汾河流域盆地地下水動(dòng)態(tài)及其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)耦合協(xié)調(diào)性研究

關(guān)鍵詞：地下水動(dòng)態(tài)；社會(huì)經(jīng)濟(jì)；耦合協(xié)調(diào)度模型；灰色關(guān)聯(lián)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(nèi)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(jiǎn)稱兩大盆地），兩大盆地內(nèi)分布有省會(huì)太原、臨汾等重要城市，存在大量工農(nóng)業(yè)活動(dòng)，是山西省黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展的重要區(qū)域。長(zhǎng)期以來水資源以支持區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展為主要社會(huì)價(jià)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(chǎn)生活用水依賴地下水，導(dǎo)致盆地內(nèi)地下水位不斷下降，地下水超采現(xiàn)象嚴(yán)重。目前針對(duì)兩大盆地地下水動(dòng)態(tài)變化及影響因素已有諸多研究，例如：王宏認(rèn)為太原盆地內(nèi)淺層、中深層地下水在20世紀(jì)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(dòng)態(tài)，得出兩大盆地地下水位呈下降趨勢(shì)：林若靜等研究了臨汾盆地地下水埋深變化和控制因素，認(rèn)為2007-2018年地下水位呈下降趨勢(shì)，地下水埋深對(duì)蒸發(fā)量敏感，人口數(shù)量對(duì)其貢獻(xiàn)率較高。

2000年之后，山西省各地實(shí)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(duì)象已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)槌袎核默F(xiàn)狀下，相關(guān)研究多側(cè)重于考慮自然及與水資源利用相關(guān)的人類活動(dòng)對(duì)地下水的影響。在我國(guó)經(jīng)濟(jì)逐步由高速發(fā)展向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變的背景下，水資源的社會(huì)價(jià)值在當(dāng)前乃至未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)體現(xiàn)為支持環(huán)境可持續(xù)發(fā)展，其與社會(huì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等系統(tǒng)的耦合發(fā)展成為研究熱點(diǎn)。地下水作為北方地區(qū)重要的基礎(chǔ)資源，在當(dāng)前乃至未來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)依然是主要的供水水源，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展中起著重要作用，而目前對(duì)于二者之間的相關(guān)性和耦合協(xié)調(diào)發(fā)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(duì)象，分析地下水在開發(fā)利用、保護(hù)治理及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展等綜合因素下的動(dòng)態(tài)變化，并探索其影響因素及與社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的協(xié)調(diào)性，以期為汾河流域水資源高效利用和節(jié)約保護(hù)提供參考。

1研究區(qū)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(nèi)第四系松散巖類孔隙水埋深0～500m，分為4個(gè)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(zhì)為砂卵石和中、粗、細(xì)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(nèi)第四系松散巖類孔隙水埋深0～400m，分為3個(gè)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(zhì)為砂礫石和中細(xì)沙。本文研究對(duì)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(jiān)測(cè)井分布情況見圖1。

2數(shù)據(jù)來源與研究方法

2.1數(shù)據(jù)來源

本文采用的各監(jiān)測(cè)井地下水埋深、井口地面高程數(shù)據(jù)來源于山西省水文水資源勘測(cè)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(nóng)田灌溉用水量、萬元GDP用水量來源于2010-2019年各地級(jí)市水資源公報(bào)及山西省水資源公報(bào)；灌溉機(jī)井?dāng)?shù)量、農(nóng)作物播種面積、常住人口及經(jīng)濟(jì)等數(shù)據(jù)來源于2011-2020年《山西統(tǒng)計(jì)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(jù)水位年均變化速率劃分地下水動(dòng)態(tài)類型：快速下降型（≤-0.5m/a）、緩慢下降型（-0.5-0.1m/a）、基本穩(wěn)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(yùn)用Kendall、Spearman相關(guān)性分析法，分析各影響指標(biāo)與地下水埋深的相關(guān)性。應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法，定量計(jì)算各影響指標(biāo)對(duì)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(biāo)為子序列x，在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)公式為

3）采用耦合協(xié)調(diào)度模型，分析2010-2019年兩大盆地地下水與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展水平。計(jì)算公式為

參考王富強(qiáng)等[的研究，將耦合協(xié)調(diào)發(fā)展情況分為失調(diào)（0，0.4]、勉強(qiáng)耦合協(xié)調(diào)（0.4，0.6]、中級(jí)耦合協(xié)調(diào)（0.6，0.8]、良好耦合協(xié)調(diào)（0.8，1.0]4個(gè)階段。

3結(jié)果與分析

3.1地下水埋深

3.1.1年均變化趨勢(shì)

對(duì)2010-2019年兩大盆地地下水年均埋深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并繪制變化趨勢(shì)（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(shí)間推移呈波動(dòng)減小趨勢(shì)，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(shì)。地下水埋深變異系數(shù)（0.54～0.70）較大，說明不同監(jiān)測(cè)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(dòng)態(tài)類型見圖3。可以看出，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(jiān)測(cè)井中有47眼監(jiān)測(cè)井水位上升，上升最大的為清徐縣平泉監(jiān)測(cè)井，上升速率為5.34m/a;18眼監(jiān)測(cè)井地下水位下降，下降最大的為榆次區(qū)東陽(yáng)監(jiān)測(cè)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(qū)過渡到東南快速下降區(qū)，快速上升區(qū)和緩慢上升區(qū)主要分布在北部及西部地區(qū)，面積分別為2457.4、1949.6km2，合計(jì)占盆地面積的71.1%：緩慢下降區(qū)和快速下降區(qū)主要分布在盆地東部及南部局部地區(qū)，面積分別為917.2、174.1km2，合計(jì)占盆地面積的17.6%。臨汾盆地50眼監(jiān)測(cè)井中有25眼監(jiān)測(cè)井水位上升，上升幅度最大的為堯都區(qū)高河店監(jiān)測(cè)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(jiān)測(cè)井，下降速率為1.58m/a。臨汾盆地地下水位快速上升區(qū)和緩慢上升區(qū)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(jì)占盆地面積的50.1%：緩慢下降區(qū)和快速下降區(qū)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(jì)占盆地面積的28.9%。

以上結(jié)果反映了近年來通過調(diào)整用水結(jié)構(gòu)、節(jié)水控水、關(guān)井壓采、劃定禁采區(qū)等多項(xiàng)措施，兩大盆地地下水位下降趨勢(shì)得到一定程度的遏制，地下水位穩(wěn)步回升。在調(diào)整供水結(jié)構(gòu)方面，山西省從2011年開始建設(shè)大水網(wǎng)，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(nèi)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(jié)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(jì)劃，實(shí)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(nóng)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(guān)部門制訂兩大盆地關(guān)井計(jì)劃減少地下水開采，尤其自2018年以來各超采區(qū)通過科學(xué)配置水資源，充分利用各類地表水，實(shí)施水源置換工程，進(jìn)一步促進(jìn)了關(guān)井壓采。

雖然總體上兩大盆地地下水位呈上升趨勢(shì)，但上升區(qū)域主要位于太原市區(qū)及臨汾堯都區(qū)、侯馬市等供水管網(wǎng)建設(shè)進(jìn)程較快、有條件實(shí)施水源置換工程的地區(qū)，而工農(nóng)業(yè)活動(dòng)同等普遍的區(qū)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(qū)地下水位仍然呈下降趨勢(shì)。由于所選擇的監(jiān)測(cè)井類型及位置不同，因此即使同一區(qū)域也可能出現(xiàn)研究結(jié)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(shì)，而林若靜等選擇不同的監(jiān)測(cè)井得出臨汾盆地地下水位在2010-2018年呈下降趨勢(shì)。上述情況說明，即使當(dāng)前地下水治理成效顯著，但不同區(qū)域、不同類型的地下水動(dòng)態(tài)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(xù)強(qiáng)化。

3.2影響因素分析

選擇自然因素以及與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展相關(guān)的13個(gè)指標(biāo)作為影響因素進(jìn)行相關(guān)性分析。鑒于本次所選擇的大部分監(jiān)測(cè)井地下水埋深較大，故忽略蒸發(fā)影響，自然因素選擇降水量指標(biāo)：人類活動(dòng)因素選擇與地下水利用直接相關(guān)的指標(biāo)（地下水用水量、灌溉機(jī)井?dāng)?shù)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(nóng)田灌溉用水量、萬元GDP用水量）和人口經(jīng)濟(jì)指標(biāo)（常住人口、地區(qū)生產(chǎn)總值、第一產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、第二產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值、人均地區(qū)生產(chǎn)總值）兩大類。

由Kendall、Spearman相關(guān)性分析結(jié)果（見表1）可知，兩大盆地地下水埋深與各指標(biāo)的相關(guān)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(jī)井?dāng)?shù)量的相關(guān)系數(shù)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(nóng)田灌溉用水量、萬元GDP用水量成正相關(guān)關(guān)系，同人口、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

由灰色關(guān)聯(lián)分析結(jié)果（見表2）可知，兩大盆地各影響指標(biāo)與地下水埋深的關(guān)聯(lián)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(guān)聯(lián)度排名均為第一，每公頃農(nóng)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(jī)井?dāng)?shù)量與地下水埋深關(guān)聯(lián)度也較大，太原盆地關(guān)聯(lián)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(duì)承壓地下水動(dòng)態(tài)有一定影響。

由表2可知，自然因素、人類活動(dòng)對(duì)盆地內(nèi)承壓地下水埋深動(dòng)態(tài)均可產(chǎn)生影響，其中：糧食作物播種面積、每公頃農(nóng)田灌溉用水量和地下水用水量對(duì)地下水埋深影響較大。1985-2000年太原盆地用于農(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)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(nóng)業(yè)用水效率偏低，2010-2019年全省農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)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(nóng)業(yè)灌溉方面對(duì)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(guān)聯(lián)度分別為0.925和0.910。在Kendall、Spearman相關(guān)分析結(jié)果中，太原盆地的地下水用水量與地下水埋深的相關(guān)系數(shù)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(guān)性雖然不顯著，但是仍表現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。太原盆地、臨汾盆地灌溉機(jī)井（包括潛水井和承壓水井）數(shù)量與地下水埋深的關(guān)聯(lián)度分別為0.944、0.849，隨著盆地內(nèi)地下水開采深度不斷增大，目前農(nóng)業(yè)灌溉以承壓水為主，因此灌溉機(jī)井?dāng)?shù)量對(duì)承壓地下水動(dòng)態(tài)也產(chǎn)生影響。隨著近年來各地不斷推進(jìn)水資源節(jié)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(duì)地下水位提升起到重要作用。上述情況說明，調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、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(jīng)濟(jì)指標(biāo)與地下水埋深雖然關(guān)聯(lián)度較大，但多成負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著人口和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，地下水埋深減小、地下水位上升，主要原因是隨著生態(tài)文明建設(shè)不斷推進(jìn)，兩大盆地內(nèi)各地通過產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)、淘汰落后產(chǎn)能等方式限制高耗水行業(yè)發(fā)展，推動(dòng)各行業(yè)節(jié)水技術(shù)推廣與應(yīng)用；同時(shí)，各地出臺(tái)越來越嚴(yán)格的地下水管控措施和保護(hù)政策，如規(guī)范地下水取水許可、水權(quán)制度改革、完善地下水監(jiān)測(cè)體系、將地下水治理納入考核目標(biāo)等，成為各地開展地下水保護(hù)工作的依據(jù)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(bǔ)給或排泄。降水量同地下水埋深表現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)關(guān)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(lián)系，且部分監(jiān)測(cè)井為混合井，降水可通過影響潛水動(dòng)態(tài)來間接影響承壓地下水，并且通過影響人類開采活動(dòng)對(duì)地下水動(dòng)態(tài)產(chǎn)生影響。

3.3耦合協(xié)調(diào)性分析

從圖4可以看出：太原盆地、臨汾盆地2010-2019年社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù)、地下水評(píng)價(jià)指數(shù)及二者的耦合協(xié)調(diào)度均呈波動(dòng)上升趨勢(shì)：社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù)均在2019年達(dá)到最大值，地下水評(píng)價(jià)指數(shù)分別在2018年和2017年達(dá)到最大值，二者的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展情況均從2010年的失調(diào)衰退階段上升為2019年的良好耦合協(xié)調(diào)階段，且均在2018年達(dá)到最大值。兩大盆地在2013年以前耦合協(xié)調(diào)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(huì)經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù)較小：2013-2015年均為中級(jí)耦合協(xié)調(diào)階段，2016年一2019年為良好耦合協(xié)調(diào)階段，說明隨著地下水治理措施的實(shí)施，地下水利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)逐步實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)發(fā)展。

臨汾盆地社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合指數(shù)與地下水評(píng)價(jià)指數(shù)之間的耦合協(xié)調(diào)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(dǎo)致該年地下水平均埋深最大（59.48m），表明地下水變化對(duì)耦合協(xié)調(diào)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(xiàn)地下水同社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展耦合協(xié)調(diào)度降低的情況。建議各地因地制宜采取針對(duì)性措施有效治理地下水位下降問題，通過實(shí)施水源置換工程、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、設(shè)備升級(jí)改造等促進(jìn)工業(yè)節(jié)水；推廣農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，推進(jìn)農(nóng)業(yè)水價(jià)改革，提高農(nóng)業(yè)水資源利用效率，促進(jìn)地下水利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)良好協(xié)調(diào)發(fā)展。

4結(jié)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(dòng)減小趨勢(shì)（2019年比2010年分別減小5.84、1.15m），年均地下水位呈波動(dòng)上升趨勢(shì)。地下水位上升區(qū)域面積大于下降區(qū)域面積，其中：太原盆地地下水位上升區(qū)主要位于盆地北部及西部地區(qū)（占盆地面積的71.1%），下降區(qū)位于盆地東部及南部；臨汾盆地地下水位上升區(qū)主要位于盆地東北部和中部（占盆地面積的50.1%），下降區(qū)位于西南部區(qū)域。

2）地下水動(dòng)態(tài)受氣候和人類活動(dòng)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(nóng)田灌溉用水量、地下水用水量對(duì)地下水埋深的影響最大，灌溉機(jī)井?dāng)?shù)量、萬元GDP用水量與地下水埋深的關(guān)聯(lián)度也較大，表明調(diào)整農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)、提高用水效率可有效促進(jìn)地下水位的回升；降水量、人口、經(jīng)濟(jì)各指標(biāo)與地下水埋深成負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3） 2010-2019年兩大盆地地下水資源與社會(huì)經(jīng)濟(jì)之間的耦合協(xié)調(diào)水平呈向好發(fā)展趨勢(shì)，其中：2013年以前為耦合失調(diào)階段，2013-2015年轉(zhuǎn)變?yōu)橹屑?jí)耦合協(xié)調(diào)，2016-2019年實(shí)現(xiàn)良好協(xié)調(diào)。說明隨著地下水治理措施的實(shí)施，地下水利用與社會(huì)經(jīng)濟(jì)逐步實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)發(fā)展。

本文在分析汾河流域兩大盆地地下水埋深動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上，初步探索了地下水與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展情況。受收集資料的局限，所采用的數(shù)據(jù)系列較短，下一步應(yīng)當(dāng)根據(jù)長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)，在地下水系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)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(jīng)濟(jì)社會(huì)方面選取反映經(jīng)濟(jì)潛力和活力等指標(biāo)，以全面反映地下水與社會(huì)經(jīng)濟(jì)的耦合協(xié)調(diào)發(fā)展趨勢(shì)和內(nèi)在規(guī)律。