红层区找水打井工程的地下水资源可持续利用影响评价

成六三，朱朝霞，张茂超

(重庆工程职业技术学院，重庆 402260)

0 引言

地下水资源可持续利用评价是地下水水资源管理的核心内容，是制定或调控地下水资源可持续利用政策的重要依据[1].当前国内外研究主要集中在建立可持续利用评价体系指标上[2]，评价方法主要有层次分析法、模糊综合评价法等[3].这些评价体系指标建立过程都是对地下水资源进行了功能性划分，指标选取主要着重于地下水资源资源功能和环境功能方面，如DPSIR、DRASTIC等.但实际上从以往国内外开采利用地下水过程中分析，社会因素的影响往往比自然因素影响还要大[4]，因此融入社会因素也是地下水可持续利用的问题之一.而红层区找水打井工程是一项特殊的取水工程，是由政府、农户和技术人员共同来完成的[5]，特别在成井后期运行过程中，农户的行为将对地下水资源的可持续利用起到决定性的作用[6-7].当前关于这项民生工程的可持续研究都集中在地下水资源赋存能力大小方面[8]，缺乏农户对地下水资源开采过程中的社会因素考虑，评价的结果不全面、不系统.因此建立区域社会和生态综合的可持续利用评价体系是对当前地下水资源可持续利用评价的延伸.

1 工程的可持续利用影响评价

1.1 工程对社会方面的影响

工程对社会方面的影响主要参考Bossel可持续发展基本定向指标框架[9]，Bossel的可持续理论模型最初应用在产品对客户影响评价的方面，后期被广泛地应用于城市复杂的社会、经济和自然对水资源可持续利用的影响[10].Bossel理论模型中产品或某一资源的外界环境状态主要由资源稀缺性、多样性、可变性、塑造性和其他自律性6个基本的环境特征决定，这些特征被一套具有社会属性的指标来对应衡量.具体评价指标分别为生存、效率、选择、安全、适应、共存以及心理满足感.评价的方法让顾客或使用者对产品有所了解，选择每个指标设计的0～10数字区域，数字越大表明产品越好.通过对顾客或使用者的调查数据平均数统计，将评价结果等级划分为四个层次：0～1、1～2、2～3、3～4，分别表示不可接受、接受、良好、优秀.而本研究依据红层丘陵区分散农户的教育水平较低，难以在设计的0～10数字区域内客观地选择工程在自己心中位置大小问题，采取了对Bossel理论模型指标的转换，即用询问问题回答“是”或“否”的频率来对应相应Bossel理论模型评价指标的某个数字取值，如表1所示.

表1 调查问卷与评价指标对应

与此同时，引入模糊数学隶属度协调系数[11]，其计算见公式(1)，用计算结果来划分工程对社会的影响等级，如表2所示.

U=exp[-k(x-x′)2].

(1)

式(1)中，U表示状态协度；x为实测数值；x′为系统的协调值，k=2/S，S2为方差.系统计算值与协调性值离差越大，状态协调度越小，说明协调发展程度越低.协调度分析如表2所示.

表2 协调度分析表

1.2 工程对地下水资源影响

红层区找水打井工程成井的机井含水层地下水绝大部分属于裂隙-孔隙水类型，其地下水资源资源功能为主体功能，地质环境功能较弱.另因单户机井含水层地下水系统一般不具有区域水动力联系，以降雨补给为主等特征，其可持续利用主要限制在水量和水质方面.

1.2.1 水质方面

本研究欲引入较为通用的USEPA的DRASTIC地下水脆弱性评价模型的指标体系[12]，但对评价方法进行改进，即不是静态地给评价指标赋值，而是动态地给指标赋值，通过调查对比成井前后评价指标变化的比例来代替指标评价分值，其因子权重不变，如表3所示.计算DRASTIC的加权指数以及等级划分[12].

DRASTIC指数=5D+4R+3A+2S+T+5I+3C.

表3 DRASTIC指标体系

续表3

表4 DRASTIC指数等级划分表

1.2.2 水量方面

在机井含水层影响半径R范围内 ，含水层厚度M内，以5年为一个水文年，分析机井含水层的储存量及储存调节功能，依据雨季补给旱季，丰年补给枯年的原则，保证稳定地提供饮水供水. 其调节功能见公式(2)所示[13].

Q≦Qe/t+Qk.

(2)

(2)式中，Q：供水量，单位m3/d；Qe:有效储量为可供旱季调节的一部分静水储量，是存在于含水层的最枯地下水位面之下到经济技术水平与地质环境安全允许的最低水位埋藏深度之间的储水量，单位m3;Qk:枯季需要调节时段的平均天然径流量，单位m3/d；t:枯季需要调节的时段，单位d.

机井含水层满足下列条件时，即可为水量的可持续性利用.①供水量≦保证率的天然补给量；②机井地下水位≦机井含水层地质环境要求最低的地下水位;③机井地下水位≦经济技术水平能够承受的最大水位.

但由于多数机井含水层水循环过程参与区域水循环较弱，地下水含水层地质环境功能相对较弱，难以出现因地下水位下降导致的地面沉降、塌陷或不良水体入侵污染等问题.另一方面，农户开采地下水资源是自由行为，不受供水价格的影响.所以限制机井含水层可持续利用的条件是供水量≦保证率下天然补给量，但事实上，农户可允许的开采量并不是按(2)式估算水量来进行的，也就说有部分机井开采量包括储水量和天然径流量，其实质导致的最终结果是地下水位持续下降，含水层供水量持续衰退.因此，本研究通过对机井在这方面的调查统计，看看有多少机井产生这种结果，来评判水量方面的可持续性.

2 实例分析

2.1 研究区概况及数据来源

大足区位于重庆市西部，地处川中丘陵与原川东平行岭谷的过渡地带，有低山、丘陵、溪谷平坝三种地貌类型，其中低山丘陵占全区面积的90.9%，侏罗系地层占全区总面积的91.8%，均属于红层.该区多年平均降雨量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、伏旱灾害频率较高，季节性缺水较为突出.地表水利用率较低，且多年均入境径流量仅为4 765万m3，人均水资源占有量仅为576 m3，占重庆市人均水资源的1/3,是渝西北缺水较严重地区之一.从2007年—2016年，大足区已实施找水打井工程，累计打机井37 771口，初步解决或缓解了12万多人口的饮水困难问题.但对于全区缺水人口为20.72万总量来说，大足区仍将面临较大的水资源短缺的挑战.

本研究采用入户实地调查方法，2017年7～9月，依据2012年研究区实施找水打井工程实施报告的基础资料，选取裂隙—孔隙水浅层机井616口，抽查率为30.8%，调查内容指标主要有机井运行时间、干旱和雨季时期机井抽水量及其抽水时间、地下水位、抽水泵运行及维护、机井周围环境等.在入户访谈616户家庭的机井的基础上，按红层区机井涌水量大于2 m3/d、1.5～2 m3/d、1～1.5 m3/d、0.5～1 m3/d等级划分的富水程度，分别抽样15口机井水质水样共60个机井地下水水质水样.水质测试主要指标为浑浊度和细菌总数[14].

2.2 工程对社会影响评价

由表5分析知，工程取得了较好的社会影响，其社会影响的总体协调度达0.88，属于基本协调状态.即该工程给绝大部分农户家庭人畜饮水产生了积极作用.从社会评估七大指标看，仅有“安全”(机井的水质是否影响身体健康)指标协调性为0.78，属于不协调状态.究其主要原因有两个方面，一方面由于红层区地下水存在淡咸水界面，而这种界面深度没有规律可循[15]，有近10%机井的水质较为咸化；另一方面由于侏罗纪红层岩性中的Fe、Mn含量高，使5%机井水质存在富含Fe、Mn元素[16]；“选择”(打井工程是否解放了取水劳动力)和“适应”(您是否积极维护和管理机井的运行情况)指标协调性大于0.95，属于协调状态.红层找水打井基本上解决或缓解了农户人畜饮水困难的问题，解放了以前家庭取水的劳动力；机井是家庭用水的重要水源，所以参与机井维护和管理的积极性就比较高.“生存”“效率”“共存”和“心理”四个指标属于基本协调状态.因此，红层丘陵区打井工程取得了积极的社会影响.

表5 调查问卷与评价指标对应

2.3 工程对含水层地下水影响

2.3.1 工程对地下水水质的影响

由表5分析，成井前后的评价因子仅有含水层净补给量和包气带影响两个评价因子发生较大变化，其他5个评价因子未发生变化.76.4%的机井含水层净补给量发生了变化，从实际调查了解，这部分机井含水层净补给量完全被开采利用，甚至含水层静水量被开采利用了一部分，所以机井含水层地下水位有不同的下降，含水层供水能力逐渐衰减；86.8%机井含水层水质受到包气带影响，包气带影响主要表现在机井周围环境的变化，如增加人畜粪便场所、生活废物排堆场所以及农业面源污染风险等方面.计算工程成井前后DRASTIC变化加权值为7.369，相当于原评价加权值73.69，则工程对地下水水质的脆弱性属于较高等级.再结合地下水水质指标浑浊度和细菌总数的82.3%超标率，这表明部分机井含水层地下水水质已受到了污染.

表6 成井前后DRASTIC指标体系

2.3.2 工程对含水层供水量影响

由表7和公式(2)综合分析，从2012年到2017年，含水层供水衰退的机井比例随成井时涌水量大小呈反比例关系.即当运行5年后，涌水量q<1 m3/d的含水层供水衰退的机井比例增加了79.73%，远比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%.调查统计分析，77%的机井抽采含水层地下水存在间歇式供水，部分机井在枯水季节，特别是每年2-5月份，机井抽采时间比原来延长3～6倍，地下水位明显下降且难以恢复，即使在丰水季节，部分机井含水层供水量依然较低，地下水位也无明显上升.从含水层储水能力和调蓄能力看，含水层q越小，特别不能满足农户的需水量时，开采量包括了含水层天然降雨径流量和部分静水储量，频繁的抽采，使得部分静水储量不断消耗，地下水就会持续下降，雨季降雨补给量也难以补充恢复静水储量.所以，机井含水层储水和调蓄能力大小决定了含水层持续稳定供水的主要因素.

表7 成井前后机井含水层涌水量衰退统计表

3 结论与建议

1)红层区找水打井工程对社会影响整体上是比较积极的，大部分农户的人畜饮水困难问题能够得到缓解，但部分比例农户最为担心是饮水安全问题.

2)红层区找水工程运行5年后，农户的不合理活动致使部分机井含水层水质的已受到污染；农户的过度开采使部分机井含水层因储水和调蓄能力不足，导致含水层供水能力逐渐衰退.

通过红层区找水打井工程对地下水可持续利用影响评价结果表明，需要长期开展机井含水层地下水水质监测工作，并及时向社会公布相关信息；加强研发针对红层区浅层地下水特有水质处理技术，并推广和普及农户使用；加强机井周围环境保护宣传力度，引导农户参与保护地下水资源工作，如隔离污染源远离机井、节约用水等；合理安排机井开采方式，限量开采地下水水量.除此之外，利用有利地形修建水塘、山坪塘等小型水利工程，拦截地表径流，增加可利用的蓄水量，或利用现代农户家庭庭院建筑面收集雨水储水，是解决红层区农村人畜饮水困难与安全的有效途径.