)的一致性，利用InSAR 數(shù)據(jù)得到的全國范圍內(nèi)的地面沉降速率作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以地面沉降速率大于10 mm/a的區(qū)域占比情況表征地面沉降程度。

(6)海水入侵程度

海水入侵是由于濱海地區(qū)地下水動力條件發(fā)生改變，引發(fā)海水或高礦化咸水向陸地淡水含水層運移而發(fā)生水土侵入的過程和現(xiàn)象，是沿海地區(qū)水資源不合理開發(fā)帶來的特殊環(huán)境地質(zhì)問題。我國渤海、黃海沿岸不少地帶，由于地下水過量開采，水位持續(xù)下降，20 世紀70 年代中期開始陸續(xù)發(fā)生海水入侵陸地含水層的現(xiàn)象，20 世紀80 年代以來海水入侵現(xiàn)象加劇[29]。以區(qū)域發(fā)生海水入侵的面積占比表征海水入侵程度。該指標只在沿海地區(qū)使用。

(7)土壤鹽漬化程度

土壤鹽漬化是土壤表層鹽分含量不斷增加以至超出某一限度的發(fā)展過程。從地質(zhì)環(huán)境角度，土壤的積鹽過程實質(zhì)上是土壤系統(tǒng)中地下水運動和鹽分遷移富集的一種水文地質(zhì)過程。在全球變暖的趨勢下，中低緯度地區(qū)的土壤鹽漬化現(xiàn)狀日益嚴重，成為綠洲農(nóng)業(yè)的發(fā)展障礙。我國西北內(nèi)陸干旱區(qū)的人工綠洲、黑河流域中下游平原、河套平原、銀川平原,以及東北平原、黃淮海平原的低洼地區(qū)廣泛分布鹽漬化。鹽漬化形成的主要控制為潛水水位埋深、潛水礦化度、微地形、包氣帶巖性綜合特征和灌排條件，人類活動較易對以上控制因素造成干擾。尤其是，以不合理灌排或水利工程滲漏等活動，造成潛水水位抬升而引發(fā)鹽漬化問題[30]。因此，以人類不合理灌排或水利工程滲漏等活動，造成潛水水位抬升而引發(fā)土壤鹽漬化的區(qū)域面積占比，表征土壤鹽漬化程度。

2.1.2指標的分級標準

(1)地下水可開采資源模數(shù)

利用新一輪地下水資源評價成果[18]中全國26個地下水資源一級區(qū)的地下水可開采資源模數(shù)數(shù)據(jù)，用自然斷點法初步分析并結(jié)合專家判斷后，劃分地下水可開采資源模數(shù)5個等級的分級標準見表3所示，分別代表區(qū)域地下水資源量很豐富、豐富、比較豐富、一般豐富、不豐富。

表3 地下水可開采資源模數(shù)分級標準

Table 3 Classification of module of exploitable

groundwater resources

/(×104 m3·km-2·a-1)

(2)地下水開采程度

對應(yīng)承載狀態(tài)的3個等級，劃分地下水開采程度為較低、適中、超采3個等級。其中，以地下水開采程度大于100%，即地下水開采量超過地下水可開采資源量，為超采；參考新一輪地下水資源評價[18]中對我國各省份地下水開采程度的分析標準，以70%作為臨界值，當?shù)叵滤_采量介于70%～100%之間時定義為適中，地下水開采量小于70%定義為較低。

(3)其他修正指標

以2018年出版的《中國地質(zhì)環(huán)境圖系》中《中國地下水環(huán)境圖》、《中國地面沉降現(xiàn)狀圖》、《中國荒漠化土地分布圖》[26, 28, 30]中化學(xué)組分含量及背景值高的地下水分布數(shù)據(jù)、地面沉降速率等值線數(shù)據(jù)、土壤鹽漬化分布數(shù)據(jù)、海水入侵分布數(shù)據(jù)，計算得出分省的5個修正指標評價數(shù)據(jù)，然后按照自然斷點法對各類數(shù)據(jù)進行相應(yīng)分類后確定了分級閾值。參考該分級閾值，劃分修正指標的分級標準見表4所示。

表4 地下水資源承載能力修正指標分級標準

2.2 評價流程

(1)基礎(chǔ)資料收集與分析

以收集最新、精度最高的資料為宜。包括水文地質(zhì)普(調(diào))查、地下水資源評價、地下水監(jiān)測、地下水污染調(diào)查、地下水開發(fā)引發(fā)的問題、地下水超采評價、地下水資源利用、保護與管理等相關(guān)資料。分析評價區(qū)水文地質(zhì)條件、地下水分布及其數(shù)量質(zhì)量特征；分析地下水開發(fā)利用狀況及地下水水位、水量、水質(zhì)等動態(tài)變化規(guī)律及控制因素；分析不合理開發(fā)利用地下水引發(fā)的生態(tài)、環(huán)境地質(zhì)問題。

(2)評價單元劃分

為兼顧科學(xué)性和實用性，地下水資源承載能力評價單元分為自然單元和行政單元2類。自然單元采用地下水資源分區(qū)單元，根據(jù)地下水補徑排條件、地下水化學(xué)特征等水文地質(zhì)條件劃分。行政單元采用縣級及以上行政單元。承載本底評價原則上以自然單元作為基本評價單元，也可表達至行政單元。承載狀態(tài)評價以行政區(qū)域為評價單元。

(3)評價指標體系構(gòu)建

根據(jù)評價區(qū)的實際情況，充分考慮不合理開發(fā)利用地下水引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問題，選取合適的修正指標，結(jié)合2項必選的基礎(chǔ)指標，建立評價指標體系。

(4)評價數(shù)據(jù)整理及補充調(diào)查

按照評價指標體系，梳理基礎(chǔ)資料，整理原始評價數(shù)據(jù)。對地下水補徑排條件變化較大區(qū)域，地下水開采現(xiàn)狀不清或尚不滿足評價要求的區(qū)域，應(yīng)開展補充調(diào)查評價工作，重新計算地下水天然補給資源量和可開采資源量。針對重點規(guī)劃建設(shè)區(qū)、生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)等重要評價區(qū)域或數(shù)據(jù)陳舊、不足、缺失區(qū)域，適當開展調(diào)查，修正、補充評價數(shù)據(jù)。

(5)承載能力綜合評價

從地下水可開采資源模數(shù)、開采程度等單指標計算入手，先開展承載本底、承載狀態(tài)的初步評價，再依次進行各修正指標的評價。承載本底的修正指標地下水背景質(zhì)量等級分別以自然單元、行政單元進行評價。地下水背景質(zhì)量等級評價結(jié)果為差，則承載本底評價結(jié)果下降一級。承載狀態(tài)的修正指標以行政單元評價。任一項或多項修正指標評價結(jié)果為高，承載狀態(tài)評價結(jié)果均下降一級?；诔休d本底和承載狀態(tài)最終評價結(jié)果，按表5確定承載能力綜合等級。

表5 地下水資源承載能力綜合等級判斷標準

3 京津冀地區(qū)地下水資源承載能力評價

3.1 評價指標與數(shù)據(jù)來源

京津冀地區(qū)水資源匱乏，多年平均水資源量只有3.70×1010m3，不足全國的1.3%，卻承載了全國約10%的人口[31]。地下水作為京津冀地區(qū)工農(nóng)業(yè)和生活用水的主要供水水源，自20世紀90年代以來地下水供水比重始終保持在70%以上。地下水長期過量開采導(dǎo)致該地區(qū)出現(xiàn)嚴重的區(qū)域地下水位下降、地面沉降、地下水污染、濕地退化、土壤鹽堿化、海水入侵等問題。結(jié)合該區(qū)域特點和現(xiàn)有數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，除地下水可開采資源模數(shù)、地下水開采程度2項基礎(chǔ)指標外，以地下水背景質(zhì)量等級、地面沉降程度、土壤鹽漬化程度3項指標作為修正指標，構(gòu)建京津冀地區(qū)地下水資源承載能力評價的指標體系。

數(shù)據(jù)來源上，地下水可開采資源量是在“新一輪地下水資源評價”的基礎(chǔ)上，根據(jù)各省、各地區(qū)地下水資源評價的最新成果進行了更新；地下水開采量數(shù)據(jù)采用近年來各省水利年鑒數(shù)據(jù)；化學(xué)組分含量及背景值高的地下水分布數(shù)據(jù)、地面沉降速率等值線數(shù)據(jù)、土壤鹽漬化分布數(shù)據(jù)分別來自2018年出版的《中國地質(zhì)環(huán)境圖系》中《中國地下水環(huán)境圖》、《中國地面沉降現(xiàn)狀圖》、《中國荒漠化土地分布圖》[26, 28, 30]。

3.2 評價結(jié)果

京津冀202個縣級行政單元中，承載本底等級為高的有77個，較高的有16個，中等的有39個，較低的有37個，低的有33個。從地下水資源分區(qū)上看，承載本底高、較高的93個縣級行政單元主要分布在潮白河薊運河、灤河、漳衛(wèi)河、子牙河流域的山前沖洪積平原，以及子牙河流域上游的山地區(qū)，水質(zhì)以孔隙水為主，基本是淡水；承載本底低、較低的70個縣級行政區(qū)主要分布在冀北的內(nèi)陸河流域、遼河大凌河流域的山地丘陵區(qū)，以及黃河、漳衛(wèi)河、子牙河流域的咸水分布廣泛的濱海沖積海積平原區(qū)。

承載狀態(tài)等級為超載的有151個，均衡的有25個，盈余的有26個。超載的縣級行政區(qū)連片分布于平原區(qū)，在山區(qū)也有分布，如承德、張家口、秦皇島等地。以上地區(qū)地下水的開采量普遍高于可開采資源量，平原地區(qū)的地面沉降問題嚴重。

綜合承載本底和承載狀態(tài)結(jié)果得出，承載能力等級為強的有18個，較強的有72個，中等的有19個，較弱的有36個，弱的有57個。承載能力強、較強的縣級行政區(qū)全部位于漳衛(wèi)河、子牙河流域的上游山區(qū)、山前沖積平原，地下水資源豐富、水質(zhì)較好、地下水開發(fā)利用程度較低或適中，幾乎沒有地下水開發(fā)引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題；承載能力較強的縣級行政區(qū)分布從山區(qū)到平原區(qū)都有；承載能力中等的縣級行政區(qū)分布較為分散，主要是在承載能力強、較強縣級行政區(qū)的周邊，地下水資源較為豐富，但開發(fā)利用程度高，地面沉降問題較為嚴重；承載能力弱、較弱的縣級行政區(qū)主要分布在冀北的內(nèi)陸河流域、遼河大凌河流域、大清河流域的山地丘陵區(qū)，以及黃河、子牙河、灤河流域的濱海沖積海積平原區(qū)，地下水資源量不夠豐富，部分地區(qū)水質(zhì)較差，開采程度高，有嚴重的地面沉降問題。

3.3 結(jié)果分析

地下水資源的承載本底主要還是由資源量的多寡決定，上述京津冀地區(qū)的評價結(jié)果符合我國地下水資源平原較山區(qū)多、南方較北方多的總體規(guī)律。

將京津冀地區(qū)地下水資源承載狀態(tài)評價結(jié)果與根據(jù)《地下水超采區(qū)評價導(dǎo)則》評價出的地下水超采區(qū)分析后發(fā)現(xiàn)，北京市、天津的17個超載行政區(qū)全部位于超采區(qū)中，河北省134個超載的縣級行政區(qū)有108個位于超采區(qū)內(nèi)，其余26個主要分布在承德、秦皇島地區(qū)以及張家口的市區(qū)。差異原因在于，按照承載狀態(tài)基礎(chǔ)指標開采程度的分級標準，承德、秦皇島、張家口地區(qū)開采程度高于100%的縣級行政區(qū)都為超采，但《地下水超采區(qū)評價導(dǎo)則》并沒有將開采程度大于100%作為確定超采區(qū)的必須條件。綜合以上，本文所評價出的京津冀地區(qū)地下水資源承載能力超載的縣級行政區(qū)與超采區(qū)評價的一致性高達82%。

京津冀地區(qū)在歷史上很長一段時間開采程度都非常高。據(jù)新一輪地下水資源評價，1999年京津冀三省開采程度均超過100%，河北省更是達到128%。平原地區(qū)深層水、淺層水的過量開采引發(fā)了大面積分布、發(fā)展形勢較難控制的地面沉降問題，生態(tài)維持和地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定條件得以破壞。從總體看來，京津冀地區(qū)地下水資源承載能力水平是偏弱的。但近年來，隨著地下水壓采政策的實施，很多地區(qū)的地下水開采量減少，僅2018年度就較上年減少約1.0×109m3[32]。因此，針對超載區(qū)域通過實施地下水壓采降低地下水開采量，實現(xiàn)地下水采補平衡，并逐步修復(fù)地下水不合理開采引發(fā)的地質(zhì)環(huán)境問題，將有助于提升京津冀區(qū)域地下水資源承載能力水平，使地下水在京津冀地區(qū)凸顯更重要的戰(zhàn)略價值。

4 結(jié)論與討論

4.1 評價方法評述

(1)評價方法總體上具備科學(xué)性和較強的可操作性

從科學(xué)性來看，該方法將評價對象地下水的數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)屬性作為一個整體來考慮，將反映資源量多少的指標作為基礎(chǔ)指標，同時兼顧質(zhì)量、生態(tài)，將反映地下水的質(zhì)量、生態(tài)環(huán)境影響等對承載能力具有剛性約束的其他指標作為修正指標，能夠較為全面地反映地下水資源承載能力的狀況。此外，指標分級標準通過實際數(shù)據(jù)計算后，權(quán)衡實際情況加以適當修正。京津冀分縣區(qū)的評價結(jié)果雖只選取了部分指標，但總體結(jié)果看來也是較為合理的。

從可操作性來看，評價時采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是基于地下水評價、調(diào)查、監(jiān)測工作較易獲取或所能掌握的數(shù)據(jù)，如地下水可開采資源量、地下水質(zhì)量是區(qū)域地下水資源評價所能獲取的數(shù)據(jù)，地下水開采量是在縣級及以上層面上較易獲取的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，地面沉降速率、土壤鹽漬化是通過InSAR 或遙感數(shù)據(jù)可評價出的基礎(chǔ)指標。

(2)更具地區(qū)特色的修正指標探討略有不足

為了構(gòu)建宏觀層面的評價方法，指標多是籠統(tǒng)的概念，以模數(shù)、比率等形式體現(xiàn)，而我國幅員遼闊、自然地理地質(zhì)及水文地質(zhì)條件迥異，特別應(yīng)該在修正指標中區(qū)別體現(xiàn)。如表示地面沉降嚴重程度的指標，在該方法中為了可操作性更強，是以地面沉降速率大于10 mm/a的區(qū)域占比情況表征，實際上就危害程度而言，用該種計算方法尚不足以完全反映出危害的差異性，運用不同地面沉降速率、沉降量的疊加的計算方法值得深入討論。又如鹽漬化，本身成因很復(fù)雜，除去人為活動干擾外，自然條件下氣候干旱、土壤蒸發(fā)強烈、潛水水位及可溶性鹽量高等都是誘因，要判斷出是否是與地下水相關(guān)的各類因素導(dǎo)致，還有待于結(jié)合實際問題具體分析。

圖2 京津冀地區(qū)地下水資源承載能力評價結(jié)果圖Fig.2 Results of the carrying capacity of groundwater resources in the Beijing-Tianjin-Hebei region

4.2 相關(guān)思考與建議

(1)根據(jù)承載能力結(jié)果可支撐制定區(qū)域地下水資源保護與開發(fā)戰(zhàn)略

地下水資源承載能力各單項指標評價結(jié)果基本可以反映區(qū)域地下水資源稟賦及開發(fā)利用現(xiàn)狀，可根據(jù)評價結(jié)果，研究劃分面向不同目標的地下水資源保護與開發(fā)利用戰(zhàn)略目標，如在西北內(nèi)陸地區(qū)地下水資源貧乏、原生水質(zhì)差，局部鹽漬化、沙漠化嚴重，則需制定以改善原生水質(zhì)提升可開采資源量、涵養(yǎng)地下水、發(fā)揮地下水保護綠洲與改善植被生態(tài)環(huán)境的管理對策；如北方、中部平原地區(qū)地下水污染、地下水超采引發(fā)的地面沉降問題嚴重，則需制定以防治地下水污染、控制地下水開采為主要目標的管理對策。

(2)探討地表水地下水一體的水資源承載能力綜合評價方法

由于地表水和地下水之間相互聯(lián)系又相互轉(zhuǎn)化的關(guān)系，在面向支撐國土空間規(guī)劃的“雙評價”研究時，將地表水、地下水兩者結(jié)合起來共同開展承載能力研究將有助于獲取更深刻的認識。如深入開展“以水四定”研究，分析區(qū)域水資源稟賦和合理用水需求，權(quán)衡制定取用水總量，通過加強地表水、地下水資源合理配置，合理測算地下水需水量及可供水量，并提出人口控制、用地減量、產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向及城市空間發(fā)展布局的合理目標等。

(3)推進數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)一體的地下水資源承載能力監(jiān)測預(yù)警體系

基礎(chǔ)評價數(shù)據(jù)的獲取是決定水資源承載能力研究能否真正發(fā)揮作用的關(guān)鍵。而扎實的數(shù)據(jù)獲取有賴于建立數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)一體的監(jiān)測體系。我國地下水監(jiān)測工作從20世紀50年代初期發(fā)展至今，經(jīng)歷了從單純的水位監(jiān)測，到水位水溫水質(zhì)多項指標監(jiān)測的歷程，目前已啟動的國家地下水監(jiān)測工程共建設(shè)完成20 469個監(jiān)測站點，首次構(gòu)建國家級地下水三維自動化監(jiān)測網(wǎng)，實現(xiàn)對中國主要平原盆地和巖溶含水層地下水水位、水質(zhì)的有效監(jiān)測。但在研究地下水承載能力評價方法的過程中，發(fā)現(xiàn)對海水入侵、水質(zhì)污染等數(shù)據(jù)獲取不足。因此，建議依托國家資源環(huán)境監(jiān)測預(yù)警機制建設(shè)，在水資源開發(fā)利用造成重大生態(tài)問題的區(qū)域，建立數(shù)量、質(zhì)量、生態(tài)一體的地下水資源承載能力監(jiān)測預(yù)警監(jiān)測體系，以全面、動態(tài)評估區(qū)域地下水資源承載能力狀況。