地下水庫綜合效益評價研究

李 云, 孫梨梨, 周維博

(1.長安大學 水利與環境學院, 陜西 西安 710054; 2.長安大學旱區地下水文與生態效應教育部重點實驗室, 陜西 西安 710054)

1 研究背景

地下水庫是利用天然地下蓄水空間建立的具有攔蓄、調節和利用地下水流作用的特殊蓄水工程[1]。對于地下水庫的研究主要集中在分類、建庫條件、調蓄、應用等方面[2-8],但早在20世紀70年代,李佩成[9]就曾指出地下水庫的建設既要考慮經濟效益,更要注重生態環境效益。80年代中期林學鈺[10]也提出了只有對地下水庫進行合理的水資源管理,才能使其水資源效益、社會經濟效益最大化。鄭德鳳等[11]通過評價模型,首次將地下水庫的水資源效益具體量化。李旺林等[12]也對地下水庫的生態條件、環境因素、可持續條件做了進一步論述,提出生態環境條件也是地下水庫效益必須要考慮的一環。由此可見地下水庫綜合效益的研究具有重要的科學價值。

近年來國內外有許多學者圍繞著地下水庫綜合效益,對地下水庫的水資源、生態環境、社會經濟等進行了研究。伊朗的Habibirad等[13]基于移動克里格插值高效配置無網格法對地下水庫中的污染輸送進行了數值模擬。美國的Petrides Jiménez等[14]通過研究指出,地下水回灌補給含水層對水資源的恢復有較好的效果。鄭西來等[15]通過評價大沽河地下水庫的地下水脆弱性論證了地下水庫的生態環境效益要考慮生態環境系統本身的承受能力。Liu等[16]確定了灌區具有調節地下水儲量的能力,提出應適當加強地表水利用,以提高地下水庫的調節能力和供水能力,保障灌區生態環境和農業安全。張志永[17]指出了地下水庫的修建會對當地的生態環境造成影響。劉金玉[18]研究了三澗堡地下水庫對地下水環境的影響,指出該地下水庫建設后涵養了當地地下水源、改善了地下水質、提高了水資源和生態環境效益。王輝等[19]對地下水庫效益的評估為有效量化地下水庫綜合效益的研究提供了新思路。Li等[20]對大沽河地下水庫運行效果進行了評價,為地下水庫綜合效益評價提供了有益的參考。

綜上所述,地下水庫綜合效益的研究仍處于探索階段,對其內涵定義不明,包含內容也認知各異,且已有的研究一般是針對其中某一項或某幾項影響因素而開展的,尚未有人從整體角度出發對地下水庫綜合效益進行研究。因此本文在分析前人研究的基礎上,結合“陜西省石川河富平地下水庫調蓄效果與生態環境關鍵技術研究”水利科技項目,以擬修建的石川河富平地下水庫為例,對地下水庫綜合效益的內涵進行探討,構建評價體系,提出評價方法,以期為地下水庫綜合效益研究提供科學參考。

2 地下水庫綜合效益

2.1 地下水庫綜合效益內涵及其關系

地下水庫綜合效益是指以調蓄水資源為主旨、以可持續開發利用為原則、以維護生態環境良性發展為條件,在建設和運行過程中的地下水庫的功能價值。從地下水庫綜合效益的內涵中不難得出,地下水庫綜合效益是一個涉及水資源、生態環境、社會經濟的多系統體系,各系統具體關系如圖1所示。

圖1 地下水庫綜合效益內涵及其相互關系

由圖1可知,在地下水庫綜合效益內涵中,水資源系統從水資源量和水資源開發利用兩個方面對生態環境、社會經濟系統起到保障支持的作用;生態環境為水資源系統和社會經濟系統提供環境空間支持,也在一定程度上影響、制約著兩個系統;社會經濟的發展離不開水資源、生態環境提供的資源支持,同時也從正向和負向兩方面對兩者造成影響。因此,水資源系統、生態環境系統和社會經濟系統之間相互支持、相互影響,形成一定的互饋關系,共同影響著地下水庫綜合效益。

2.2 地下水庫綜合效益評價指標體系

根據地下水庫綜合效益的內涵及其相互關系,本文認為地下水庫綜合效益的主要內容應該包括3個方面,分別為水資源效益、生態環境效益和社會經濟效益。

水資源是地下水庫調控管理的主要對象。地下水庫在聯合調度地表徑流和地下水資源時勢必會使該地區的水資源效益發生變化。水資源效益主要包括水資源量及水資源開發利用,在水資源量方面,降水、地表水以及地下水自身通過補給和排泄直接或間接影響著區域內的水資源量變化;而在水資源開發利用方面,可根據區域水資源現狀、供需關系等,通過調節水資源的開發利用影響水資源效益。

生態環境條件是地下水庫建庫的決定性因素之一,修建地下水庫必須要考慮到該區域地下水生態環境系統本身的承受能力、自凈能力,在滿足地下水庫調蓄水資源的功能前提下,也要考慮到建設和運行過程中地下水庫對生態環境造成的影響。地下水生態環境系統本身的承受能力、自凈能力采用地下水脆弱性要素來表征,該要素與外界環境無關,取決于水文地質條件和地表特征;地下水庫建設和運行過程中對生態環境造成的影響,須兼顧地表水系統和地下水系統兩部分,從驅動其變化的影響因子角度出發,考慮其對生態環境造成的影響,包括地表水回灌對地下水系統的影響以及地下水位變化引起的土地鹽漬化、植被破壞、地面沉降、海水入侵、地表環境污染等。

社會經濟效益是地下水庫運行過程中經濟價值的體現。地下水庫調節水資源,解決供需矛盾,促進社會經濟發展,可通過社會經濟效益將其功能具體量化,同時也體現出社會發展水平、經濟水平、各領域用水水平對社會經濟效益的影響。

在對地下水庫綜合效益內涵探討的基礎上,結合文獻[21]～[23],從整體角度出發,初步構建地下水庫綜合效益評價指標體系。該指標體系由3項準則、5個要素以及能夠充分反映地下水庫綜合效益且與其自身屬性緊密相連、針對性較強的43項指標構成。具體內容如表1所示。

表1 地下水庫綜合效益評價指標體系

2.3 地下水庫綜合效益評價方法

為得出更加科學嚴謹的評價結果,評價方法的選取顯得尤為重要。常見的地下水庫綜合效益評價方法有灰色關聯法、系統動力學評價模型、投影尋蹤分類評價模型、理想解法、神經網絡模型等[24-25]。本文結合實數編碼技術,構建基于實碼加速遺傳算法優化的投影尋蹤分類模型(projection pursuit classification model based on real-code accelerated genetic algorithm,RAGA-PPC)對地下水庫綜合效益進行評價,該模型的優點在于通過投影使復雜非線性的多維數據結構簡單化,同時利用實數編碼加速遺傳算法優化模型,在尋優過程中擴大了優化變量空間,解決了容易出現的過早收斂問題,提高了尋優速度,增強了尋優性能,可以更高精度地進行綜合評價。RAGA-PPC模型構建步驟如下:

(1)數據歸一化處理

(1)

(2)

式中:x*(i,j)為原始數據;x(i,j)為歸一化處理后的值;xmax(j)和xmin(j)分別為最大值和最小值;i=1, 2, …,n;j=1, 2, …,p。

(2)原始數據投影

將原始數據投影到單位向量a的方向上,得到一維投影特征值,其公式如下:

(3)

式中:Z(i)為一維投影特征值;a為單位長度向量。

(3)構造投影指標函數

(4)

式中:Q(a)為投影指標函數;Sz為標準差;Dz為樣本局部密度;E(z)為平均值;R為局部密度的窗口半徑;r(i,j)為樣本之間的距離;u(R-r(i,j))為單位階躍函數。

(4)優化投影指標函數

目標函數為:

maxQ(a)=SzDz

(5)

約束條件為:

(6)

在對目標函數進行優化計算時,引用RAGA算法來優化全局尋優問題。

(5)RAGA算法優化目標函數

①對優化變量進行線性變換:

Xj=aj+yj(bj-aj) (j=1,2,…,p)

(7)

②隨機生成容量為N的初始父代群體,計算其染色體適應度:

eval(y(i,j))=α(1-α)i-1(i=1,2,…,N)

(8)

式中:α∈(0, 1)為給定參數,i=1表明染色體最好,i=N表明最差。

③父代個體的概率選擇:

(9)

式中:qi為染色體y(i,j)的累計計算概率。

④雜交迭代

設定一定的雜交概率,使父代個體兩兩雜交;設定一定的變異概率,使子代個體通過兩點方式進行變異。重復迭代,對每次得出的個體進行適應度評價,若滿足收斂要求,停止循環,獲得最優解;若不滿足收斂要求,將通過子代縮小尋優區間,轉入編碼過程,繼續循環,直到得出最優解,即為最優投影方向。

(6)綜合評價

(10)

式中:a*(j)為最優投影方向;W(i)為最佳投影值。根據最佳投影值的大小來判斷評價結果的優劣,當投影值越大時,評價結果越佳。反之,投影值越小,評價結果越差。

根據RAGA-PPC的數學原理建立RAGA-PPC模型,具體流程如圖2所示。

圖2 RAGA-PPC模型的建立流程

3 實例研究

3.1 研究區概況

陜西省石川河富平地下水庫位于陜西省富平縣石川河河谷階地,該區域屬暖溫帶大陸性半干旱、半濕潤季風氣候區,一年中四季冷暖分明,降水集中在夏、秋季兩季,多年平均降水量為533.2 mm。河谷區內除去洪積扇、黃土臺塬等地貌部位,面積為132.31 km2,河谷階地兩側為北山山前洪積扇與黃土臺塬,以陡坎相接,階地堆積物為砂質黏土、砂礫卵石層,研究區位置如圖3所示:

圖3 研究區位置

石川河流域發源于陜西省銅川市印臺區崾峴梁下,是渭河流域的一級支流。由于石川河上游地表水庫修建后,攔截了河道徑流,常年流水的石川河變成了季節性河流,河流生態基流量沒有保障,每年除去洪水季節外,基本處于無水狀態。由于地表水資源的缺乏,地下水資源成為主要供水水源,但多年連續大量的地下水資源開采,導致采補失衡,地下水系統長期處于負均衡狀態,形成了區域性的降落漏斗,長期如此,區域內水資源效益狀態差,生態環境受到嚴重威脅,受到影響的水資源、生態環境系統又抑制了社會的進步和經濟的發展。

20世紀70年代后期,水利、地質部門提出在該地擬建石川河富平地下水庫,以調蓄水資源,改善水資源供需矛盾,“填充”地下水虧空,修復當地的生態環境系統。但地下水庫建成后效益如何?對生態環境、經濟社會發展又有何影響?目前尚未對這些問題進行研究。因此,需在地下水庫建設前對其綜合效益進行全面的分析評價,為后續地下水庫的規劃、建設、管理提供科學依據。

3.2 石川河富平地下水庫綜合效益評價指標體系

石川河富平地下水庫屬于開采漏斗型松散介質潛水地下水庫,有較好的天然地層差異所形成的邊界條件、良好的含水層儲存介質以及滲透性能較強的入滲場地。根據該地下水庫特性、區域水文地質條件、生態環境現狀以及地域特性等,采用相關分析篩選出26項指標構建石川河富平地下水庫綜合效益評價指標體系,該評價指標體系中D1、D2、D3、D4、D10、D11、D12、D13、D14、D16、D17、D18、D19、D21為正向指標,其他均為負向指標。石川河富平地下水庫綜合效益評價指標體系如圖4所示。

圖4 石川河富平地下水庫綜合效益評價指標體系

為判斷石川河富平地下水庫綜合效益評價指標體系的科學性,通過計算克倫巴赫α信度系數法,對其進行信度分析[26]?？藗惏秃招哦认禂翟酱?則所選擇的指標可信度越大,評價指標體系越可靠。經信度分析得到α=0.763,表明建立的石川河富平地下水庫綜合效益評價指標體系可信程度較好。

3.3 情景設定及數值分析計算

3.3.1 情景設定 結合評價指標體系,通過對研究區現狀分析得出,影響地下水庫綜合效益的主要因素為地下水的補給及開采情況。為確定不同補給條件、不同開采條件下,石川河富平地下水庫調蓄是否能達到滿足生產生活需求、改善生態環境現狀、促進社會經濟發展的目的,以2018年為基準年,2030年為規劃年,進行情景設定。

在對補給條件進行設定時,要同時考慮天然補給項和人工補給項,研究區范圍內天然補給項的變化主要由降水情況決定。故按照降水頻率,分別設計豐水年、平水年、枯水年時的補給量作為天然補給條件;對于人工補給項,根據《陜西省石川河富平地下水庫調蓄效果與生態環境關鍵技術研究》的研究成果,擬修建的石川河富平地下水庫嘗試取東莊水庫水源進行回灌補給地下水,回灌方式采取逐日回灌,且以最大入滲能力進行回灌,回灌補給量為3 712.72×104m3/a。

在對開采條件進行設定時,根據《全國水資源承載能力監測預警技術大綱》對地下水開采量指標的規定:對于現狀地下水開采量大于可開采量的,地下水開采量指標采用可開采量;對于地下水開采量尚有一定潛力的地區,地下水開采量采用地下水開采控制量。由文獻[27]可知,2030年富平縣開采控制量為9 600×104m3,開采量為8 640×104m3。通過對富平縣與研究區多年開采量對比分析計算可知,2030年研究區開采量相較基準年縮采了13%,同時考慮到地下水庫建設運行情況,人工開采量可同程度增大,因此,設定增采13%的情景。綜上,地下水庫調蓄情景設定具體內容如表2所示。

表2 地下水庫調蓄情景設定

3.3.2 評價指標數值分析計算 根據前文情景設定,采用頻率計算、趨勢法、水量平衡法、三維地質模型、地下水流數值模型等,對不同情景的評價指標數值進行分析計算。

(1)水資源效益指標

降水量:根據該區域1952—2018年的降水量資料,對區域降水頻率進行計算,繪制降水頻率曲線,從而得到各設定情景中的降水量。

地表水資源量:研究區范圍內的地表水資源量主要為石川河河谷區自產徑流,現狀條件下,石川河為季節性河流,僅在雨季和洪水時期有水,考慮到對地下水庫調蓄和后續對生態基流的補充,石川河有望恢復徑流。因此,參考1978—2012年石川河河道徑流資料計算各設定情景中的地表水資源量。

地下水資源量:研究區范圍內地下水包括宜井區和非宜井區兩個部分,由于非宜井區面積小,地下水因埋深大或水質差而難以利用,其水量不計入水資源量,本次研究只計算宜井區的水資源量,根據區劃大綱規定,區內地下水綜合補給量即為該區的地下水資源量。

地下水資源開發利用率:該地區的地下水開發利用主要是工農業開采,故以基準年2018年的開采量為基數,分別計算得到不同情景下的地下水資源開發利用率。

供水模數:在地下水庫建成運行后,研究區內的供水能力將進一步增強。根據相關規劃[27]和外調水源的地下水回灌量,計算2030年規劃年的供水量,從而得到供水模數。

各行業用水比例:根據相關規劃,對各行業用水比例進行計算,其中規劃年內第一產業用水比例可通過定額法計算;第二產業用水比例可根據產業增加值用水量來計算;第三產業用水比例可按照經濟增長水平計算;生活用水比例根據居民生活用水定額的規定進行計算;生態用水比例根據研究區相關規劃得出。

(2)生態環境效益指標

地下水埋深、含水層滲透系數、地下水位增幅、地下水垂向補給模數、地下水均衡差:隨著地下水庫修建運行,人工回灌致使其天然演變規律發生變化,因此,建立地下水流數值模型,對各情景生態環境效益指標數據進行模擬計算。其中地下水埋深、地下水位增幅根據地下水流數值模擬可得;含水層滲透系數采用構建模型率定的滲透系數作為樣本數據;各情景下地下水垂向補給模數、地下水均衡差指標數據可通過模型結果讀取相關數值進行計算。

含水層厚度:利用GMS(Google mobile service)軟件中的SOLID模塊下的地層鉆孔插值法,建立地質結構三維可視化模型,通過生態環境模型計算平均含水層厚度作為規劃年相關指標數據。

地形坡度:選取基準年研究區數字高程影像數據,通過GIS(geographic information system)工具生成坡度值,以此作為相關指標數據值。

水功能區水質達標率:根據《陜西省水功能區劃》石川河現狀水質為Ⅲ級,目標水質也為Ⅲ級。由于良好的滲透性,該地區地下水水化學性質與地表水相近,且回灌水源水質優良,因此,在考慮沒有重大影響下,以基準年水功能區水質達標率作為相關指標數據。

(3)社會經濟效益指標

社會經濟效益指標表現了各行業的用水水平,展示了區域經濟發展能力,表征了水資源與經濟發展的協調性。根據相關規劃,預計2020—2030年的經濟以年均增長15%速度發展,到2030年三產結構預期可達到10∶55∶35。綜上,結合各行業用水情況,計算規劃年經濟社會指標數據。

3.4 制定評價等級

在進行評價之前需要確定評價指標分級標準,制定評價等級。評價等級的確定可以更加直觀地展現評價結果的優劣。結合研究區具體情況,確定地下水庫綜合效益評價指標分級標準,將各指標分級標準導入RAGA-PPC模型,對運行參數進行設定,經過迭代運算可得出相關評價結果,從而得到綜合效益評價等級以及準則效益評價等級,結果如表3所示。

表3 地下水庫效益RAGA-PPC模型評價等級分級標準

3.5 結果與分析

結合RAGA-PPC模型建模流程和評價指標等級,對基準年和規劃年各情景石川河富平地下水庫水資源效益、生態環境效益、社會經濟效益以及綜合效益進行評價,評價結果如圖5所示。

圖5 基準年和規劃年各情景石川河富平地下水庫綜合效益評價結果

由圖5(a)可得,2018年水資源效益狀態為Ⅴ級(極低)。與基準年相比水資源效益增長最大的為情景d,達到II級(較高),增長最小的為情景i,達到Ⅲ級(中等),其余各情景均在Ⅲ級以上。在人工回灌地下水后,地下水資源得到了補充,地下水可利用量增多,在管控地下水開采的情況下,水資源效益有了明顯的好轉。

由圖5(b)可得,2018年生態環境效益狀態為Ⅴ級。與基準年相比,增長最大的為情景d,達到II級,增長最小的為情景i,達到Ⅲ級,其他均在Ⅲ級以上。當降水充沛,地下水開采量受到控制時,地下水補給項增加,地下水位抬升,過度開采形成的地下水降落漏斗逐漸“填平”,研究區內地下水系統長期負均衡狀態逐漸轉向正均衡狀態,生態環境有了明顯改善。但隨著補給量的增加,地下水位抬升過高,會對研究區內的地下水徑流、農作物生長以及建筑和地下工程設施造成影響。由于天然補給項不易控制,故需考慮控制人工補給量來進行調蓄,應設定調蓄上限水位,結合當地農作物類型和建筑基礎埋深,在不引起土壤鹽漬化、地下水咸化、建筑沉沒的前提下進行回灌,維護研究區內恢復的生態環境效益。

由圖5(c)可得,2018年社會經濟效益狀態為Ⅴ級。與基準年相比,增長最大的為情景d,達到Ⅲ級,增長最小的為情景i,也為Ⅲ級,其他情景均為Ⅲ級。地下水庫的修建,涵養了當地的地下水源,保障了各行業的用水安全,社會生產力有了大幅度的提升,從而使社會經濟可以穩定高速發展。對規劃年內各情景社會經濟效益指標數據分析可知,除去萬元農業增加值用水量,其他指標數據在各情景下均相似,這是由于不同降水頻率導致農業用水量不相同,而其余指標變化不大,因此,各情景下的社會經濟效益相差不大,都穩定在Ⅲ級。

由圖5(d)可得,規劃年各情景下石川河富平地下水庫綜合效益均有明顯提升。2018年地下水庫綜合效益狀態為Ⅴ級。與2018年相比,增長最大的為情景d(豐水年的補給量、回灌補給為3 712.72×104m3/a、減少基準年開采量的13%),最佳投影值達到了4.046 2,地下水庫綜合效益狀態為Ⅲ級;增長最小的為情景i(枯水年的補給量、回灌補給為3 712.72×104m3/a、增加基準年開采量的13%),地下水庫綜合效益狀態也為Ⅲ級,其他情景地下水庫綜合效益均在Ⅲ級以上。

4 討 論

對比前人研究,就評價體系構建而言,鄭德鳳等[11]僅對地下水庫調蓄水資源進行了評價;王輝等[19]只考慮了地下水庫的經濟價值,雖然提出生態環境效益的重要性卻沒有展開具體研究。而本文從整體角度出發,闡明了地下水庫綜合效益的內涵及三大效益之間的關系,從水資源效益、生態環境效益、社會經濟效益3個方面構建了地下水庫綜合效益評價體系,通過評價模型,將地下水庫綜合效益有效量化。同時為進一步驗證評價體系及評價模型的可行性,以石川河富平地下水庫為實例展開研究,研究得出富平地下水庫修建后運行至2030年時,當地的水資源和生態環境均會有明顯改善,張紫瑤等[28]和石文凱等[29]對富平地下水庫調蓄的模擬研究也表明,該地下水庫的調蓄可以較好地涵養水源。

綜上所述,該評價指標體系切實可行,可廣泛應用于地下水庫綜合效益評價,但在具體評價時,還需根據當地實際情況調整指標,以期更符合該地區的具體情況。

本次研究為地下庫綜合效益評價提供了一個新思路,對后續研究提供了借鑒和參考。同時也回答了石川河富平地下水庫建成后效益如何以及對生態環境、經濟社會發展有何影響的問題,可為后續地下水庫的規劃、建設、管理提供科學依據。

5 結 論

(1)對地下水庫綜合效益的內涵進行了探討,闡明了水資源、生態環境、社會經濟各系統之間相互支持、相互影響的互饋關系,得出了各系統共同影響著地下水庫綜合效益的結論。

(2)從整體角度出發構建了地下水庫綜合效益評價指標體系。該指標體系包含3項準則(水資源效益、生態環境效益、社會經濟效益)和5個要素(水資源量、水資源開發利用、地下水脆弱性、生態環境、社會經濟),能夠充分反映地下水庫綜合效益,涵蓋了與其自身屬性緊密相連且針對性較強的指標。該評價指標體系可以廣泛應用于各地區多指標地下水庫綜合效益評價。

(3)選取26項評價指標對陜西省石川河富平地下水庫進行了實例運用,并采用克倫巴赫信度系數判別評價了指標可信度。同時根據不同補給條件、不同開采條件,以2018年為基準年,2030年為規劃年,設定了9種石川河地下水庫擬建后的情景。采用RAGA-PPC模型,對石川河富平地下水庫擬建后各準則效益和綜合效益進行了評價,結果顯示各情景地下水庫各準則效益和綜合效益均有明顯提升,在該地修建地下水庫具有較好的生態維護價值和水資源恢復效果,間接論證了修建石川河富平地下水庫的必要性。