基于層次分析法對(duì)揚(yáng)州市深層地下水資源評(píng)價(jià)

王紅梅，黃 勇，王麗麗

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210098；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局 揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州225002)

基于層次分析法對(duì)揚(yáng)州市深層地下水資源評(píng)價(jià)

王紅梅1，黃 勇1，王麗麗2

(1.河海大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210098；2.江蘇省水文水資源勘測(cè)局 揚(yáng)州分局，江蘇 揚(yáng)州225002)

針對(duì)我國(guó)目前缺少有效評(píng)價(jià)城市地下水資源脆弱性的問題，本文以揚(yáng)州市規(guī)劃區(qū)(廣陵區(qū)、邗江區(qū))為例進(jìn)行地下水資源脆弱性評(píng)價(jià)探討，結(jié)合其地下水資源的特性、水文和地質(zhì)資料，選取了13個(gè)指標(biāo)構(gòu)建地下水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，運(yùn)用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重并進(jìn)行一致性分析。結(jié)果表明，揚(yáng)州城市規(guī)劃區(qū)深層地下水脆弱性等級(jí)為Ⅱ-Ⅲ級(jí)，地下水資源相對(duì)豐富。

地下水資源；脆弱性；指標(biāo)體系；層次分析法；揚(yáng)州市

水資源脆弱性研究源于20世紀(jì)60年代法國(guó)Albinet和Marget提出的地下水資源脆弱性概念，是度量水資源安全的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是作為制約水資源安全的基礎(chǔ)性問題[1]。鄒君等[2]針對(duì)衡陽盆地利用綜合指數(shù)法進(jìn)行了地表水資源的脆弱性及其評(píng)價(jià)分析；匡洋等[3]以河海流域?yàn)檠芯繉?duì)象，利用主成分分析法進(jìn)行了河海流域水資源脆弱性理論及評(píng)價(jià)；孔慶軒等[4]利用DRASTIC模型，對(duì)黑河市淺層地下水進(jìn)行了地下水脆弱性評(píng)價(jià)?？傮w來說，國(guó)內(nèi)地下水資源脆弱性研究還處于初步階段，近年來人們對(duì)地下水脆弱性研究主要集中在地下水污染方面，而針對(duì)城市地下水資源量的脆弱性方面極少，因而本文結(jié)合揚(yáng)州規(guī)劃區(qū)的特點(diǎn)對(duì)其地下水資源脆弱性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 研究區(qū)概況

隨著近年來地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，揚(yáng)州市替代水源工程的全面實(shí)施，地下水資源管理工作的日益加強(qiáng)，規(guī)劃區(qū)地下水資源的開采利用發(fā)生了較大變化，其水位動(dòng)態(tài)亦產(chǎn)生了明顯的起伏回落。揚(yáng)州市漏斗中心在揚(yáng)州毛紡廠(現(xiàn)通裕一紡)附近，呈軸向北東向延伸，漏斗面積近10km2[5]。因此，在揚(yáng)州規(guī)劃區(qū)開展深層地下水資源脆弱性評(píng)價(jià)，對(duì)預(yù)測(cè)將來地下水資源安全變動(dòng)走向，探求地下水資源安全的過程和關(guān)鍵性要素具有十分重要的意義。

1.1 研究區(qū)位置

研究范圍為揚(yáng)州市所轄的廣陵區(qū)、邗江區(qū)(以下簡(jiǎn)稱揚(yáng)州城市規(guī)劃區(qū))，總面積約1 021km2，屬于長(zhǎng)江中下游平原和江淮平原，地勢(shì)平緩，地處亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)，季風(fēng)顯著，四季分明，年平均氣溫14.8℃。揚(yáng)州城市規(guī)劃區(qū)南瀕長(zhǎng)江，東依江都區(qū)，西鄰儀征市，北接高郵市，地跨北緯32°13′～32°40′，東經(jīng)119°16′～119°34′，區(qū)內(nèi)淮河流域面積866km2、長(zhǎng)江流域面積155km2。根據(jù)揚(yáng)州雨量站降水量資料，多年平均降水量1 031.6mm，最大年降水量1 576.7mm(1954年)，常年蒸發(fā)量為700～1 000mm。研究區(qū)內(nèi)承壓含水層埋藏深度較大，不易接受大氣降水補(bǔ)給，在天然狀態(tài)下來自古淮河、古長(zhǎng)江河道上游地區(qū)地下水徑流補(bǔ)給，消耗于人工開采和地下徑流排泄。

1.2 水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)按含水介質(zhì)性質(zhì)分松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類，以松散巖類孔隙水分布最廣泛，水量最豐富，為揚(yáng)州市區(qū)主要供水開采層，而基巖水被不同程度掩埋，僅在局部地區(qū)有少量開采。因此本次區(qū)內(nèi)評(píng)價(jià)對(duì)象為松散巖類孔隙水，不涉及基巖裂隙水。按含水層的埋藏條件和成因時(shí)代可分為潛水和第Ⅰ承壓、第Ⅱ承壓、第Ⅲ承壓和第Ⅳ承壓水五個(gè)含水層組。由于主要開采第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅲ承壓含水層，因此本文研究的深層地下水主要是以上3個(gè)承壓含水層。

第Ⅰ承壓含水層組：該含水層組分布在蔣王鎮(zhèn)—揚(yáng)州一線沿岸抵長(zhǎng)江地區(qū)，由第四系上更新統(tǒng)(Q3)古長(zhǎng)江沖擊砂層構(gòu)成，在北部地區(qū)存在含水層缺失情況。含水層頂板埋深24.4～56.0m，向東南傾斜，砂層厚度14.0～74.0m，水位埋深2～3m。富水性受古長(zhǎng)江河道控制，新壩—紅橋一帶為古長(zhǎng)江主泓線區(qū)，含水巖性為含礫粗砂、含礫中粗砂，砂層厚度達(dá)56m，單井涌水量由3 000～4 000m3/d，從新壩至揚(yáng)州方巷含水層厚度逐漸變薄，含水介質(zhì)顆粒逐漸變細(xì)，單井涌水量由3 000～4 000m3/d逐漸向小于500m3/d過度，揚(yáng)州市區(qū)西北部為漫灘邊緣區(qū)，含水巖性為粉細(xì)砂組合，單井涌水量小于500m3/d。沿江一帶與潛水含水層之間水力聯(lián)系密切。

第Ⅱ承壓含水層組：該含水層組分布于甘泉(祝莊)—揚(yáng)州市區(qū)(城南)—霍橋—紅橋(北)一線以北地區(qū)，主要由第四系中更新統(tǒng)(Q2)古淮河支叉河到?jīng)_擊砂層構(gòu)成，南部地區(qū)含水區(qū)含水層缺失嚴(yán)重。含水層頂板埋深70.0～90.0m，砂層厚度8.0～56.0m，富水性受古河道控制；赤岸—黃玨—彎頭一線為古河道，含水巖性為中粗砂，砂層厚度35.0～56.0m，單井涌水量2 000～3 000m3/d；古河道以南由漫灘向邊緣過渡，巖性由中細(xì)砂向細(xì)砂漸變，含水層逐漸變薄，單井涌水量由1 000～2 000m3/d向小于500m3/d過渡。

第Ⅲ承壓含水層組：該含水層組分布于甘泉—酒甸一線以北，由第四系下更新統(tǒng)(Q1)淮河古河道沖擊砂層構(gòu)成，南部地區(qū)含水層缺失嚴(yán)重。含水層頂板埋深110.0～140.0m，砂層厚度10.0～35.0m，為單層含水層結(jié)構(gòu)。富水性受巖性和砂層厚度控制，濱湖—黃玨一帶為古河道擺動(dòng)區(qū)，含水巖性為中粗砂，砂層厚度25.0～35.0m，單井涌水量2 000～3 000m3/d。漫灘區(qū)含水巖性為中細(xì)砂、邊緣地區(qū)為細(xì)粉砂，單井涌水量由1 000～2 000m3/d向小于單井涌水量500m3/d變化。該層組在區(qū)內(nèi)北部的鄉(xiāng)鎮(zhèn)已開發(fā)利用，水位埋深15.0～20.0m。

目前，第Ⅱ和第Ⅲ承壓含水層為揚(yáng)州市區(qū)地下水的主采層，分布在城區(qū)東北部，大致分布在崗區(qū)以南，瘦西湖以東，北河下以北。頂板埋深一般在70～90m。自西到東，自南到北，含水砂層逐漸變厚，東邊電廠一帶最厚，含水層厚度達(dá)60m左右。這兩個(gè)含水層之間的隔水層較薄，有些地方不足1m，實(shí)際成井過程中，某些地區(qū)這兩層相互連通，同時(shí)開采兩個(gè)層位地下水，具體見圖1揚(yáng)州市水文地質(zhì)剖面圖。

2 地下水開采現(xiàn)狀

根據(jù)2004～2014年《揚(yáng)州市水資源公報(bào)》中地下水開采資料，分開采量、開采用途和主采層統(tǒng)計(jì)分析近十年地下水開采情況。至2014年底，區(qū)內(nèi)有承壓含水層取水井104眼，地下水開采量403×104m3，均用于工業(yè)。

2.1 地下水開采量

2004年至2006年，區(qū)內(nèi)深層地下水開采量基本在1 400×104m3左右，分別用于工業(yè)和生活；2007年區(qū)內(nèi)區(qū)域供水工程全面實(shí)施通水，地下水不作生活用途，2007年至2014年開采量穩(wěn)步下降，由664×104m3降至403×104m3。根據(jù)2014年地下水開采利用調(diào)查結(jié)果顯示，區(qū)內(nèi)2014年地下水總開采量403.4×104m3，日均開采量1.1×104m3。各區(qū)由于水文地質(zhì)條件及社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r等不同，地下水開發(fā)利用強(qiáng)度也存在較大差異。總體而言，區(qū)內(nèi)開采井在廣陵區(qū)分布密度最大，達(dá)0.2眼/km2，開采強(qiáng)度明顯高于邗江區(qū)；全區(qū)平均開采井密度約0.1眼/km2，開采模數(shù)為0.41×104m3/(a·km2)。

2.2 地下水用途

2004年至2006年區(qū)內(nèi)深層地下水用于工業(yè)和生活。鄉(xiāng)鎮(zhèn)水廠取用地下水作為生活用途，而隨著區(qū)域供水工程的實(shí)施，鄉(xiāng)鎮(zhèn)地下水廠取水量逐年減少，2007年區(qū)域供水工程全面通水，區(qū)內(nèi)水廠水源由地下水全部改為地表水，地下水不作為生活用途，目前地下水僅用于特殊行業(yè)的工業(yè)用水。

3 地下水資源脆弱性評(píng)價(jià)

地下水資源系統(tǒng)錯(cuò)綜復(fù)雜，相互間產(chǎn)生作用，選出的主要指標(biāo)的評(píng)價(jià)因子應(yīng)具備科學(xué)性、完整性、主導(dǎo)性、獨(dú)立性和動(dòng)態(tài)性。按地下水資源脆弱性形成因素，確立的脆弱性指標(biāo)分為自然、人為、承載三大類。

3.1 指標(biāo)的選取

以下指標(biāo)都是針對(duì)承壓含水層而言，自然脆弱性方面選取干旱指數(shù)(x1)、年平均降雨量(x2)、隔水頂板厚度(x3)、含水層厚度(x4)、貯水系數(shù)(x5)和滲透系數(shù)(x6)6個(gè)指標(biāo)。x1說明了氣候干旱程度，其值是年蒸發(fā)能力和年降水量的比值;x2與地表水的補(bǔ)給有直接關(guān)系，都側(cè)面反映出是否會(huì)大量開采地下水的可能；x3、x4和x5反映了揚(yáng)州市區(qū)地下水資源的豐富程度，主要體現(xiàn)含水層儲(chǔ)水蓄水能力；x6代表土的滲透性強(qiáng)弱的定量指標(biāo)。本文通過對(duì)3個(gè)含水層井進(jìn)行抽水試驗(yàn)或注水試驗(yàn)取得滲透系數(shù)，范圍是9.10×10-4～3.25×10-1cm/s，基于滲透系數(shù)所得到的注水系數(shù)為1.22×10-3～6.42×10-2。

人為脆弱性方面選取人均地下水資源量(x7)、地下水開發(fā)利用率(x8)、地下水占用水比例(x9)和植被覆蓋率(x10)4個(gè)指標(biāo)。x7是通過Feflow軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算取得，3個(gè)承壓含水層可開采地下水資源量共1 288.61×104m3/a，城市規(guī)劃區(qū)人口以2003年計(jì)約為118.59萬，則人均地下水資源量為10.86m3/a。x8和x9反映了人類活動(dòng)影響下地下水資源的配置和開發(fā)利用程度[6]。x10在一定程度上與防止水土流失有關(guān)，地表枯枝落葉層對(duì)水土有保持作用，地下根系可提高土壤抗沖性。

承載脆弱性方面選取人口密度(x11)、人口增長(zhǎng)速度(x12)和工業(yè)萬元產(chǎn)值用水量(x13)3個(gè)指標(biāo)。這三個(gè)指標(biāo)主要從人類社會(huì)對(duì)水的需求的角度反映人類社會(huì)活動(dòng)給水資源系統(tǒng)帶來的壓力。

表1 地下水資源脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)采用常用的5級(jí)100分制劃分等級(jí)，根據(jù)評(píng)價(jià)區(qū)域各評(píng)價(jià)單元指標(biāo)的現(xiàn)狀值進(jìn)行評(píng)分(表1)。指標(biāo)采用等間距分級(jí)方法確定分級(jí)臨界值，即先確定各指標(biāo)數(shù)值的極差，將其除以5得到分級(jí)的級(jí)差，然后確定分級(jí)臨界值，具體詳見曹茂林的層次分析法確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重及Excel計(jì)算[7]。在江蘇省或者全國(guó)范圍內(nèi)考慮各指標(biāo)數(shù)值的極值分布，進(jìn)而確定各指標(biāo)的極差。

3.3 權(quán)重與一致性計(jì)算

(1)構(gòu)建判斷矩陣。判斷矩陣是一個(gè)正交矩陣，左上至右下對(duì)角線位置上的元素為1，其兩側(cè)對(duì)稱位置上的元素互為倒數(shù)，其中xij>0，xii=1，xij=1/xji(其中i，j=1，2，…，n)。本次研究n=13，根據(jù)九級(jí)標(biāo)度法進(jìn)行78次比較，其構(gòu)造矩陣見下面公式(1)。

(1)

(3)一致性檢驗(yàn)。當(dāng)一致性指標(biāo)CI<0.1時(shí)認(rèn)為層次排序結(jié)果符合一致性要求；當(dāng)CI>0.1時(shí)，需要重新調(diào)整各指標(biāo)的權(quán)重取值，直到獲取一致性為止。式中CI可以用式(2)計(jì)算

CI=(λmax-n)/(n-1)=(14.069 4-13)/(13-1)=0.089 1

(2)

式中：λmax為最大特征根，n為判斷矩陣階數(shù)，表2為重復(fù)計(jì)算1 000次得出的RI值[7]。一致性檢驗(yàn)是通過一致性指標(biāo)CI與平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI之比求出隨機(jī)一致性比率CR，即

CR=CI/RI=0.089 1/1.56=0.057 1<0.1

因此地下水資源脆弱度(V)采用綜合指數(shù)加權(quán)求和模型計(jì)算，即

(3)

式中，fi為各評(píng)價(jià)指標(biāo)原始數(shù)據(jù)經(jīng)過分級(jí)打分所得的數(shù)值; wi為各因子相對(duì)地表水資源脆弱性的權(quán)重系數(shù); n為指標(biāo)數(shù)，本文n=13; vi為各個(gè)指標(biāo)在脆弱度中所占分值，根據(jù)地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系V越大，脆弱度就越高；反之，脆弱度就越低，數(shù)值大小保持在0～100之間(表2)。

4 結(jié)果分析與評(píng)價(jià)

采用加權(quán)幾何平均綜合排序向量法計(jì)算得到指標(biāo)層各評(píng)價(jià)因子相對(duì)于地下水資源脆弱性的權(quán)重，各因子的權(quán)重計(jì)算結(jié)果見表3。在眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)中，地下水開發(fā)利用率和地下水占用水比例最大，達(dá)到34.10%，人為脆弱性占56.33%，對(duì)規(guī)劃區(qū)脆弱性影響最大。由式(3)可以計(jì)算地下水資源脆弱度(V)的值(表4)。從表中可以看出，邗江區(qū)脆弱度為40.34，屬于等級(jí)Ⅲ，表明地下水資源容易貧乏。廣陵區(qū)脆弱度為34.50，屬于等級(jí)Ⅱ，表明地下水資源豐富。

表2 地下水脆弱性評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 結(jié)論

利用AHP法確定了深層地下水評(píng)價(jià)因子的相對(duì)權(quán)重，其中人為脆弱性權(quán)重為0.563 4，自然脆弱性權(quán)重為0.258 5，承載脆弱性權(quán)重為0.178 1，表明揚(yáng)州市地下水資源利用方面的人為合理調(diào)控行為在降低水資源脆弱性方面的作用比較大；揚(yáng)州市邗江區(qū)的脆弱性屬于等級(jí)Ⅲ，表明地

表3 評(píng)價(jià)因子權(quán)重

表4 地下水脆弱性分區(qū)

下地下水資源容易貧乏；廣陵區(qū)的的脆弱性屬于等級(jí)Ⅱ，表明水資源豐富。

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(責(zé)任編輯 王利君)

Evaluation of deep groundwater resources Yangzhou based on AHP

WANGHongmei1，HUANGYong1，WANGLili2

(1.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.HydrologyandWaterResourcesSurveyBureauofJiangsuProvince,Yangzhou225002,China)

Vulnerabilityofgroundwaterresourcesisthebasisforregionalwaterresourcesplanningandmanagement.Inviewofthecurrentlackofeffectiveevaluationofgroundwaterresources,thegroundwaterresourceswasevaluatedbytakingtheYangzhouCityPlanningArea(Guangling,HanjiangDistrict)asexample.Basedonthecharacteristicsofgroundwaterresources,hydrologicalandgeologicaldata,thirteenindexeswereselectedastheassessmentindexsystem,AndtheAHPwasusedtodeterminetheindexweightandfinishtheconsistencyanalysis.TheresultsshowedthatthegroundwatervulnerabilitygradeofYangzhouurbanplanningareaisⅡ-Ⅲ,thegroundwaterresourcesarerelativelyrich.

groundwaterresources;vulnerability;indexsystem;AnalyticHierarchyProcess;Yangzhou

1673-9469(2016)04-067-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.015

2016-07-13

國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助項(xiàng)目(20145027312)

王紅梅(1991-)，女，安徽馬鞍山人，碩士，研究方向?yàn)樗牡刭|(zhì)。

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