人類(lèi)活動(dòng)對(duì)開(kāi)都-孔雀河流域地下水位的影響分析

鄧 燕

(塔里木河流域巴音郭楞管理局開(kāi)都-孔雀河管理處解放二渠管理站，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

地下水為保障我國(guó)生態(tài)、糧食、經(jīng)濟(jì)和飲水安全的重要性戰(zhàn)略資源，在水資源供給系統(tǒng)中地下水的重要性地位日漸顯現(xiàn)。由于對(duì)地下水自然屬性認(rèn)識(shí)的不足，加之水資源分布不均、經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口快速增長(zhǎng)等條件限制，許多地區(qū)的地下水曾被盲目無(wú)序的開(kāi)采，從而導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境和地下水嚴(yán)重超采等問(wèn)題，嚴(yán)重影響著居民生活和生產(chǎn)，甚至制約著某些地區(qū)的水生態(tài)文明建設(shè)。地下水位引起的土壤鹽堿化、海水入侵和地面沉降等問(wèn)題，已成為當(dāng)前水資源領(lǐng)域研究的重要課題之一[1-7]。

為推動(dòng)水生態(tài)文明建設(shè)和實(shí)現(xiàn)水資源的持續(xù)利用，“十三五”規(guī)劃提出要嚴(yán)格控制對(duì)地下水的開(kāi)發(fā)利用和綜合管理。開(kāi)都-孔雀河流域位于南疆經(jīng)濟(jì)發(fā)展相對(duì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，近年來(lái)自然生態(tài)環(huán)境的趨于惡化、地下水位的持續(xù)下降以及水土資源大規(guī)模開(kāi)發(fā)等引起了政府部門(mén)的高度重視。受當(dāng)?shù)伢w制和歷史條件等要素限制，地下水監(jiān)測(cè)存在一定的滯后性，難以準(zhǔn)確掌握地下水超采和開(kāi)采利用情況，可靠真實(shí)的統(tǒng)計(jì)提水量和地下水位存在較大困難，無(wú)法實(shí)現(xiàn)地下水資源的有效管控和全流域地下水波動(dòng)情況的第一時(shí)間掌握，普遍存在地下水超采和偷采問(wèn)題。根據(jù)2016年調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，地下水實(shí)際超采率已>66%，引用量顯著高于用水紅線要求的3.63億m3，對(duì)地下、地表水的聯(lián)合利用和水資源合理配置產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響。

當(dāng)前，由于具有結(jié)果可靠度高、計(jì)算簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，TOPSIS法已廣泛應(yīng)用于水利工程方案、水資源承載力和績(jī)效管理評(píng)價(jià)等領(lǐng)域。例如，羅浩等從限制納污、用水效率和開(kāi)發(fā)利用的角度構(gòu)建評(píng)價(jià)體系，對(duì)評(píng)價(jià)因子組合系數(shù)利用博弈論法計(jì)算，從而構(gòu)建水資源管理績(jī)效評(píng)價(jià)GC-TOPSIS模型，并用于西安市2005-2016年的水系統(tǒng)評(píng)價(jià)；黃鎮(zhèn)中等為定量評(píng)價(jià)土石壩滲流風(fēng)險(xiǎn)程度選取了滲透迫降、滲流量等8個(gè)因子，各評(píng)價(jià)指標(biāo)客觀權(quán)重利用粗糙集改進(jìn)AHP法求解，利用組合賦權(quán)-TOPSIS法預(yù)測(cè)分析了6個(gè)土石壩的滲流風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)價(jià)結(jié)果可靠性較高；岳俊濤等以江西省11個(gè)地市為例，結(jié)合水文局和統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)資料選取萬(wàn)元GDP用水量、人均用水量等評(píng)價(jià)因子構(gòu)造評(píng)價(jià)體系，對(duì)研究區(qū)用水效率利用CRITIC-TOPSIS方法給予合理評(píng)價(jià)；夏歡等從生態(tài)、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和水資源4個(gè)子系統(tǒng)中選取20項(xiàng)典型因子，采用AHP-熵權(quán)法計(jì)算評(píng)價(jià)因子綜合權(quán)重，并對(duì)連云港地區(qū)水系統(tǒng)承載力利用TOPSIS法評(píng)價(jià)[8-11]。

據(jù)此，文章結(jié)合現(xiàn)有研究成果和文獻(xiàn)資料，采用改進(jìn)的TOPSIS法定量評(píng)價(jià)了開(kāi)都-孔雀河流域地下水位受人類(lèi)活動(dòng)的影響，可為該流域生態(tài)環(huán)境保護(hù)和地下水治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 流域概況

開(kāi)都-孔雀河流域面積7.73萬(wàn)km2，其中平原區(qū)和山區(qū)面積為4.26、3.47萬(wàn)km2，共涉及庫(kù)爾勒市、尉犁縣、和碩縣、博湖縣、焉耆縣、靜縣等地。2016年統(tǒng)計(jì)資料顯示，開(kāi)都-孔雀河流域城鎮(zhèn)化率53.02%，總?cè)丝?09.56萬(wàn)人；生產(chǎn)總值GDP為364.87億元，其中第一、二、三產(chǎn)業(yè)為74.67、100.49、89.71億元，占比依次為28.19%、37.94%和33.87%；人均純收入5448元、人均GDP2.58萬(wàn)元。

2 改進(jìn)的TOPSIS模型

2.1 確定因子權(quán)重

采用熵權(quán)法求解各因子權(quán)重，具體流程如下：

步驟一：通過(guò)歸一化處理指標(biāo)矩陣X=(xij)m×n，由此構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)判斷矩陣B=(bij)m×n，歸一化公式如下：

(1)

式中：i、j——為待評(píng)方案和因子；xmin(j)、xmax(j)——為待評(píng)方案中評(píng)價(jià)因子j的最小和最大值。

步驟二：根據(jù)熵的內(nèi)涵確定評(píng)價(jià)因子j的熵值，其計(jì)算式為：

(2)

(3)

其中：i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

步驟三：根據(jù)評(píng)價(jià)因子j的熵權(quán)βj計(jì)算方法，可獲取權(quán)向量β=(β1,β2,…,βn)，計(jì)算公式為：

(4)

2.2 改進(jìn)TOPSIS模型

TOPSIS模型又稱(chēng)為多要素、多目標(biāo)決策分析法，其實(shí)質(zhì)是依據(jù)理想化目標(biāo)與有限個(gè)評(píng)價(jià)方案之間的貼近程度，科學(xué)排序相關(guān)指標(biāo)的功能作用或優(yōu)劣程度，具有應(yīng)用靈活、計(jì)算結(jié)果科學(xué)和分析簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。文章將TOPSIS評(píng)價(jià)法與灰色關(guān)聯(lián)理論相耦合，構(gòu)建地下水位影響評(píng)價(jià)模型，基本流程如下：

步驟一：采用計(jì)算式(1)歸一化處理各方案初始值，從而構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B為：

(5)

其中：i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。采用乘積法求解各因子權(quán)重與標(biāo)準(zhǔn)化矩陣B，由此獲取加權(quán)處理后的標(biāo)準(zhǔn)矩陣C，即：

(6)

步驟二：采用灰色關(guān)聯(lián)理論求解C的正、負(fù)理想解，利用下式確定理想解與待評(píng)價(jià)對(duì)象的關(guān)聯(lián)系數(shù)rij，即：

(7)

理想解與各評(píng)價(jià)方案間的灰色關(guān)聯(lián)矩陣R利用公式(7)確定，表達(dá)式為：

(8)

步驟三：根據(jù)以上流程求解矩陣R的正、負(fù)理想解，利用歐式基本公式對(duì)理想解與待評(píng)價(jià)方案i的距離計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(9)

步驟四：計(jì)算貼進(jìn)度。根據(jù)待評(píng)價(jià)對(duì)象的貼近程度值ξi的大小對(duì)各地區(qū)地下水位進(jìn)行優(yōu)劣排序，ξi值越大則表示待評(píng)方案與最優(yōu)方案的貼近程度越高，評(píng)價(jià)方案的越優(yōu)；反之，則代表與最優(yōu)方案的貼近程度越小，待評(píng)方案越劣，其計(jì)算公式為：

(10)

3 實(shí)例分析

3.1 基本狀況

根據(jù)相關(guān)研究資料和開(kāi)都-孔雀河流域?qū)嶋H情況，選取糧食單產(chǎn)、地下水灌溉面積和機(jī)井?dāng)?shù)量等影響地下水位的指標(biāo)，依據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒、水資源公報(bào)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查等有關(guān)資料獲取各因子值，見(jiàn)表1所示。

表1 評(píng)價(jià)區(qū)域地下水位影響因子初始值

結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)和流域?qū)嶋H情況，將地下水影響程度劃分為低、中、高、嚴(yán)重4個(gè)等級(jí)，相應(yīng)的Ci值為1.00-0.75、0.75-0.50、0.50-0.25、<0.25，各等級(jí)特征為影響微弱、水系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間較短且影響較小、水系統(tǒng)恢復(fù)需要一定時(shí)間且存在一定影響、水系統(tǒng)恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)且影響顯著。

3.2 評(píng)價(jià)計(jì)算

各評(píng)價(jià)因子權(quán)重利用公式(1)-(4)求解，結(jié)果為β=(0.0295,0.0548,0.1065,0.0311,0.0900，0.0352,0.1002,0.0180,0.1321,0.1027,0.1881,0.1119)。然后采用加權(quán)求和法獲取標(biāo)準(zhǔn)化矩陣C，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)矩陣C

采用上述計(jì)算式(5)-(11)求解各研究區(qū)域的貼進(jìn)度，貼進(jìn)度度及灰關(guān)聯(lián)矩陣計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3、表4所示。

表3 研究區(qū)灰關(guān)聯(lián)矩陣

表4 基于兩種模型的評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)表4可以看出，貼進(jìn)度最大的區(qū)域?yàn)檠申瓤h，最大值為0.8894，可見(jiàn)該區(qū)域地下水位受人類(lèi)活動(dòng)的影響較弱；貼進(jìn)度最小的區(qū)域?yàn)閹?kù)爾勒市，最小值為0.1271，較其它區(qū)域明顯較低，可見(jiàn)該區(qū)域地下水位受人類(lèi)活動(dòng)的影響較大，水系統(tǒng)恢復(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，為遏制地下水的進(jìn)一步發(fā)展當(dāng)?shù)卣畱?yīng)采取行之有效的措施[12]。按照自劣到優(yōu)的次序排列開(kāi)都-孔雀河流域地下水情勢(shì)為：庫(kù)爾勒市<尉犁縣<和碩縣<和靜縣<博湖縣<焉耆縣。

3.3 結(jié)果分析

將評(píng)價(jià)結(jié)果與投影尋蹤法比較，驗(yàn)證了文章所用方法的準(zhǔn)確性。結(jié)果顯示，兩種方法評(píng)價(jià)結(jié)果具有較高的一致性，各區(qū)域地下水情勢(shì)排序相同，可見(jiàn)所構(gòu)建的模型具有較強(qiáng)的適用性和可靠性，能夠用于地下水位的影響研究。

4 結(jié) 論

開(kāi)都-孔雀河流域人口規(guī)模和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，地下水過(guò)度開(kāi)采、水體污染、水資源短缺等問(wèn)題日趨突出。為實(shí)現(xiàn)該流域水資源合理利用及人水和諧發(fā)展，文章結(jié)合流域地下水特征和相關(guān)研究資料，選取糧食單產(chǎn)、地下水灌溉面積和機(jī)井?dāng)?shù)量等影響地下水位的指標(biāo)，采用改進(jìn)的TOPSIS方法評(píng)價(jià)分析各地區(qū)的地下水情勢(shì)特征，主要結(jié)論如下：

1) 評(píng)價(jià)因子權(quán)重利用熵權(quán)法求解，結(jié)果顯示對(duì)地下水位影響較為顯著的因子有國(guó)民生產(chǎn)總值、地下水開(kāi)采量、地下水灌溉面積和機(jī)井?dāng)?shù)量等因子。

2)按照自劣到優(yōu)的次序排列開(kāi)都-孔雀河流域地下水情勢(shì)為：庫(kù)爾勒市<尉犁縣<和碩縣<和靜縣<博湖縣<焉耆縣，焉耆縣地下水位受人類(lèi)活動(dòng)的影響較弱，庫(kù)爾勒市較其它區(qū)域的貼進(jìn)度明顯較低，該區(qū)域地下水位受人類(lèi)活動(dòng)的影響較大，水系統(tǒng)恢復(fù)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，為遏制地下水的進(jìn)一步發(fā)展當(dāng)?shù)卣畱?yīng)采取行之有效的措施。