高世乾, 魏建兵, 郑尧文, 张 娜, 石新竹, 刘景琦

(沈阳大学 区域污染环境生态修复教育部重点实验室, 辽宁 沈阳 110044)

近年来,随着人口增长和经济增速,地表水资源不断出现水量不足和水质不达标的问题,工农业用水更加依赖地下水.沈北新区是我国东北平原地区大型城市扩张和农业集约经营发展的典型代表地区,是我国近年来确定的城市可持续发展综合实验区之一,由于城市化和设施农业的快速发展,该地区地下水环境已经受到了一定程度的污染[1-3].为维护该地区生态环境和经济增长的协调可持续发展,保护和改善地下水环境质量具有迫切的需求.然而,目前在大城市城乡交错区城市扩张和农业集约经营背景下,尚缺乏对地下水环境质量现状和存在的环境风险等的基础研究.

地下水环境风险评价起源于Margat提出的地下水脆弱性评价[4].地下水脆弱性评价最为常用的方法是DRASTIC框架,在此基础上,学者们不断优化模型参数及其分级标准确定方法,不断改进模型的性能[5],但很长一个时期是限于自然地质条件的地下水固有脆弱性研究.随着人类活动加剧,人类对地下水环境造成的影响愈加严重,于是在固有脆弱性的基础上提出了考虑人类活动因素的特殊脆弱性评价,并从污染程度评估逐渐过渡到了地下水环境风险评价[6].

有学者认为地下水环境风险主要取决于农业灌溉与人类活动用水,与地下水自然储存量相关性不大[7].国内又选取了水质和水量相关指标构建了风险评价指标体系,但在分析人类活动对地下水环境的影响方面还不够详尽[8].在地下水环境评价风险理论的引入方面,冯平等[9]引入突变理论减少了传统权重方法中主观因素的干扰,但有关风险原理体现还不够深入.李如忠等[10]从自然属性和人类活动2个方面筛选出指标构建指标体系,提出了一种模糊多指标分析方法,但其风险等级与风险重要性的划分主观性较强,可能使结果产生偏差. 孙才志[11]等人在风险评价中结合风险理论[12]和环境风险理论构建中大流域尺度评价体系取得了较好的结果,这种方法是否适合中小尺度的城市化地区应用,还有待检验.随后,张兰真[13]等人也指出了在指标选取、权重确定以及风险性方面存在的一些问题,并给出建议,但尚没有将其应用于实践中.

基于国内外地下水脆弱性风险评价研究进展分析,本文选取了结合自然灾害风险理论构建的评价模型,针对城市化和农业集约发展的典型案例区开展地下水环境风险评价,并探讨风险级别、风险格局与土地利用和社会经济发展的空间关系,可为该地区和其他类似地区城市发展过程中地下水环境管理和土地利用优化提供参考.

1 研究区概况

沈北新区位于沈阳中心城区北部,地理坐标介于东经123°16′～123°48′,北纬41°54′～42°11′之间,包括新城子街道、清水台街道、辉山街道、道义街道、虎石台街道等14个街道(乡、镇),人口36万,区域面积821 km2.2006年经国务院批准,沈北新区成为国家级开发建设新区.设立为开发区后,其第一产业仍占有比较大的比重,传统农业改造形成集约经营的种植基地、养殖基地,设施农业达到70%以上,农药、化肥等投能力度不断增大,对地下水环境的影响日益增强.靠近城区的区域重点发展第二产业,截至2015年,沈北新区已经引进众多工业项目,规模以上企业工业总产值达到1159.4亿元. 在过去10年中,该地区的工业发展和城市化建设发展迅速,城市化率近60%,国内生产总值较10年前相比增长了3.4倍.在追求经济发展的同时,水资源缺乏和水污染情况普遍存在,城市和工业的大规模开发以及农业的集约化经营对生态环境的影响不断凸显.

沈北新区地势较为平坦,东高西低.区内河流较多, 辽河位于该地区的北部边界,蒲河位于中南部地区.区内东部属于山丘基岩和岩溶水文地质区,由于大量的断裂带,蓄水为裂隙水和岩溶水.北部和西北部属于辽河河谷潜水文地质区,含水层的厚度为5～70 m,下层为砂砾和卵石,上层为细沙和中沙,是该区地下水的主要储存区.中部山前为倾斜平原,黄土状黏土外露.南部山前为浑河冲洪积扇区,承压水文地质区,地表岩性大部分属于黄土状黏土.中南部水资源较缺乏,该地区属北温带季风气候,多年平均降水量720 mm,多年平均气温6.8 ℃,土壤为棕壤,土地利用以城镇建设用地和农田为主,东南部有少量森林植被.研究区域位置、行政区划及水质和地质参数调查点分布见图1.

图1 沈北新区位置及地下水调查样点分布Fig.1 Location of Shenbei Area and sampling sites of groundwater in the area

2 研究方法

2.1 地下水环境风险评价建模过程

2.1.1 地下水环境风险指数模型

地下水环境风险是由地下水环境的复杂性和不确定性引起的,主要包括地下水存在的自然环境和人类活动对地下水产生影响的社会环境,也就是说地下水环境风险是由地下水系统本身的固有脆弱性、功能性以及人类活动影响造成的胁迫性、适应性相互作用的结果[11].本次研究采用式(1)计算地下水环境风险指数为

R=V·F·S/A.

(1)

式中:R为地下水固有环境风险指数;V为地下水固有脆弱性(intrinsic vulnerability)指数;F为功能性(function)指数;S为胁迫性(stress)指数;A为适应性(adaptability)指数.

2.1.2 地下水固有脆弱性、功能性、胁迫性、适应性指数评价指标的选取

(1) 地下水固有脆弱性

地下水固有脆弱性是由该地区的水文地质环境所决定的,表明了外界污染物质进入地下水环境后对地下水造成污染的容易程度,脆弱性指数越高,则表明其越易受到污染.参照DRASTIC模型选取地下水埋深、地形坡度、土壤介质类型、地下水补给模数、地下水净补给量、水力传导系数、渗流区介质类型7个指标,地下水埋深数据来源于68个监测点的现场调查,地形坡度来自于沈北新区数字地形模型(DEM),土壤介质类型来源于沈北新区土壤图,其他4个参数来源于《辽宁省水文地质图集》等资料.

(2) 地下水功能性

地下水的价值体现了地下水的功能性,地下水价值主要分为资源价值、生态功能价值以及地质环境功能价值,选取地下水供水比、地下水开采模数、地下水漏斗比例面积、植被覆盖度、生物丰富度指数、湿地占有面积6个指标表征地下水的功能性,前3个指标参数来源于《辽宁省水文地质图集》等资料,后3个指标参数来源于沈北新区GEOEYE-1遥感影像(2015年)解译获得的土地利用/覆被矢量数据核算.

(3) 地下水胁迫性

地下水胁迫性是指地下水受到的威胁,也就是能对地下水造成负面影响的因素,分为水质胁迫和水量胁迫2方面,选取以下6个指标:工业废水排放总量、生活污水排放总量、化肥施用量、水资源开采模数、水资源紧缺程度以及干旱程度,前3个指标参数来源于《沈北新区统计年鉴2015》,后3个指标参数来源于《沈阳市水利志2005—2010》等资料.

(4) 地下水适应性

地下水适应性是指地下水在外界压力下的自我恢复能力以及人类为保护地下水而采取的措施.选取工业废水排放达标率、生活废水排放达标率、水利环保投资比重和废水治理设施数4个指标,指标参数来源于《沈北新区统计年鉴2015》.

2.1.3 地下水脆弱性、功能性、胁迫性、适应性指数计算方法

采用加权指数法分别计算脆弱性、功能性、胁迫性和适应性指数,计算公式为

(2)

式中:P为指数得分,无量纲;wi是因子i的权重,无量纲;Zi是因子i的评分(标准化数据),无量纲.

脆弱性指标权重和评分标准参照DRASTIC模型推荐值[13].地下水功能性、胁迫性和适应性则采用层次分析法确定各指标权重[14]. 为不同级别之间的指标构建了判断矩阵,在单准则下分别构造,即在一个准则层下对下一层指标构造判断矩阵.以此类推,采用1～9比例标度法比较不同元素的重要性,聘请3位水文地质、环境工程和环境生态方面的专家对判断矩阵进行评分,评分值采用Min-max标准化进行转化计算.

使用SPSS 22.0软件描述性统计方法(标准差)分析各个指数在不同区域间的差异性,使用ArcGIS 10.5软件进行各指数的分级和空间分布制图.

2.2 土地利用相关特征指标和社会经济发展指标的计算

解译沈北新区GEOEYE-1遥感影像(2015年)获得区域土地利用矢量数据,计算旱田占比、水田占比、旱田/水田面积比率,使用建设用地面积与区域总面积比计算土地城市化率,林地面积与区域总面积比计算植被覆盖率;查阅《沈北新区统计年鉴2015》获得12个街道(乡、镇)农业生产总值、工业生产总值数据,使用非农业人口数与总人口数比计算人口城市化率.

2.3 地下水环境风险与土地利用/社会经济指标之间关系的统计

在ArcGIS 10.2软件支持下,使用12个街道(乡、镇)边界切割相关数据,分别获得每个街道(乡、镇)的地下水环境风险指标值和土地利用特征指标值.将12个街道(乡、镇)作为分析样本,采用SPSS 22.0软件相关性分析功能(皮尔森相关系数、双尾检验)统计分析地下水环境与土地利用特征指标和社会经济发展指标之间的相关性,探讨人类活动对地下水环境的影响因素.

3 结果与分析

3.1 浅层地下水环境风险指数大小对比及空间分布

沈北新区各街道(乡、镇)浅层地下水环境5个指数对比如图2所示,脆弱性指数、胁迫性指数、功能性指数最大值分别出现在兴隆台镇、新城子街道和尹家乡,适应性指数最大值出现在辉山街道,这些指数在各街道(乡、镇)间的离散性不大(标准差分别为9.57、20.29、17.18和15.38),而通过这4个指数计算出来的风险指数的离散程度较大(标准差498.35)[13],风险指数大于1 000的出现在尹家乡、黄家乡、兴隆台镇和财落街道,这4个乡镇是沈北新区地势较低和水田分布集中的地区.

图2 沈北新区浅层地下水环境风险指数对比Fig.2 Comparison of shallow groundwater environmental risk index in Shenbei Area

沈北新区浅层地下水环境脆弱性指数、功能性指数、胁迫性指数、适应性指数等级分布见图3,浅层地下水环境风险指数分布格局见图4.由图3分析可知,该地区地下水脆弱性整体上由西北向东南递减,脆弱性高的地区主要分布在黄家乡、兴隆台镇、石佛寺乡和财落街道与尹家乡的北部.西北部地下水埋深浅,土地利用主要为集中开发的水田,地下水开采量大,化肥农药等投入量高.

图3 沈北新区地下水环境风险各指数等级分布图Fig.3 Distribution maps of groundwater environmental risk index in Shenbei Area

图4沈北新区浅层地下水环境风险分布图

Fig.4Distribution of shallow groundwater environmental risk in Shenbei Area

东部为丘陵台地区,地下水埋深较深,森林植被覆盖率高,农业和城市开发强度较小,地下水不易受到污染.但这些地区水田和湿地面积大,地下水的生产支持和生物多样性保护功能明显高于其他各地,因而表现出较高的功能性.城市化率高的道义街道和虎石台街道基本普及了自来水管道供应,地下水开采量和供给量小,表现为地下水功能性较低.道义街道、虎石台街道和新城子街道是地下水胁迫性高的集中区,该区域人类活动频繁,工农业发达.道义街道城市化率高,虎石台为主要工业区,人口密度大,产生的生活废水和工业废水和对地下水污染风险较大.新城子区集约化旱作农业面积大,设施农业化肥农药施用量大以及大量抽取地下水灌溉.地下水适应性较高的地区中心为辉山街道和虎石台街道,这2个地区污水处理设施完善、环保投资比重较大,表现出较高的适应性.适应性低的区域主要位于马刚乡和石佛寺乡,马刚乡地处丘陵区,农田面积较大,环保设施少,石佛寺乡位于辽河沿岸,地下水埋深浅,畜禽养殖规模较大.

根据图4可以看出,沈北新区环境风险指数空间分布特征类似于脆弱性指数,呈现西北至东南逐次降低的趋势.西北部的财落街道、兴隆台镇、黄家乡和尹家乡地下水环境风险等级高.地下水脆弱性与地下水功能性较高是造成这些地区地下水环境风险较大的主要原因.风险等级低和较低的区域主要分布在东南部,包括辉山街道、蒲河街道、虎石台街道东南部、道义街道南部,环境风险低是这些地区的水文地质条件较好、植被覆被较高和污水处理等环保设施较为完善等因子综合作用的结果.

3.2 土地利用和社会经济发展相关特征指标计算

通过遥感影像解译和实地调绘,参考《土地利用现状分类》(GB/T 21010—2017),制作的沈北新区土地利用图,见图5.整体土地利用格局表现为建设用地分布于区域南部,西北部主要为水田,东南部分布少量的森林植被,旱田主要分布于区域中部.按照街道(乡、镇)统计的土地利用/覆被类型比率、人口和社会经济特征指标见表1.超过50%水田占比的有石佛寺乡和兴隆台镇,新城子街道和财落乡旱田占比较高,均超过70%,水旱田比率最高的是石佛寺乡,植被覆盖率超过30%的为辉山街道和马刚乡,土地城市化率较高的是道义、虎石台和辉山街道,人口城市化率超过60%的有道义、虎石台和新城子街道,农业总产值占沈北新区总体农业产值超过10%的有辉山、新城子和财落街道,工业总产值较高的包括道义、虎石台和新城子街道.

图5沈北新区土地利用图
Fig.5Map of land use in Shenbei Area

表1 沈北新区各街道(乡镇)土地利用/覆被和社会经济指标Table 1 Land use/cover and socioeconomic indicators of all streets (townships) in Shenbei Area

续表1

街道(乡镇)水田占比%旱田占比%水田与旱田比植被覆盖率%土地城市化率%人口城市化率%产值占沈北新区总体产值比例/%农业工业辉 山18.268.342.1940.8630.8127.1232.629.08蒲 河26.1339.430.6610.3319.2921.460.394.42财 落2.6473.740.043.7719.0829.2920.134.80清水台3.6259.230.0619.2416.3844.245.240.94兴隆台60.2631.631.900.297.524.305.002.77黄 家36.2843.160.842.5710.2813.716.222.86石佛寺78.3711.316.930.178.0720.944.620.25尹 家18.6161.480.306.5813.0407.341.27马 刚3.2058.640.0530.256.8715.304.201.00

3.3 地下水环境风险与土地利用特征和社会经济发展的关联关系

为了考察地下水环境风险与土地利用和社会发展指标之间的关联,为区域城乡规划和环境管理优化提供依据,将2种类型的指标建立相关性矩阵,通过显著性检验识别特征指标,结果见表2.土地利用和社会经济指标中植被覆盖率与脆弱性指数显著负相关,水田占比与脆弱性指数正相关性较显著.胁迫性指数主要与人口城市化率显著正相关,与工业总产值和旱田占比正相关性较显著,与水田占比较显著负相关.功能性指数与人口城市化率显著负相关,与土地城市化率较显著负相关,与植被覆盖率和水田占比较显著正相关.影响适应性指数的只有植被覆盖率(正相关性较显著).由以上3个指数综合计算的风险指数与植被覆盖率显著负相关,与城市化率和水田占比呈较显著正相关.

表2 沈北新区地下水环境风险与土地利用和社会经济指标之间的相关性

注: *0.05置信水平的显著性;**0.01置信水平的显著性

综合各个指数的大小和空间分异性,以及其与土地利用和社会经济指标的相关性,分析认为,脆弱性的决定性指标主要是水文地质条件,以抽取地下水为灌溉用水的长期稻田开发利用能够增强易受污染的程度,提高植被覆盖率对于降低脆弱性有积极的效应.胁迫性的影响因素主要表现为城镇人口增长对地下水质和水量的干扰,同时水田和旱地的集约化利用造成的物质、能量投入加大也会对地下水环境产生明显的影响.地下水在农业地区的功能价值体现的较高,这与该区域城市化地区大部分水井关闭,而农田灌溉主要来源于地下水开采有关.提高植被覆盖率、增设污染处理设施、加大环保投入等措施对于提高地下水的适应性有积极的作用.针对以上4个方面指数综合的环境风险,适度控制城市的扩张规模和速率,加强植树造林力度,关注水田利用的节水技术和污染控制等是降低风险的有效途径.

4 结 论

沈北新区位于大型城市的城乡过渡区,是城市快速扩张和农业集约化经营的典型代表区,评估自然地质条件和社会经济活动对地下水环境的影响是维护区域经济与环境协调可持续发展重要的基础性工作之一.本研究基于风险理论模型框架,在水质监测、水文地质和社会经济发展数据调查分析的基础上,借助GIS等研究工具构建的地下水环境风险评价方法取得了较好的研究结果,可得出以下结论.

(1) 沈北新区地下水环境风险与地下水脆弱性空间分布具有相似性,从西北向东南呈现递减条带状分布趋势,因此,到目前为止,地质条件仍然是该区域地下水环境风险的主要影响因素. 增加植被覆盖率有利于降低脆弱性风险.

(2) 从胁迫性指数看,城市化和农业集约经营的规模和强度已经对地下水环境呈现出明显的潜在风险.需要在城镇化和农业集中开发的过程中减少对地下水系统的人为干扰.

(3) 从功能性指数看,西北部的大面积水田有较高的保护价值,应该得到进一步的安全生产保护.开发节水灌溉技术,降低地下水的开采量,加强农药化肥等物质投入的管理.

(4) 从适应性指数看,城市化开发过程中,注重自然植被的保护、增加人工造林、增设污水处理设施等环保投入对于维护地下水质量具有明显的效果.特别是农业农村地区分散性污染的治理和管理力度需要加强.

(5) 总体来看,在不可避免的城市扩张和农业集约化经营过程中,摸清区域环境风险空间分布格局,据此,适应自然地质条件,规范土地利用开发类型和强度,加大环境管理力度,是维护区域经济发展和地下水环境保护协调发展的有效途径之一.