晉中市平原區(qū)地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價

袁秋梅

（山西省晉中市榆次區(qū)水利局 山西晉中 030600）

地下水資源是重要的供水水源之一，地下水開采應(yīng)在可開采量允許范圍內(nèi)滿足經(jīng)濟(jì)社會對地下水的需求。地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價是揭示經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)與地下水系統(tǒng)之間需求與供給之間的結(jié)構(gòu)性特征，這種特征反映了經(jīng)濟(jì)社會系統(tǒng)和地下水系統(tǒng)之間既適應(yīng)又矛盾的關(guān)系，兩者相互影響，相互制約。

地下水作為晉中市的重要供水水源，在城鄉(xiāng)生活用水、農(nóng)田灌溉、工業(yè)生產(chǎn)與環(huán)境等方面要求發(fā)揮著重要作用。近年來隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用水需求不斷增加和采煤的破壞，晉中市地下水出現(xiàn)了超采和瀕臨斷流的情況。由于有的區(qū)域開發(fā)利用地下水布局不合理，致使一些區(qū)域地下水位逐年下降，形成了以城市水源地和農(nóng)灌井片為中心的較大范圍的地下水降落漏斗，并由此引發(fā)了地面沉降、地裂縫、水井枯竭、泉水衰減或斷流、水質(zhì)惡化等多種環(huán)境地質(zhì)問題。

根據(jù)2010年全國性的地下水超采區(qū)校定結(jié)果，晉中市超采區(qū)面積達(dá)972 km2。部分區(qū)域地下水位大幅度下降，同時在榆次源渦及介休義棠、義安等處，局部出現(xiàn)了地面沉降。

通過對晉中市地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價，可為地下水的開發(fā)利用提供依據(jù)，通過保護(hù)地下水資源，合理利用地下水資源，可逐步實現(xiàn)地下水采補(bǔ)平衡。因此，對晉中市地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價是具有現(xiàn)實意義的。

1 研究區(qū)域

本文以晉中市榆次區(qū)、太谷縣、祁縣、平遙縣和介休市5個縣（市、區(qū)）的盆地平原區(qū)為研究區(qū)域（以下簡稱晉中市平原區(qū)），面積為2219 km2，地下水資源量為28577萬m3/a（1956—2000年），地下水可開采量為 25697萬 m3/a。

2 評價指標(biāo)體系及標(biāo)準(zhǔn)

晉中市平原區(qū)地下水采補(bǔ)系統(tǒng)由大氣降水、地表徑流、人工開采地下水、土地利用、地下水水位、水量和水質(zhì)等性狀及地下水系統(tǒng)狀態(tài)變化引起水資源供給能力和環(huán)境等方面變化諸因素組成，是地下水采補(bǔ)狀態(tài)評價的主體。

地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價，是在區(qū)域水資源稟賦條件、地下水資源特征、保護(hù)程度、開發(fā)利用情況以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、人民生活和生態(tài)環(huán)境對地下水資源的需求程度等供需諸方面綜合分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多個因素分析評價而得出結(jié)論。因此，從水資源條件、生態(tài)環(huán)境、水資源管理和社會經(jīng)濟(jì)等方面，構(gòu)建了晉中市平原區(qū)地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價指標(biāo)體系。

地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價指標(biāo)體系中各個指標(biāo)的量綱不同，其評價的標(biāo)準(zhǔn)也不同，需確定不同指標(biāo)各采補(bǔ)狀態(tài)判斷級別的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，將各指標(biāo)與其標(biāo)準(zhǔn)值相比較，合成一個綜合評價結(jié)果。指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值是衡量人們對指標(biāo)值滿意程度的標(biāo)準(zhǔn)，反映一定時期人們對被評價對象某一方面發(fā)展水平的要求，這種要求是客觀可能性與主觀期望的綜合。在地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價指標(biāo)體系中，指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值首先體現(xiàn)保證“可持續(xù)性發(fā)展”這個總的要求。

地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價標(biāo)準(zhǔn)滿足：1）反映地下水采補(bǔ)系統(tǒng)的優(yōu)劣，特別是能夠衡量水資源環(huán)境功能的變化；2）反映地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)程度和受影響的范圍，盡可能定量化；3）能用于地下水采補(bǔ)系統(tǒng)均衡建設(shè)與保護(hù)行為方式，具有可操作性。

在地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價指標(biāo)體系中，參考國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及研究成果，結(jié)合研究區(qū)的水資源條件及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r制定各指標(biāo)的分級標(biāo)準(zhǔn)（閾值）[1][2]，將每個指標(biāo)相應(yīng)地劃分為均衡狀態(tài)、一般狀態(tài)、危險狀態(tài)、高危狀態(tài)4個判斷級別，見表1。

表1 晉中市地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價指標(biāo)體系及指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)

地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價等級與評價指標(biāo)判斷級別相對應(yīng)，1對應(yīng)1級，屬于均衡狀態(tài)，指地下水采補(bǔ)關(guān)系處于均衡狀態(tài)，地下水資源及其環(huán)境系統(tǒng)與社會、經(jīng)濟(jì)健康協(xié)調(diào)高效發(fā)展；2對應(yīng)2級，屬于一般狀態(tài)，指地下水采補(bǔ)關(guān)系趨向失衡狀態(tài)，地下水資源及其環(huán)境系統(tǒng)與社會、經(jīng)濟(jì)健康協(xié)調(diào)發(fā)展，滿意程度一般；3對應(yīng)3級，屬于危險狀態(tài)，指地下水采補(bǔ)關(guān)系處于失衡狀態(tài)，地下水資源及其環(huán)境系統(tǒng)不能與社會、經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展，已威脅到社會、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展；4對應(yīng)4級，屬于高危狀態(tài)，指地下水采補(bǔ)關(guān)系失衡嚴(yán)重，地下水資源及其環(huán)境系統(tǒng)全面惡化，已嚴(yán)重阻礙了社會、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)為3級或4級時，必須采取相應(yīng)的措施，使地下水采補(bǔ)關(guān)系逐漸向2級、1級轉(zhuǎn)化。

3 評價指標(biāo)因素

評價指標(biāo)根據(jù)晉中市平原區(qū)地下水采補(bǔ)系統(tǒng)的特點及指標(biāo)體系建立的準(zhǔn)則，從指標(biāo)實際物理意義出發(fā)，通過分析指標(biāo)間的關(guān)系，選擇能體現(xiàn)地下水采補(bǔ)系統(tǒng)內(nèi)涵、發(fā)展?fàn)顟B(tài)及發(fā)展過程的因素為指標(biāo)，利用晉中市2001-2012年資料，按年度建立地下水采補(bǔ)系統(tǒng)指標(biāo)原始評價集，見表2。

表2 晉中市評價指標(biāo)特征值

4 評價過程

采用模糊可變評價模型[3][4]對晉中市地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評價。

1）建立晉中市地下水采補(bǔ)系統(tǒng)指標(biāo)特征值矩陣X

式中：i=1，2，…25，為指標(biāo)序號；

j=1，2，…，12，為年份序號。

2）按照4個級別進(jìn)行評價，且1級優(yōu)于2級，2級優(yōu)于3級，4級最差。參照表1的分級標(biāo)準(zhǔn)，確定各級別指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間矩陣Iab

式中：h=1，2，3，4，為評價等級。

3）根據(jù)矩陣Iab中各級指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值區(qū)間兩側(cè)相鄰區(qū)間的上下限值確定范圍值區(qū)間矩陣Icd

4）根據(jù)矩陣Iab，按照物理分析和實際情況確定吸引域區(qū)間［aih，bih］中相對差異度等于1的點值矩陣M

5）確定各級別的指標(biāo)相對隸屬度矩陣Uh

（1）計算相對差異度

當(dāng) xij落在 Mih值的左側(cè)，即 xij

當(dāng) xij落在 Mih值的右側(cè)，即 xij>Mih，采用式（2）計算：

（2）計算相對隸屬度μA（xij）h

得到各級別的指標(biāo)相對隸屬度矩陣Uh

以j=6對h=1為例求解指標(biāo)相對隸屬度μA（xi6）1。

由矩陣X得j=6的現(xiàn)狀指標(biāo)特征值向量：

x6=（274.9，2508.9，506.6，71.8，0，12461.1，16.5，4.8，2.9，41.6，122.4，66.7，52.1，7.9，0.1，-0.7，43.5，0.3，160.0，3.0，60.5，221.8，64.4，0，2.4）T

由矩陣Iab、Icd和M得h=1的相應(yīng)向量分別為：

當(dāng) i=13 時，x13，6=52.1，而 a13，1=0，b13，1=60，c13，1=0，d13，1=70，M13，1=0，x13，6在 M13，1的右側(cè)，且 x13，6∈[M13，1，b13，1]，選用公式DA（x13，6）1=（x13，6-b13，1）/（M13，1-b13，1）進(jìn)行計算，得DA（x13，6）1=0.13，則μA（x13，6）1=（1+DA）x13，6）1）/2=0.5654。

同理，可得 j=6，i=1，2，…，25 對 1 級地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)的指標(biāo)相對隸屬度向量

[u1]6=（0，0，0.0755，0，0，0，0.5814，0.3026，0.0268，0，0，0，0.5654，0，0，0，0.1911，0.9375，0，0，0，0.9179，0，0，0）T。

同理可得到 j=1，2，…，12，對級別 h=1，2，3，4 的指標(biāo)相對隸屬度矩陣。

式中α為模型優(yōu)化準(zhǔn)則參數(shù)，α=1為最小一乘方準(zhǔn)則，α=2為最小二乘方準(zhǔn)則；p為距離參數(shù)，p=1為海明距離，p=2為歐氏距離；wi為指標(biāo)權(quán)重。

指標(biāo)權(quán)重采用層次分析法確定。首先根據(jù)評價指標(biāo)體系，以目標(biāo)層和各準(zhǔn)則層構(gòu)造成1個判斷矩陣，以各準(zhǔn)則層和其相應(yīng)的指標(biāo)層構(gòu)造成5個判斷矩陣，然后遵循層次分析原理，依據(jù)1～9比例標(biāo)度法，結(jié)合有關(guān)專家的意見，對各準(zhǔn)則和各指標(biāo)的重要性程度進(jìn)行賦值。

以準(zhǔn)則層地下水開發(fā)狀態(tài)和指標(biāo)層地下水開采率、地下水供給率、地下水采補(bǔ)率構(gòu)造成的判斷矩陣為例說明賦值過程。

地下水開采率與地下水供給率相比，認(rèn)為地下水開采率對于地下水開發(fā)狀態(tài)的重要性程度比地下水供給率稍微重要，賦值為3；地下水開采率與地下水采補(bǔ)率相比，認(rèn)為地下水采補(bǔ)率對于地下水開發(fā)狀態(tài)的重要性比地下水開采率重要，重要程度介于同樣重要和稍微重要之間，賦值為1/2；地下水供給率與地下水采補(bǔ)率相比，認(rèn)為地下水采補(bǔ)率對于地下水開發(fā)狀態(tài)的重要性比地下水供給率重要，重要程度介于稍微重要和明顯重要之間，賦值為1/4。再根據(jù)判斷矩陣的性質(zhì)aji=1/aij，則賦值結(jié)果見表3。

表3 層次分析標(biāo)度法賦值表

經(jīng)計算，判斷矩陣的最大特征根為3.018，判斷矩陣指標(biāo)的非歸一化權(quán)向量為 W′=（0.961，0.368，1.671），則指標(biāo)的歸一 化 權(quán) 向 量 為 W=（0.3202，0.1226，0.5571）。一致性檢驗結(jié)果為0.016，小于0.1，判斷矩陣具有滿意的一致性。

各判斷矩陣的歸一化權(quán)向量分別為：

W1=（0.3822，0.1760，0.3229，0.0882，0.0307）

W2=（0.0872，0.0872，0.5364，0.2395，0.0497）

W3=（0.5299，0.2558，0.0322，0.1037，0.0783）

W4=（0.3202，0.1226，0.5571）

W5=（0.3518，0.2752，0.1063，0.1053，0.0974，0.0301，0.034）

W6=（0.3899，0.3613，0.0538，0.0946，0.1004）

一致性檢驗結(jié)果，準(zhǔn)則層對目標(biāo)層為0.076，評價指標(biāo)對水資源狀態(tài)準(zhǔn)則層為0.095，對經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展?fàn)顟B(tài)準(zhǔn)則層為0.091，對地下水開發(fā)狀態(tài)準(zhǔn)則層為0.016，對地下水環(huán)境狀態(tài)準(zhǔn)則層為0.060，對水利、環(huán)境管理狀態(tài)準(zhǔn)則層為0.089，均小于0.1，判斷矩陣具有滿意的一致性。各準(zhǔn)則和各指標(biāo)權(quán)值見表1。

各級別的綜合相對隸屬度見表4。

表4 晉中市地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)級別綜合相對隸屬度表

7）確定綜合相對隸屬度矩陣U

由式（3）可得到非歸一化的綜合相對隸屬度矩陣：U′=（ju′h），將其歸一化處理得到綜合相對隸屬度矩陣

（8）計算各級別特征值向量H：

據(jù)此進(jìn)行綜合評價分析。

5 評價成果

根據(jù)模糊可變評價模型對晉中市2001-2012年逐年進(jìn)行地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評價，評價結(jié)果見表5。

對表5進(jìn)行整理，得到晉中市2001-2012年地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價級別成果表，見表6。

表6中地下水采補(bǔ)狀態(tài)評價級別統(tǒng)計表明：晉中市多年地下水采補(bǔ)處于危險狀態(tài)至一般狀態(tài)，向一般狀態(tài)轉(zhuǎn)化。這一分析說明了，近幾年加強(qiáng)水資源優(yōu)化配置、實施關(guān)井壓采行動收到了初步效果。

目前，晉中市地下水總體開發(fā)利用程度較高，未來地下水資源開發(fā)利用潛力有限。本文利用模糊可變模型計算的結(jié)果與地下水開采的實際相符，證實了評價結(jié)果的合理性。因此，對地下水的開發(fā)利用需要嚴(yán)格審批，實行地下水取用水總量控制及水位動態(tài)監(jiān)測，實施關(guān)井壓采，優(yōu)先取用地表水，充分利用非傳統(tǒng)水源，嚴(yán)格控制地下水，加強(qiáng)對地下水資源的節(jié)約及保護(hù)。

表5 晉中市地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價結(jié)果

表6 晉中市2001—2012年地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)評價級別成果表

6 結(jié)論

本文從地下水采補(bǔ)系統(tǒng)的主體出發(fā)，建立了晉中市地下水采補(bǔ)系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，應(yīng)用模糊可變評價模型，對晉中市的地下水采補(bǔ)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行了評價分析，分析表明，晉中市多年地下水采補(bǔ)處于危險狀態(tài)至一般狀態(tài)，向一般狀態(tài)轉(zhuǎn)化。

晉中市水資源供需矛盾比較嚴(yán)重，地下水資源開發(fā)利用已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)規(guī)模，大水網(wǎng)規(guī)劃的實施以及全面落實中央一號文件精神，實施最嚴(yán)格的水資源管理制度、加強(qiáng)地下水管理與保護(hù)等促進(jìn)了地下水保護(hù)的措施，但地下水局部超采仍然嚴(yán)重，模型評價結(jié)果與實際相符，從而證實了評價結(jié)果的合理性。晉中市今后應(yīng)進(jìn)一步實施挖潛、節(jié)流等一系列保護(hù)地下水的工程與非工程措施，繼續(xù)采取關(guān)井壓采、超采區(qū)加倍征收水資源費、地下水源逐步用其他水源置換、依法嚴(yán)格控制審批新井、涵養(yǎng)地下水源等措施，還應(yīng)采取鼓勵改用中水，優(yōu)先取用地表水、積極推進(jìn)跨流域調(diào)水及綜合治理等措施，以實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用，達(dá)到人水和諧的目的。