长江中下游地下水资源战略储备选址适宜性评价指标体系

吴庆华，汪 啸，范 越

(长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

由于人类活动加剧与自然气候条件的复杂性，极端干旱气候发生频率呈现上升趋势。如云南2009—2013年，连续4 a干旱，大量中小河流断流和小型水库干涸，特别是2010年春旱，经济损失达340亿元[1]。张午朝等[2]认为1961—2015年长江流域特干旱发生次数呈明显升高趋势。突发事情频发，地表水易遭受污染，难以应对水资源短缺，存在供水安全隐患[3]。如2005 年11月发生的松花江污染事件，导致哈尔滨市停水4 d，引起国内外高度关注，为中国城市水源安全敲响了警钟。利用地下水资源战略储备，建立应急利用机制，可解决城市突发事情(如污染，战争与地震等)造成的水资源短缺问题，已成为维护城市供水安全的当务之急。

针对地下水战略储备与利用的问题，Mianaboadi等[4]认为地下水资源战略储备可抵御百年一遇极端干旱，并建议采用“最大可能干旱”概念来评估与管理地下水战略储备(借鉴于地表水库安全风险管理)。

美国自19世纪末开始对含水层的储存与回采(ASR)技术进行研究，已建204处地下水储备区，如Texas在18 a内利用ASR技术向地下含水层储存0.7×108m3地下水，提高了该区域地下水供水安全能力。Jeong等[5]认为淤堵和水质污染是ASR运行面临的主要问题。Brown等[6]采用含水层恢复指数、综合参数和注水率等三个无量纲评价ASR战略储备区选址的适宜性，而Owusu等[7]利用遥感和地理信息系统(GIS)技术评价ASR地下水储备的可行性。为了减少地表水蒸发和抵御暴风雨的影响，在河床筑坝将地表水储存于地下水含水层[8]。Mohieldeen等[9]采用地理信息系统(GIS)和地下水位动态变化识别地下水下降区域，并利用人工回补的方式增加该区域的地下水战略储备资源，以应对水资源短缺等问题。

吴爱民等[10]从地下水特有安全优势角度，提出了可采用地下水战略储备应对突发性水危机，保障国家供水水安全。曹佳[11]认为利用巨大的含水层空间可储存战略地下水资源，提升上海市应对极端事情的供水安全保障能力。截至2018年，上海市已建30眼回灌井，每年回灌储水量2 107万m3，为上海市应急供水提供了安全保障。刘金峰[12]提出了地下水应急供水储备区的选址原则，并以吉林市为例开展了地下水应急供水选址评估，认为可通过建立一定规模的地下水战略储备，以应对过度依赖以松花江作为主要供水水源而带来的供水安全问题，并提出了应急利用方案。杜新强[13]利用地下水位降落漏斗空间对大庆市进行水资源人工调蓄，缓解地下水超采问题，提升地下水应急供水能力。赵志江和于淑娟[14]认为科学合理地开发利用地下水资源、实施地下水资源储备战略，是保障浙江省可持续发展和未来水安全的一项重要措施。李志强等[15]建议充分利用地下巨大的储存空间，采用“以丰补欠”的原则，充分增大地下水的战略储备与利用等调蓄能力，则在遭遇极端干旱以及污染等突发事件时，可开采利用，以提高供水保障程度。郑凡东等[16]针对北京市西郊，认为在平水年条件下通过“引源增渗”建立地下水战略储备。钟华平[17]对我国地下水战略储备区划定以及储备区的管理与保护提出了初步思路。但是，采用人工回灌的方式建立地下水战略储备存在成本效益比不清晰、回灌堵塞和水质影响不确定等问题，使得我国地下水储备与应急利用进展缓慢[18]。2021年12月1日实施的《地下水管理条例》对国家地下水储备提出明确要求，表明：地下水战略储备是未来地下水供水安全的重要研究方向。

综上所述，对地下水战略储备研究主要集中于地下水储存及其可能带来的水环境影响，且在国际上有了较好的应用和推广；而在国内主要是针对北方水资源严重缺乏的地区尝试性开展地下水资源战略储备研究，但在地表水资源总量相对丰富的长江流域，尚未开展相关研究，特别缺乏适宜于长江流域的地下水战略储备选址指标体系，对地下水应急利用更是少有报道，难以适应长江流域日益增加的极端干旱与污染风险而导致的对水资源安全的需求。

2 长江中下游地下水资源特点

2.1 时空不均匀性

长江中下游地下水资源分布主要受地质构造、气候、水文和水资源开发利用等因素影响。从水循环分析，地下水资源主要受降雨的时空分布特征影响；从地下水赋存条件分析，地下水资源分布主要受含水层岩性、厚度、储水性质以及补给、径流、排泄特征的影响。根据2020年长江流域水资源公报[19]，长江中下游地下水资源量为1 572.14亿m3，鄱阳湖水系和洞庭湖水系地下水资源量最大。

2.2 地下水和地表水相互作用强烈

根据2020年长江流域水资源公报，长江中下游地表水与地下水重复计算量为1 453.05亿m3，占地下水资源量总量的92.4%，表明地表水与地下水相互作用非常强烈。

2.3 地下水的生态功能特征

地表水资源量巨大，主要以地表水为主要供水水源，如2020年，地表水供水量为1 495.64亿m3，地下水为27.88亿m3。无论从供水量还是水资源总量来看，地下水的占比都很小。但从整个水循环角度考虑，地下水对维持整个生态具有“四两拨千斤”的作用。主要表现在：①维持植被生长；②维持地表湿地与河流的生态环境健康；③维持农作物生长；④维持水文地质景观功能不丧失。

3 地下水储备选址原则

3.1 分散性与集中性统筹

拟选地下水储备区应先考虑人口分布情况，宜建立在中心城区或周边区域，且需要配套相应的供水设施进入市政管网，具备集中供水的特点。考虑单独地下水储备区供水能力与人口生活密集区分布不均的特点，则需要根据实际需求，分散性地建立不同规模的地下水储备区，且可规避单个储备区安全风险的问题，提高其应急供水安全系数。

3.2 储水量与供水能力均衡

当地下水储水层储水量足够，可开采量大，与之匹配设施的提水能力不足时，应急供水能力将受限于地下含水层的提水或供水能力；当地下水储量规模偏小，而与之相匹配的供水能力过大时，供水能力则受地下水储水量规模约束。只有当地下水储水规模与供水能力相匹配时，地下水的应急供水效率最优。

3.3 地下水水质与用途相适应

地下水质应与供水对象对水质需求相适应，如地下水质Ⅲ类标准以上时，可用于集中式饮用供水，而低于Ⅲ类标准则可用于农业、工业和生态应急用水。

3.4 浅层与深层地下水互补

从地下水水量与水质角度，统筹考虑浅层和深层含水层水资源储量，同时储备方式以应对极端干旱气候事件。在长江中下游，浅层地下水丰富，但时空分配不均，且浅层地下水普遍遭受污染，污染区域人口密度高、水资源需求大。因此，可考虑采用深层地下水作为饮用水应急供水，浅层水作为工业和农业应急用水。

3.5 与地表水的联系及独立性

长江流域地表水系发育，错综复杂，相互作用强烈。在洪水期，地表水补给地下水，但在枯水季节，地下水向河流排泄。地表水对地下水的影响随距地表水系的距离增加而减弱，即地下水对地表水系的响应具有一定滞后性。当距地表水系足够远时，地下水在短时期内不会随地表水动态的影响而发生明显变化，即地下水具有相对的独立性。

3.6 可恢复性与超采性兼顾

抽取地下水时形成一定规模的降落漏斗，在水力梯度的作用下，区域地下水不断补给目标含水层，维持含水层的持续开采能力，具有可恢复属性。当遭遇极端事件时间长、涉及面广时，地下水可过度被抽取，地下水位持续下降，形成明显的超采区。当极端事件结束后，停止对地下水的开采，在自然条件下地下水位逐渐恢复，如果超采较为严重，需采取回灌等方式恢复地下水环境。

4 影响因子

4.1 地下水储备区供水能力

(1) 含水层储水能力。足够大的储水空间是地下水调蓄的重要前置条件之一。库容大小与库区面积、含水层厚度、储水介质给水度成正比。储水空间愈大，调蓄能力愈强。

渗透系数和给水度决定了含水层的富水性，是含水层储水能力的重要指标之一。

(2) 地下水水质。供水水源水质应符合或处理后符合应急供水标准。供水水质可根据应急供水用途不同而有所差异，如用于城市生活用水应急供水的水质应符合《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)和《城市供水水质标准》(CJ/T 206—2016)。用于农田灌溉时应符合《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2021)。

(3)地下水开采程度。在现有条件下及水资源可持续开发利用的情况下，应评估储备区还有多少水量可开采用于战略储备。在建立地下水战略储备时，应急供水总量应充分考虑储备区已有的地下水开发利用情况。

(4) 地下水补给能力。地下水战略储备区应选在地下水补给条件较好区域。地下水补给条件是储备区水量得以持续保障的重要条件之一，对储备区的应急供水能力的可持续性至关重要。

(5) 储备区自身安全性。地下水储备区应具有较高的安全性，抗干扰能力强，可抵御因地震、战争等突发性事件所带来的环境污染与损坏。同时，需考虑储备区周围是否存在潜在污染源。

4.2 应急利用能力

(1) 应急供水时间。应急供水时间，一定程度上反映地下水储备区与目标供水的距离关系，距离越短，则应急供水达到目标区域的时间越少。应急供水时间还与目标供水的需求有关，如优先向医院、学校等重要机构供水。

(2)水源提取能力。供水水源应在较短时间内尽可能提出所需水量，配套设施的提水能力决定了应急供水的水量要求。

(3) 管网供水能力。供水管网的输水能力，在一定程度上决定了该区域地下水应急供水的能力。

(4) 与城市距离。地下水储备区与城市距离越近，有利于提高应急供水的时效性。但地下水储备区不适合建立在人口密集的居民区或有重要设施集市。

4.3 社会经济发展

(1) 需水量。应急需水量与目标区域遭受缺水严重程度、人口密度及总量相关。目标区缺水程度及应急区域越大，总需水量越大。而需水量又应与地下水储备区总供水能力相匹配。因此，储备区的供水能力不应小于其拟供水范围内极端情况缺水时的总需水量。

(2) 应急供水等级。供水优先满足城镇生活用水，其次用于工业或农业用水。

(3) 已有应急供水水源供水能力。目标城市或区域内已建立的应急供水水源能承担拟建地下水战略储备区供水的部分压力。

(4) 应急供水经济成本。应急供水水源地选择要兼顾水源地开发成本和输水成本以及对水源区的经济影响等，尽可能实现经济成本最低化。

4.4 环境灾害影响因素

在应急情况下，短时期内集中开采地下水，甚至在连续干旱或其他极端情况下，允许超采地下水维持社会稳定。尽管应急事件结束后，可通过系列措施恢复地下水系统，但在开采情况下，由于形成了降落漏斗，可能会引发系列环境灾害问题，如降落漏斗、地面沉降、岩溶塌陷等现象。

地表覆盖层越厚，含水层富水性越好、厚度越大及补给能力越强，则形成的次生环境灾害问题将越弱。

5 评价指标体系

综合考虑区域水文地质条件以及区域地下水开发利用现状，利用层次分析模型，建立包括目标层(A)、准则层(B)、属性指标层(C)三个层次结构地下水资源战略储备区选址的指标体系，以评价目标区的地下水资源战略储备的适宜性，为储备区选址提供科学依据。图1为地下水资源战略储备选址适宜性评价体系。

图1 地下水资源战略储备选址适宜性评价指标体系Fig.1 Indicator system of suitability evaluation for groundwater strategic reserve

5.1 指标判断矩阵及权重确定

5.1.1 指标判断矩阵

经专家咨询与评分，认为地下水储备区供水能力、地下水应急利用能力、社会经济能力以及环境灾害影响对地下水资源战略储备区选址适宜性评价的重要性依次减弱。

将每一层次中的各影响因素与上一层中的某一元素进行两两重要性比较，并将量化比较的结果写成矩阵形式，建立判断矩阵。判断矩阵表示对上一层次某因素，本层次与之有关的各因素之间的相对重要性，重要程度按表1进行赋值。

表1 重要性标度含义

目标层A与准则层B之间的A-Bi(i=1，2，3，4)判断矩阵见表2。准则层B与属性指标层之间的判断矩阵为：B1-Ci(i=1，2，3，4，5)，B2-Ci(i=6，7，8，9)，B3-Ci(i=10，11，12，13)，B4-Ci(i=14，15，16)，分别见表3至表6。

表2 判断矩阵A-Bi(i=1，2，3，4)

表3 判断矩阵B1-Ci(i=1，2，3，4，5)

表4 判断矩阵B2-Ci(i=6，7，8，9)

表5 判断矩阵B3-Ci(i=10，11，12，13)Table 5 Judgment matrix B3-Ci(i=10，11，12，13)

表6 判断矩阵B4-Ci(i=14，15，16)

5.1.2 权重确定与一致性检验

5.1.2.1 权重确定

通过判断矩阵计算出最大特征值所对应的特征矢量，该特征矢量即为各参数的权重，并对特征矢量进行归一化处理。

判断矩阵A-Bi(i=1，2，3，4)，B1-Ci(i=1，2，3，4，5)，B2-Ci(i=6，7，8，9)，B3-Ci(i=10，11，12，13)，B4-Ci(i=14，15，16)的特征矢量分别为：

ωA-Bi=(0.525 4，0.300 9，0.110 4，0.063 4)T；

ωB1-Ci=(0.406 9，0.246 4，0.185 9，0.108 5，0.052)T；

ωB2-Ci=(0.508 6，0.279 1，0.127 1，0.08 5)T；

ωB3-Ci=(0.510 9，0.303 7，0.133 5，0.051 9)T；

ωB4-Ci=(0.581 3，0.309 2，0.109 6)T。

5.1.2.2 一致性检验

采用公式CR=CI/RI进行判断矩阵一致性检验，其中CR为一致性比例，CI为一致性指标，RI为判断矩阵的平均随机一致性指标(见表7)。

表7 随机一致性指标RI值

当CR<0.1时，认为判断矩阵的一致性可接受。判断矩阵一致性检验情况如下：A-Bi(i=1，2，3，4)，CI=0.006 71，CR=0.007 46；B1-Ci(i=1，2，3，4，5)，CI=0.050 2，CR=0.044 8；B2-Ci(i=6，7，8，9)，CI=0.053 4，CR=0.059 3；B3-Ci(i=10，11，12，13)，CI=0.041 3，CR=0.045 9；B4-Ci(i=14，15，16)，CI=0.001 84，CR=0.003 19。

从以上分析可知，全部判断矩阵的CR值均<0.1，均通过一致性检验。

5.1.2.3 影响因子权重排序

地下水储备区供水能力(B1)、地下水应急利用能力(B2)、社会经济能力(B3)、环境灾害影响(B4)分别占地下水资源战略储备区选址适宜性评价权重的52.54%、30.09%、11.04%和6.34%，表明，地下水储备区供水能力在地下水资源战略储备选址中至关重要。表8为准则层各因素对目标层的总权重及其排序情况。据表可知，含水层储水能力所占权重最大(0.213 8)，其次为应急供水时间(0.153 0)和地下水补给能力(0.129 5)。权重排在前5的影响因子权重之和高达0.677 9。

表8 地下水资源战略储备区选址适宜性评价影响因素排序

5.2 影响因素分级与赋值

(1)含水层储水能力(C1)：是地下水资源储备区含水层能储备的总水量，在数量可近似等于储存区含水层体积与给水度或释水系数乘积，相当于地下水库的总库容，包括可开采的和不能开采的地下水资源总量。地下水战略储备区储水能力可根据地表水、地下水库等级分类标准划分为5类。

(2)地下水补给能力(C2)：包括垂直入渗补给、含水层侧向补给及河流等地表水体补给。地下水补给能力越强，地下水资源储备区可持续供水时间越长、供给能力越强。

(3)地下水水质(C3)：根据《地下水质量标准》(GB/T 14848—2017)将地下水质划分五类，Ⅰ类和Ⅱ类适用于各种用途，分别赋值10和9。Ⅲ类水适用于集中式生活饮水及农业用水，而Ⅳ类水适用于农业和部分工业用水，适当处理后可作为生活饮用水，对应急供水具有一定的影响。

(4)地下水开采程度(C4)：为已开采的地下水资源量与最大允许开采资源量之比。最大允许开采资源量为在不影响生态环境情况下，可持续开采的地下水资源最大量。开采程度越高，得分越低。

(5)储备区自身安全性(C5)：地下水战略储备区与地表水相比，自身安全性具有明显优势，不易遭受人类活动破坏，水质更好。但在选址时应考虑地下含水层自身的安全性，如远离垃圾填埋场、黑臭水体等污染源。自身安全性越高，赋值越大。

(6)应急供水时间(C6)：应急供水时间是衡量应急体系效率最直接的指标。应急供水时间以因应急事件缺水导致影响居民生活用水的程度为依据确定应急供水等级及其赋值。应急供水时间越短，则赋值越大。

(7)水源提取能力(C7)：采用潜水泵等设施将地下水从含水层中提取至地表，进入应急供水管网。水源提取能力应与需水量相匹配，即理论上最大水源提取能力应大于最大需水量。水源提取能力仅反映从地下含水层提取水资源的能力。

(8)管网供水能力(C8)：应急供水管网输送水的能力要明显大于水源提取能力，为后期扩建，提升水源提取能力留有空间。因此，管网供水能力，在数量上按2倍于水源提取能力进行分级与赋值。

(9)与城市距离(C9)：地下水资源储备区与应急供水目标区的距离越近，应急供水效率越高。考虑地下水资源储备区主要以城镇郊区或邻近区域为主要选址对象，则与中心城区或目标供水区域的距离以30 km为界限。超过30 km供水相对困难，应急供水意义不足。

(10)需水量(C10)：根据《城市居民生活用水量标准》(GB/T 50331—2016)，湖北等长江中下游城镇居民用水量指标为120～180 L/(人·d)。考虑到应急水资源紧缺的特殊性，应急状态下供水标准取下限。需水量为人均用水标准与人口总量及应急时间的乘积。

(11)应急供水等级(C11)：根据应急供水的用户对象，将应急供水等级划分Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，分别用于医院、学校、居民、市政、工业。

(12)已有应急供水能力(C12)：包括地表水和地下水以及其他水资源的总应急供水能力。

(13)应急供水经济成本(C13)：包括应急水源的建设、维护与正常运营等方面的综合费用。以城镇自来水经济成本即单价为参考，低于该成本价为最优经济成本水平。

(14)降落漏斗(C14)：应急抽取地下水形成降落漏斗，可能对地下水环境造成一定影响。以降落漏斗面积分级并赋值。

(15)地面沉降(C15)：地下水位下降可能导致地面沉降问题，其沉降范围应比降落漏斗范围小。

(16)岩溶塌陷(C16)：在地下水位快速下降的过程中，岩溶管道或腔体，因渗流与自重等作用发生“真空吸蚀”等现象，导致地面出现塌陷。以形成岩溶塌陷面积大小为依据进行岩溶塌陷分级与赋值。

根据以上分析，16个影响因素分级与赋值详细情况见表9。

表9 影响因素分级及其赋值

5.3 适宜性分级标准

根据各个因子在各个评价单元上分级赋值情况，获得评价区各个因子的评分图，再按各个因子的相对权重值进行图层间叠加求和，获得各单元的地下水资源战略储备选址适宜性分区图，其分级情况见表10。

表10 地下水资源战略储备选址适宜性分区分级标准

6 结 论

(1)地下水资源具有安全性好、空间分布广与可恢复性等优势，可作为长江流域地下水资源丰富地区应对极端干旱或污染等事件而导致的供水安全问题。

(2)根据长江流域中下游地下水资源特点与对水安全的战略需求，提出了地下水战略储备选址应该考虑地下水资源的分散性与集中性统筹、地下水储水量与供水能力均衡、地下水水质与用途相适应、地下水水质与用途相适应、浅层与深层互补、与地表水的联系与独立性以及可恢复性与超采性兼顾等方面的原则。

(3)从地下水储备区供水能力、应急利用影响、社会经济发展、环境灾害影响等四个方面提出了16个影响因子，并确定了各影响因子权重，其中含水层储水能力和应急供水时间权重最大，分别为0.213 8和0.153 0，应急供水经济成本权重最小，为0.005 7。

(4)采用影响因素赋值与权重，可对地下水战略储备区选址的适应性进行分级评估，其结果可作为城镇地下水战略储备区选址的依据或参考。

(5)本文所采用的方法为专家打分制，存在一定主观误差，可通过增加咨询专家数量或同时采用其他评价方法进行综合比对，以提高影响因素权重确定的客观准确性。