中国地下水可持续性的国家生态安全格局：对海绵城市规划的启示

《Environmental and Sustainability Indicators》：A National Ecological Security Pattern for Groundwater Sustainability in China: Implications for Sponge City Planning

　　

专业术语翻译 地下水作为支撑中国生态系统和社会经济稳定性的关键资源，正面临普遍的过度开采，威胁着水安全、粮食生产和生态平衡。本研究提出一个用于地下水保护的国家生态安全格局（National Ecological Security Pattern for Groundwater Preservation, NESP-GP），以评估中国地下水安全状况。为构建NESP-GP，研究人员整合了中国地质调查局的地下水水位记录、省级供水与利用统计资料，以及自然、水文和社会经济因素，并应用层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP）划分了五个安全等级。此外，研究人员将GRACE反演的地下水储量变化与2006—2016年间五个空间尺度上的监测井地下水水位变化进行了比较，以评估跨数据源的一致性而非验证NESP-GP。比较结果显示存在显著且具有尺度依赖性的正相关关系：Spearman相关系数ρ从GRACE原始网格尺度的0.127增至16×16聚合尺度的0.396，方向一致性介于59.9%至68.1%之间。研究结果揭示了显著的区域差异，安全水平总体呈现自西北向东南递增的趋势。中国西北地区表现为极低至很低的安全水平，与降水有限、补给条件薄弱以及对地下水的强烈依赖相关；而华北平原表现为相对较低的安全水平，主要与历史上高强度地下水利用以及较高的农业和人口压力相关。相比之下，青藏高原地区尽管补给有限，但许多区域表现出相对较高的安全水平，反映出较低的地下水利用强度和社会环境压力。由此构建的NESP-GP通过整合补给条件、利用压力和社会环境影响，提供了全国尺度的地下水生态安全表征，并为地下水保护和海绵城市规划提供了基于地下水信息的空间参考。

论文解读文章

一、研究背景与问题提出

地下水是维持地球生态系统和人类社会的基础性资源，然而在全球范围内，过度开采与气候变化的双重压力正日益威胁地下水的可持续性。在中国，这一问题尤为突出，尤其在华北平原和西北地区，地下水枯竭已严重危及区域水安全与粮食安全。尽管近年来有研究表明华北平原地下水水位的长期下降趋势已得到显著逆转，但地下水耗竭的压力仍然存在，不容忽视。中国已实施一系列地下水保护措施，包括划定超采区和强化开采管控，这些政策在一定程度上缓解了地下水危机。然而，一个关键问题依然悬而未决：如何将地下水因素有效纳入区域规划战略，并将其更全面地整合到整体生态系统评估中。

生态安全格局（Ecological Security Pattern, ESP）理论为地下水资源的保护与可持续管理提供了系统性的空间规划框架。然而，地下水保护作为关键资源和生态系统服务，在现有的专门化生态安全格局应用中受到的关注相对有限。已有研究大多聚焦于地下水补给潜力和相关水文地质条件，或仅关注地下水资源的某一特定维度，如资源潜力、脆弱性或开采压力，而同时考虑地下水补给能力、利用压力和社会环境影响的综合性规划导向评估仍然相对匮乏，尤其是在全国尺度上。此外，海绵城市规划中的年径流总量控制率（Volume Capture Ratio of Annual Rainfall, VCRAR）分区主要与区域降水特征相关，地下水相关因素——包括地下条件、地下水动态和土壤特性——在现有规划方法中得到的考虑相对有限。

基于上述背景，本研究旨在构建一个全国尺度的地下水生态安全评估框架——地下水保护国家生态安全格局（NESP-GP），并探索其与海绵城市规划的整合路径。

二、研究内容与核心结论

本研究的主要科学贡献在于将异质的地下水相关信息整合到基于ESP的全国尺度评估中，同时考虑地下水补给能力、利用压力和社会环境影响。这一整合使地下水生态安全能够从自然资源供给和人类压力两个视角在中国范围内得到审视。由此构建的NESP-GP为识别区域地下水安全差异、并将这些差异转化为差异化的地下水保护和空间规划考量提供了空间显式的基础。

研究结果显示，中国地下水安全水平呈现显著的自西北向东南递增的空间分异格局。西北地区被划定为地下水超采的关键区域，其安全格局以极低和很低安全等级为主，这与有限的降水补给能力和对地下水资源的强依赖密切相关。华北平原的地下水补给条件相对较为有利，但地下水利用和社会环境影响层显示出与集约化农业生产、高人口密度和历史性地下水开采相关的巨大压力，其地下水安全降低主要归因于过度利用压力而非补给不足。相比之下，青藏高原地区尽管补给条件普遍有限，但许多区域表现出相对较高的地下水生态安全水平，这主要归因于较低的地下水利用强度和社会环境压力。

在NESP-GP与现有VCRAR分区的空间叠加分析中，研究识别出若干可能需要额外考虑地下水因素的区域：湖北南部、山东西北部和江汉平原的部分地区存在地下水生态安全状况与现有VCRAR分区之间的空间错配；中国北方相对宽泛的VCRAR分区在未来的修订中可受益于额外地下水相关信息的纳入；人口密集且地下水生态安全相对较低的城市区域可能需要更详细的局部评估。

三、关键技术与方法

本研究采用了以下主要技术方法：第一，层次分析法（Analytic Hierarchy Process, AHP），由30位来自北京大学和中国环境科学研究院的跨学科专家通过Saaty九级标度法进行两两比较，确定19项指标在三大类准则（补给、利用、社会环境影响因素）中的权重，一致性比率（CR）均低于0.10。第二，自然断点（Natural Breaks/Jenks）分类法，将连续的NESP-GP指数划分为五个安全等级。第三，GRACE卫星反演的地下水储量变化与监测井水位变化的多尺度一致性评估，在原始网格及2×2、4×4、8×8、16×16聚合尺度上计算Spearman秩相关系数和方向一致性。第四，权重敏感性分析，对三个一级准则权重分别进行±20%的扰动，采用Spearman相关、分类一致性百分比、Cohen's kappa和优先区域空间重叠度评估稳健性。第五，外部一致性评估，将NESP-GP与水利部和自然资源部2024年联合发布的全国地下水超采区划定结果进行省级尺度的Spearman相关分析。数据来源包括中国地质调查局的地下水监测记录、中国地下水资源与环境图集、资源环境科学与数据中心（1,000米分辨率栅格数据）、各省水资源公报以及中国地质环境监测地下水水位年鉴（2006年和2016年）。

四、研究结果

4.1 NESP-GP的构建与空间格局

研究构建了全国尺度的地下水生态安全格局，划分为五个安全等级。按自然断点分类，低安全区域占研究区面积比例最大（31.2%），其次为很低安全区域（25.3%）和中等安全区域（21.7%），高安全和极低安全区域分别占15.0%和6.8%。极低和很低安全区域合计占全国评估面积的32.1%，应作为地下水保护的最高管理优先级。

4.2 GRACE与监测井记录的多尺度一致性评估

2006—2016年间，GRACE反演的地下水储量变化与监测井水位变化之间呈现统计显著但具有尺度依赖性的关联。Spearman相关系数从原始GRACE网格尺度的0.127（p=0.0012，n=646）逐步增至16×16聚合尺度的0.396（p=0.0059，n=47），方向一致性范围为59.9%至68.1%。相关性的增强表明，当监测井观测的空间支持与GRACE的区域足迹更为接近时，一致性有所改善。

4.3 权重敏感性分析

在三个一级AHP权重±20%扰动的六种情景下，NESP-GP的主要空间格局保持基本稳定。与基线NESP-GP的Spearman秩相关系数介于0.956至0.992之间，五个安全等级的一致性为82.9%至94.1%，Cohen's kappa值为0.782至0.916，优先区域（极低和很低安全）的空间重叠度为87.1%至96.0%。补给权重变化产生的影响最大，而环境影响权重变化产生的空间一致性最高。

4.4 外部一致性评估

在包含官方划定地下水超采区的18个省级行政区中，地下水超采面积比例与省级NESP-GP中位数呈显著负相关（Spearman's ρ=?0.505，p=0.033，n=18），与均值也呈类似关系（ρ=?0.494，p=0.037）。超采面积比例较大的省份通常表现出较低的地下水生态安全水平，为NESP-GP的省级尺度空间可信度提供了独立的外部证据。

4.5 NESP-GP对海绵城市VCRAR分区的启示

将NESP-GP与现有VCRAR分区进行空间叠加后发现，中国南方和北方的水安全状况存在显著差异。南方受洪涝影响的城市应侧重于降低地下水位、疏浚河流和排水管网、提升防洪排涝能力；而北方缺水地区的海绵城市建设则需基于降水和地下水水位数据提出合理的地下水补给指标。研究识别出湖北南部、山东西北部和江汉平原等存在空间错配的区域，以及人口密集、地下水生态安全较低的城市区域，需进一步开展局部评估。

五、讨论与结论

讨论部分总结： 研究讨论了生态安全格局对地下水保护和可持续利用的意义，指出NESP-GP是ESP框架在地下水领域的应用延伸，而非独立的理论或方法论体系。NESP-GP整合了补给条件、利用压力和社会环境影响三个维度，为全国尺度的空间筛选和规划提供支持，但不替代基于过程的水文地质建模。研究还探讨了NESP-GP在海绵城市建设中的价值，指出其可为海绵城市规划提供地下水信息参考，帮助区分不同地下水安全条件的区域，支持差异化的渗透导向措施、节水策略和地下水保护优先级的考量。研究强调，VCRAR的具体调整应通过场地尺度的水文和工程评估确定，而非直接依据全国尺度的NESP-GP。

研究结论翻译： 本研究综合多源数据构建了全国尺度的地下水生态安全格局（NESP-GP），并将其应用于探索将地下水生态条件整合到海绵城市规划的年径流总量控制率（VCRAR）分区中。结果表明，海绵城市发展技术指南中现有的VCRAR划定框架主要基于降水特征，而地下和社会经济因素的考虑相对有限。鉴于NESP-GP识别的地下水生态安全空间差异，本研究为完善VCRAR分区策略提供了基于地下水信息的参考，特别是在地下水资源面临显著压力的区域。研究结果揭示了中国地下水生态安全存在明显的空间分异，表明需要根据地下水安全等级采取差异化管理策略。极低和很低安全区域需要更强有力的地下水保护措施，包括地下水开采控制、减少对地下水资源的过度依赖以及因地制宜的补给增强；中等安全区域应强调通过平衡地下水利用与生态保护进行适应性管理；高安全区域应侧重于通过综合空间规划和监测维持现有地下水条件并防止未来退化。此外，研究强调地下水保护在区域规划和管理中的重要性，建议将地下水相关因素纳入海绵城市建设技术指南，以实现更科学和可持续的水资源管理。研究也承认其局限性，包括数据集在空间分辨率、时间覆盖和数据获取方法上的差异可能引入不确定性，并建议未来研究纳入水质数据和污染物监测，进一步完善地下水安全评估体系。