天津市深層地下水開采指標(biāo)計算

徐 佳，陸 克，于 強(qiáng)，解大可

(1.天津市控制地面沉降工作辦公室，天津300061;2.天津南水北調(diào)水源工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，天津300200)

天津市地面沉降是典型的水資源短缺型地面沉降[1]，自上世紀(jì)60年代發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過二十多年的快速發(fā)展期，至上世紀(jì)80年代，逐漸成為主要地質(zhì)災(zāi)害之一。截至2009年，天津市自寶坻斷裂以南9538 km2均出現(xiàn)不同程度的地面沉降[2]，沉降區(qū)主要分布在中心市區(qū)、環(huán)城四區(qū)、濱海新區(qū)和靜海縣。

諸多研究已表明，只有首先控制住天津市地下水位漏斗的發(fā)展[3]，才可能有效地控制地面沉降漏斗的發(fā)展，尤其是在缺乏系統(tǒng)的大面積地面沉降地質(zhì)勘察條件下，一方面要理順地下水開采與地面沉降的關(guān)系，另一方面要依靠水資源科學(xué)配置等管理措施，合理控制全市地下水開采量和開采層位，最大限度地減緩地下水開采引起的地面沉降。

伴隨著天津經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，用水與水資源環(huán)境保護(hù)的矛盾也日益突出。因此，如何科學(xué)合理的制定出年地下水開采指標(biāo)來實現(xiàn)控制地面沉降的目的就尤為重要。深層地下水開采指標(biāo)的計算是控制地面沉降和地下水資源管理工作相結(jié)合的重要手段。

1 理論方法

天津市年度地下水開采指標(biāo)的計算首先對地面沉降重點控制區(qū)進(jìn)行了計算單元的劃分，再以單元為基礎(chǔ)根據(jù)歷年的單元土方損失量及開采量關(guān)系進(jìn)行相關(guān)性分析，最后依據(jù)沉降量控制目標(biāo)及單元中各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的沉降影響比例確定年度各區(qū)縣及鄉(xiāng)鎮(zhèn)的開采指標(biāo)。

計算單元的劃分:根據(jù)近幾年天津市地面沉降與地下水空間分布特征，以近年來沉降漏斗演變及發(fā)展趨勢為依據(jù)，以地下水補(bǔ)、徑、排條件為參考，水文地質(zhì)分區(qū)為主要指標(biāo)，又由于地下水開采量的統(tǒng)計是以街鎮(zhèn)一級行政單位為基礎(chǔ)的，因此計算單元的劃分是將以鄉(xiāng)鎮(zhèn)為邊界的具有良好相關(guān)性的區(qū)域劃分為一個計算單元，并建立地下水開采指標(biāo)預(yù)測模型。

年度地下水開采指標(biāo)計算步驟如下:

1)確定各區(qū)域年沉降控制目標(biāo);

2)根據(jù)劃分的計算單元，一元線性回歸分析法進(jìn)行相關(guān)性分析，建立計算單元的預(yù)測模型。

3)以該單元連續(xù)5年的土方損失量和地下水開采量為統(tǒng)計指標(biāo)，通過回歸分析建立兩者關(guān)系，年沉降控制目標(biāo)，計算出該單元年度的總體開采量。

4)根據(jù)計算單元總體開采量，以重點鄉(xiāng)鎮(zhèn)的開采強(qiáng)度、開采量、超采程度、平均沉降量、水位降幅等指標(biāo)為評判標(biāo)準(zhǔn)綜合評定打分，確定該鄉(xiāng)鎮(zhèn)在計算單元中對沉降的影響比例，根據(jù)不同的比例對開采量進(jìn)行分配。

影響比例的計算方法:

計劃書將功效系數(shù)法[4]應(yīng)用于計算單元內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)影響比例的計算領(lǐng)域，對單元內(nèi)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行多因素綜合分析，排除了大部分人為因素，使結(jié)果更加準(zhǔn)確且簡便易行。

功效系數(shù)法又叫功效函數(shù)法，是指根據(jù)多目標(biāo)規(guī)劃的原理，把所要考核的各項指標(biāo)按照多檔次標(biāo)準(zhǔn)，通過功效函數(shù)轉(zhuǎn)化為可以度量的評價分?jǐn)?shù)，根據(jù)已被評價對象進(jìn)行總體評價得分并依據(jù)得分判斷優(yōu)劣的一種方法。計劃書中鄉(xiāng)鎮(zhèn)分別選取了沉降量、開采量、開采強(qiáng)度、超采程度等幾項構(gòu)成了評價指標(biāo)體系。

在評價過程中首先要設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)值，并為每檔標(biāo)準(zhǔn)值賦予標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，再根據(jù)評價指標(biāo)將其進(jìn)行比較，使指標(biāo)無量綱化并歸入該檔之中，作為該項指標(biāo)的基礎(chǔ)分?jǐn)?shù)，最后計算出指標(biāo)的調(diào)整分?jǐn)?shù)，兩個分?jǐn)?shù)的總和為該指標(biāo)的最后得分。主要評價步驟如下:

(1)設(shè)置五檔標(biāo)準(zhǔn)值。各項指標(biāo)的評價檔次分別為A、B、C、D、E五檔。各指標(biāo)k的最大標(biāo)準(zhǔn)值記為xkmax，最小標(biāo)準(zhǔn)值為xkmin，將指標(biāo)實際值按照最大值與最小值之間的差距4

(2)根據(jù)評價指標(biāo)對應(yīng)五檔標(biāo)準(zhǔn)值賦予五個標(biāo)準(zhǔn)系數(shù):100、80、60、40、20。如下:

Ⅰ、xk≥xkmax，歸為 A 檔，該檔標(biāo)準(zhǔn)值 xk1為 xkmax，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)λk1=100;

Ⅱ、xk∈[xkmax－ xa，xkmax]，歸 B 檔，該檔標(biāo)準(zhǔn)值 xk1為 xkmax－ xa，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù) λk2=80;

Ⅲ、xk1∈[xkmax－2xa，xkmax－xa]，歸為 C 檔，該檔標(biāo)準(zhǔn)值xk1為 xkmax－2xa，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù) λk3=60;

Ⅳ、xk∈[xkmax－3xa，xkmax－2xa]歸為 D 檔，該檔標(biāo)準(zhǔn)值xk1為 xkmax－3xa，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù) λk4=40;

Ⅴ、xk∈[xkmin，xkmax－3xa]，歸 E 檔，該檔標(biāo)準(zhǔn)值為 xkmin，標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)λk5=20。

(3)按以下方法對每個指標(biāo)計分:

Ⅰ、上檔基礎(chǔ)分=指標(biāo)權(quán)數(shù)×上檔標(biāo)準(zhǔn)系數(shù);

Ⅱ、本檔基礎(chǔ)分=指標(biāo)權(quán)數(shù)×本檔標(biāo)準(zhǔn)系數(shù);

Ⅲ、調(diào)整分=[(實際值－本檔標(biāo)準(zhǔn)值)/(上檔標(biāo)準(zhǔn)值－本檔標(biāo)準(zhǔn)值)]×(上檔基礎(chǔ)分－本檔基礎(chǔ)分)，注:對于A檔不再進(jìn)行調(diào)整分?jǐn)?shù)計算;

Ⅳ、單項指標(biāo)得分=本檔基礎(chǔ)分+調(diào)整分。

(4)總得分D=∑單項指標(biāo)權(quán)重得分。

(5)影響比例=鄉(xiāng)鎮(zhèn)總分/單元總分

其中計算單元的總得分D=∑單項指標(biāo)權(quán)重得分，該單元中鄉(xiāng)鎮(zhèn)影響比例=鄉(xiāng)鎮(zhèn)總分/單元總分。

單元開采指標(biāo)量與該單元內(nèi)鄉(xiāng)鎮(zhèn)影響比例的乘積即為2011年重點控制鄉(xiāng)鎮(zhèn)的開采指標(biāo)量。

2 濱海新區(qū)深層地在水開采指標(biāo)計算

2.1 區(qū)域年度開采指標(biāo)計算

由于天津市面積廣大，涉及數(shù)據(jù)較多，本文選取天津市西青區(qū)為例，計算區(qū)域內(nèi)各鄉(xiāng)鎮(zhèn)年度開采指標(biāo)。表1為西青區(qū)2005－2009年分鄉(xiāng)鎮(zhèn)深層地下水開采量，表2為西青區(qū)2005－2009年分鄉(xiāng)鎮(zhèn)土方損失量，根據(jù)表1和表2數(shù)據(jù)結(jié)合計算單元的劃分，根據(jù)年度的控沉目標(biāo)，全區(qū)沉降平均減少3 mm[5]，可計算出單元的年度開采指標(biāo)。由圖1可知西青區(qū)被區(qū)劃分在4個單元內(nèi)，經(jīng)計算各個單元的年度開采指標(biāo)見表3。

圖2 地下水開采指標(biāo)計算流程圖

表1 西青區(qū)歷年開采量 萬m3/a

表2 西青區(qū)歷年土方損失量 萬m3/a

2.2 分鄉(xiāng)鎮(zhèn)開采指標(biāo)計算

根據(jù)年度單元開采指標(biāo)，設(shè)定2011年西青全區(qū)沉降量減少3 mm，運用影響因子綜合評價方法(功效系數(shù)法)進(jìn)行分鄉(xiāng)鎮(zhèn)開采指標(biāo)分配，表4西青區(qū)評價參數(shù);經(jīng)綜合評價打分表4 結(jié)果為西青區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)年度開采指標(biāo)值，其中張家窩中北鎮(zhèn)及王穩(wěn)莊沉降量較小，因此三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)一計算出一個開采建議值三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)可在范圍內(nèi)自由調(diào)配開采水量。

表3 西青區(qū)評價參數(shù)

3 結(jié)論

(1)地下水開采指標(biāo)的計算是從控制地面沉降角度出發(fā)通過科學(xué)分區(qū)及重點地區(qū)重點管理為天津地區(qū)有效的控制地面沉降及合理配置地下水資源提供了定量依據(jù)及執(zhí)行計劃。

(2)通過制定年內(nèi)控制目標(biāo)及回歸分析引用多因素綜合評價，計算地下水開采指標(biāo)更全面準(zhǔn)確。

(3)計劃指標(biāo)的計算及執(zhí)行已經(jīng)在天津推行多年，實踐證明對控制天津地區(qū)地面沉降行之有效。

表4 西青區(qū)地下水開采指標(biāo)建議 萬m3/a

[1]張阿根，魏子新.中國地面沉降[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.2005:55－56.

[2]姜衍祥，董國鳳，于強(qiáng)，等.2010年天津市地面沉降年報[R].天津:天津市控制地面沉降工作辦公室.2010.

[3]王家兵.天津深層地下水資源持續(xù)利用研究[D].北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)博士學(xué)位論文.2006.

[4]周莉，黃河清，蒲勇健.基于功效系數(shù)法的經(jīng)營者業(yè)績評價研究[J].軟科學(xué).2006:20(1):40－44.

[5]2011年度天津市地下水開采指標(biāo)計劃書.天津:天津市控制地面沉降工作辦公室.2010.