基于模糊綜合評(píng)價(jià)法的海島深層地下淡水開發(fā)潛力評(píng)價(jià)

單科，王銳浩，黃鵬飛，初喜章

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

隨著《中華人民共和國海島保護(hù)法》、《全國海島保護(hù)規(guī)劃》以及“第一批開發(fā)利用無居民海島名錄”等法律、法規(guī)和鼓勵(lì)性政策、措施的出臺(tái)實(shí)施，海島開發(fā)力度不斷加大。我國大部分海島所處地區(qū)降水時(shí)空分布不均，這大大增加了面積本就有限、缺乏大規(guī)模蓄水工程建設(shè)條件的海島的供水保障難度。通過層次分析法和灰度分析法研究，淡水資源是制約海島開發(fā)的兩個(gè)主要自然資源因素之一（劉亮等，2012）。

在海島地區(qū)，由于受到海島集水區(qū)面積、地形特征、地質(zhì)構(gòu)造等條件限制，潛水層在旱季難以保持較低鹽度。除埋藏較淺的潛水外，部分海島的深層地下存有由陸地向海洋延伸的儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)。陸地上的水系通過地下含水層向大陸架區(qū)域輸送，使得地表淡水直接成為海底儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)的淡水補(bǔ)給源。這些含水層一般在陸上的補(bǔ)給區(qū)面積相對(duì)較小，不易受污染，同時(shí)經(jīng)過自然的生物凈化和地層過濾，水質(zhì)一般較好（劉海齡等，1998）。

深層地下淡水的開采也早有先例。20 世紀(jì)60年代，美國地質(zhì)學(xué)家就提出開發(fā)海底蘊(yùn)藏的淡水資源，特別是對(duì)于干旱缺水的地區(qū)，有著十分重要的意義。Margat 曾采用“礦業(yè)式”開采理念，指導(dǎo)澳大利亞、美國亞利桑那州、阿爾及利亞和突尼斯等國家或地區(qū)進(jìn)行了深層地下水開采（張光輝等，2002）。20 世紀(jì)80年代，意大利在該國的莫托拉海域沿岸海床下800 m 深處發(fā)現(xiàn)海底淡水資源。Nymphea 公司于1999年首次進(jìn)行了從海底汲取淡水的試驗(yàn)。據(jù)報(bào)道，2003年7月，Nymphea 公司宣布其在意大利芒冬和凡蒂米之間一處海床下36 m 深處的淡水抽到陸地上，水流量達(dá)0.1 m3/s，這是世界上首次實(shí)現(xiàn)海底工業(yè)化取水（李紅，2003）。

因此，在合理開發(fā)利用海島地表水、淺層地下水的基礎(chǔ)上，其深層地下淡水資源的開發(fā)也應(yīng)得到關(guān)注。我國海島眾多，條件各異，需求也不盡相同，同時(shí)，深層地下淡水的勘探成本相對(duì)較高。因此需采用一套科學(xué)的理論方法，先期對(duì)海島深層地下淡水的開發(fā)活動(dòng)加以評(píng)價(jià)，以便根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果實(shí)施鉆探、規(guī)劃及利用等活動(dòng)，以保證深層地下淡水資源的合理開發(fā)。本文試采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)海島深層地下淡水利用潛力加以評(píng)估，進(jìn)而為進(jìn)一步的勘察提供指導(dǎo)，為海島的合理規(guī)劃和開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 評(píng)價(jià)模型構(gòu)建

與海島深層地下淡水開發(fā)潛力相關(guān)的因素較多，如海島及周邊海域海底的地質(zhì)情況、海島的地形地貌、海島所處區(qū)域的氣候條件、海島自身發(fā)展的需求以及深層地下淡水開發(fā)難度等等。因此，應(yīng)首先采用層次分析法對(duì)海島深層地下淡水開發(fā)潛力的評(píng)價(jià)因子深入分析，并構(gòu)建一個(gè)多層次分析結(jié)構(gòu)模型，然后可利用較少的定量信息把決策的過程數(shù)學(xué)化（杜棟等，2008）。某些因子，如海島的地形地貌，對(duì)其評(píng)判存在一定程度的模糊性，因此本文采用了模糊數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行決策，這樣不僅可簡化決策的過程還可保證結(jié)果的客觀性。

1.1 評(píng)價(jià)因子體系的建立

影響海島深層地下淡水開發(fā)潛力的因素主要來源于3 個(gè)方面，分別是自然條件、社會(huì)條件和工程條件。自然條件中當(dāng)?shù)亟邓亢蛵u陸蓄水條件直接關(guān)系到海島淡水資源短缺程度和可開發(fā)利用的總量；離岸距離越遠(yuǎn)，則引水工程建設(shè)運(yùn)行難度越大；海島成因不同，也會(huì)影響其深層地下貯水結(jié)構(gòu)的容納能力。社會(huì)條件主要反映對(duì)深層地下淡水開發(fā)的需求，人均水資源占有量與人民生活水平相關(guān)，生產(chǎn)所消耗的淡水可由單位產(chǎn)值耗水量表示，海島的進(jìn)一步發(fā)展也在相關(guān)規(guī)劃中體現(xiàn)，能源供應(yīng)充足與否則決定了其他非常規(guī)水源能否大規(guī)模應(yīng)用，供水價(jià)格則直接體現(xiàn)了淡水資源的稀缺程度。此外，淡水層埋深、補(bǔ)給情況和鉆探難易程度等工程開采條件決定了深層地下淡水的開發(fā)成本。

根據(jù)上述分析構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型（圖1），評(píng)價(jià)體系包括目標(biāo)層A、評(píng)價(jià)層B 和指標(biāo)層C。

圖1 海島深層地下淡水開發(fā)潛力評(píng)價(jià)層次結(jié)構(gòu)模型

各評(píng)價(jià)因子的含義如表1 所示。

表1 評(píng)價(jià)因子含義

1.2 權(quán)重矩陣的計(jì)算

層次B 中3 個(gè)條件對(duì)目標(biāo)A 的權(quán)重和層次C中各因子對(duì)于層次B 相應(yīng)條件的權(quán)重通過各層間元素的兩兩比較，構(gòu)造比較判斷矩陣來確定。相對(duì)重要性的表示采用1-9 標(biāo)度法，通過專家咨詢，對(duì)每個(gè)層次的評(píng)價(jià)要素加以比較權(quán)衡，組成判斷矩陣，經(jīng)計(jì)算和一致性檢驗(yàn)，得出評(píng)價(jià)要素在相應(yīng)層次的權(quán)重。最后，將A-B，B-C 各層次相應(yīng)權(quán)重相乘后，得到評(píng)價(jià)因子C 對(duì)目標(biāo)A 的權(quán)重結(jié)果（表2），形成權(quán)重集W。

表2 評(píng)價(jià)因子權(quán)重

1.3 模糊關(guān)系矩陣建立

（1） 建立評(píng)價(jià)集

本文采用3 個(gè)等級(jí)評(píng)語評(píng)判各因子C，構(gòu)建評(píng)價(jià)集V。V= {Vj（j=1，2，…，m）}，其中Vj為評(píng)價(jià)的第j 個(gè)等級(jí)，本次建立的評(píng)價(jià)集中有3 個(gè)等級(jí)，即V= {V1，V2，V3}。V1等級(jí)為有利于開采或需求旺盛，V2等級(jí)為具備一定開采條件或需求，V3為對(duì)開采沒有需求或不具備開采條件。分級(jí)依據(jù)見表3。

（2） 確定參評(píng)要素集和隸屬函數(shù)

參評(píng)要素即為判斷因子C，參評(píng)要素集U ={Ci（i=1，2，…，n），n=12}。

以上參評(píng)要素中可量化的定量指標(biāo)的模糊分布類型為梯形分布，其隸屬度分值采用升、降半梯形函數(shù)計(jì)算（謝季堅(jiān)等，2006）；不可量化的定性指標(biāo)采用專家打分法加以評(píng)級(jí)。

（3） 建立模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的基本概念，確定每一個(gè)因子Ci對(duì)評(píng)價(jià)集V 的隸屬程度，用ri，j（i = 1，2，…，n；j=1，2，3） 來表示，由此，將每一因子的評(píng)價(jià)結(jié)果構(gòu)建成模糊關(guān)系矩陣R。

1.4 構(gòu)造模糊綜合評(píng)價(jià)模型

利用模糊運(yùn)算將權(quán)重矩陣W 和模糊關(guān)系矩陣R 結(jié)合，構(gòu)造模糊評(píng)價(jià)模型，得到評(píng)價(jià)對(duì)象屬于各評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬程度的矩陣，即評(píng)價(jià)結(jié)果P（杜棟等，2008）。若評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)p1隸屬度最大，表示深層地下淡水開發(fā)潛力巨大；若對(duì)p2隸屬度最大則表示開發(fā)潛力一般；若對(duì)p3隸屬度最大則表示不具開發(fā)潛力。

2 深層地下淡水開發(fā)潛力評(píng)價(jià)——以嵊泗泗礁山島為例

泗礁山島屬浙江省舟山市嵊泗縣，是該縣縣政府所在地。嵊泗位于我國長江口外海區(qū)與杭州灣的會(huì)合處，位置十分優(yōu)越，是我國的國家級(jí)海洋風(fēng)景名勝區(qū)，氣候濕潤，1956-2000年的年平均降水量1 038.1 mm（舟山市發(fā)改委，2010）。泗礁山島上陸地面積狹小，丘陵集水區(qū)面積小，截水條件差，水系短小，地表徑流大部分只能直接入海，旱季供水十分緊張（李植斌，1997）。島上日供水能力約1.7 萬t，其中海水淡化工程占據(jù)了約40%。另據(jù)估算，在舟山群島建蓄水工程每立方米蓄水量造價(jià)高達(dá)10～12 元（浙江省海島資源綜合調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組，1995）。

根據(jù)大量的第四紀(jì)地質(zhì)、水文地質(zhì)的鉆孔資料研究，上海地區(qū)在早更新世應(yīng)存在兩條古河道，一條可能屬于古長江水系，另一條可能屬于古錢塘江水系。古長江流經(jīng)現(xiàn)今的上海地區(qū)后，向現(xiàn)今的舟山群島和東海大陸架方向延伸，在所流經(jīng)的地區(qū)留下了寬闊的古河道。從地層條件分析，長江口地區(qū)的下更新統(tǒng)河流相砂層中應(yīng)有含淡水層（王振宇，2005；李家彪，2008）。同時(shí)，對(duì)舟山附近海域第四紀(jì)海底沉積物的研究表明其具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性的特點(diǎn)（王振紅等，2011）。

張志忠等（2011） 利用2009年完成的單道地震測量解譯成果，推測錢塘江口北側(cè)、嵊泗列島以北、嵊泗東北部海域的第四紀(jì)松散層、早更新世古河道分布區(qū)有可能是海底淡水資源豐富區(qū)。

表3 評(píng)價(jià)因子分級(jí)依據(jù)

張萊等（2010） 對(duì)嵊泗海域長江古河道區(qū)域地下淡水水位及補(bǔ)償進(jìn)行了數(shù)值模擬，認(rèn)為該區(qū)域含水層可為嵊泗列島長期提供淡水。

泗礁山島建有小型電廠和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，但目前電力保障主要依靠引自大陸的海底電纜供電。

舟山市“十二五”規(guī)劃和舟山市發(fā)改委相關(guān)研究報(bào)告中都提出，在嵊泗將建設(shè)海水淡化工程，而大陸引水工程目前只是開展前期研究工作，這在一定程度上表明引水工程建設(shè)的難度巨大（舟山市發(fā)改委，2010；舟山市人民政府，2011）。根據(jù)嵊泗縣發(fā)改局（2011） 公布的2010年該縣萬元產(chǎn)值用水量為4.12 m3，說明當(dāng)?shù)毓?jié)水水平較高，但也從另一側(cè)面放映出當(dāng)?shù)氐Y源極為匱乏。

基于上述資料，根據(jù)表3 的分級(jí)依據(jù)，評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果如表4 所示。

由此構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。

利用模糊運(yùn)算將權(quán)重矩陣W 和模糊關(guān)系矩陣R 結(jié)合，所構(gòu)造的判斷矩陣經(jīng)計(jì)算和歸一化，最終得到隸屬度矩陣P= [0.522 0，0.362 8，0.115 2]?？煽闯鼋Y(jié)果對(duì)p1等級(jí)的隸屬度最大，因此，評(píng)價(jià)結(jié)果顯示嵊泗開發(fā)海島深層地下淡水的潛力巨大。

表4 泗礁山島評(píng)價(jià)分級(jí)結(jié)果

3 討論

3.1 模糊綜合評(píng)判法在海島深層地下水開發(fā)潛力評(píng)價(jià)中的適宜性

與海島深層地下淡水開發(fā)潛力相關(guān)的評(píng)價(jià)因子較多，并且評(píng)價(jià)因子的等級(jí)劃分具有模糊的特性，不宜采用絕對(duì)的數(shù)值界限對(duì)評(píng)判等級(jí)加以劃分。

評(píng)價(jià)因子中某些因子不能直接用數(shù)值表示，同時(shí)不存在等級(jí)間的明顯界限。如海島地形地貌特征、地質(zhì)條件對(duì)開發(fā)潛力的影響和海島是否列入相關(guān)規(guī)劃等，此類評(píng)價(jià)因子無法采用絕對(duì)的數(shù)值界限劃分等級(jí)。另外，某些評(píng)價(jià)因子如海島降雨量等，雖然具有明確的數(shù)值，但并不能以某一具體數(shù)值作為界限來評(píng)價(jià)其對(duì)地下水開發(fā)潛力是否有利，其判斷仍存在一定模糊性。而通過模糊數(shù)學(xué)的方法，不僅可將本身不具備數(shù)值的評(píng)價(jià)因子量化，還可更為客觀地反映評(píng)價(jià)因子對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響。因此，在評(píng)價(jià)海島深層地下淡水開發(fā)潛力時(shí)，采用模糊數(shù)學(xué)方法可較為客觀地反映這些模糊的概念，并可將其納入量化的評(píng)價(jià)模型，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。同時(shí)，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)估，其結(jié)果為隸屬度矩陣較為直觀，便于對(duì)開發(fā)潛力的判斷。

3.2 評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性

近年來對(duì)嵊泗附近深層地下淡水含水層的研究日漸增多，1993年和2007年先后兩次實(shí)施的勘探工程也揭示了當(dāng)?shù)厣顚拥叵侣癫赜胸S富的淡水資源，相關(guān)研究者都認(rèn)為其開發(fā)潛力巨大。本文采用嵊泗作為案例對(duì)模糊評(píng)價(jià)模型加以驗(yàn)證，也得出了相同的結(jié)論，初步證明本文建立的模糊評(píng)價(jià)模型可用于海島及附近海域深層地下淡水開發(fā)潛力評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符。

泗礁山島深層地下淡水開發(fā)潛力的評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)于表示開發(fā)潛力一般的p2等級(jí)也有一定隸屬度，這其中原因來自多個(gè)方面：其一是規(guī)劃中將建設(shè)的海水淡化工程對(duì)緩解該區(qū)域的缺水局面有較大作用；其二是當(dāng)?shù)匾烟岢鲞M(jìn)行引水工程的前期研究工作，一定程度上影響了對(duì)海底淡水開發(fā)的需求；其三是目前的“嵊泗一號(hào)”、“嵊泗二號(hào)”鉆探井位于海上，若不能在島陸區(qū)域進(jìn)行開采，則施工的難度會(huì)減小深層地下淡水開發(fā)的競爭優(yōu)勢。

4 結(jié)論

（1） 海島深層地下水的評(píng)價(jià)是深層地下水勘探開發(fā)的基礎(chǔ)。目前，對(duì)我國海島深層地下水的研究處于初級(jí)階段，尚無針對(duì)海島深層地下水評(píng)價(jià)的成熟方法。本文運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法嘗試建立海島深層地下淡水開發(fā)潛力評(píng)價(jià)方法，并利用嵊泗泗礁山島數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

（2） 海島深層地下淡水開發(fā)潛力評(píng)價(jià)受到多種因素的影響，并且影響因素具有模糊性，因此應(yīng)正確選擇評(píng)價(jià)因子并利用合理的方法加以評(píng)價(jià)。本模型的評(píng)價(jià)因子覆蓋了自然、社會(huì)和工程3 個(gè)方面，評(píng)價(jià)方法為模糊綜合評(píng)價(jià)法，充分考慮了評(píng)價(jià)的輸入條件與輸出結(jié)果間的關(guān)系，評(píng)價(jià)結(jié)果直觀、準(zhǔn)確。

（3） 嵊泗泗礁山島位于我國長江口外海區(qū)與杭州灣的會(huì)合處，從地層條件分析，長江口外的古河道中應(yīng)有含淡水層。從實(shí)際來看，該地區(qū)已經(jīng)成功勘探出儲(chǔ)量可觀的深層地下淡水。通過對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然當(dāng)?shù)厣顚拥叵碌_發(fā)潛力巨大，但由于已有的工程手段緩解了島上的供水矛盾，并且海上鉆探施工難度較大，這都在一定程度上影響了深層地下淡水的開發(fā)潛力。

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