大凌河流域地下水安全定量綜合評價

王 穎

(遼寧水利土木工程咨詢有限公司，沈陽 110000)

0 引 言

地下水安全評估對于保障生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)、糧食生產(chǎn)和飲水用水等至關(guān)重要，針對地下水安全狀態(tài)許多學(xué)者開展評估研究并取得了豐碩的成果，然而現(xiàn)有研究大多存在未考慮各因子權(quán)重、評價方式較為主觀且指標(biāo)單一等[1-4]?？紤]不同評價因子間相對重要度和各方面多元指標(biāo)的可變模糊集模型，已被廣泛應(yīng)用于區(qū)域水資源評價系統(tǒng)，然而涉及地下水安全評價的研究還鮮有報道。大凌河流域景觀變化劇烈且水資源豐富，借鑒文獻(xiàn)資料和已有研究成果，對大凌河地下水安全利用可變模糊集模型定量評價，以期為該流域水環(huán)境保護(hù)和地下水治理提供一定的參考[5]。

1 可變模糊集模型評價流程

不同指標(biāo)對地下水安全評估的貢獻(xiàn)率往往存在較大差異，結(jié)合各要素基本內(nèi)涵和不同要素之間的關(guān)系合理確定其權(quán)重值。綜合考慮各方面多元指標(biāo)的可變模糊集模型可有效避免傳統(tǒng)方法存在的評價結(jié)果主觀、指標(biāo)單一的問題，在識別處理多形式評價等級區(qū)間時具有良好的可行性，運(yùn)用該模型定量評價地下水安全的流程如下：

步驟一：依據(jù)區(qū)域地下水影響因子和參評樣本數(shù)構(gòu)造評價指標(biāo)集U={x1，x2，…，xn}，評價目標(biāo)集為V={y1,y2,…,yn}。

步驟二：根據(jù)模糊評價理論和參評指標(biāo)構(gòu)建矩陣TR：F(U)→F(V)；A→AB=B，其中R為評價目標(biāo)集V到指標(biāo)集U的模糊矩陣，其計算公式為R=(rij)n×m。

步驟三：由于各指標(biāo)的量級和單位不同無法直接參與運(yùn)算，因此利用歸一化公式處理各評價因子初始數(shù)據(jù)，即：

(1)

步驟四：根據(jù)以上數(shù)學(xué)方程構(gòu)造綜合評價矩陣(R,U,V)，再利用權(quán)重矩陣A={a1,a2,…,an}可獲取流域地下水安全評價矩陣B={b1,b2,…,bn}，其中ai為評價因子i的權(quán)重，并滿足條件∑ai=1。地下水安全評價矩陣B的表達(dá)式如下：

(2)

根據(jù)現(xiàn)有研究資料和大凌河流域?qū)嶋H情況，將地下水安全評價劃分為Ⅰ級(不安全)、Ⅱ級(較不安全)、Ⅲ級(較安全)、Ⅳ級(安全)等級，所對應(yīng)的綜合評價指數(shù)值為0.1-0.3、0.3-0.5、0.5-0.7、0.7-1.0之間。

2 實例分析

2.1 區(qū)域概況

大凌河為遼寧省西部的重要飲用水源地，流域內(nèi)景觀變化劇烈且經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，主要支流有清河、細(xì)河、老虎山河、大定河、牤牛河、瓦子峪河、涼水河等，對于保障沿途農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和居民用水等具有重要意義。河流全長398km，年均徑流量16.67億m3，含沙量57kg/m3，總面積2.35萬km2。大凌河自西向東徑流朝陽、北漂、義縣、凌海等市縣，主脈貫穿遼西、東南匯入渤海。該流域?qū)儆跍貛Ъ撅L(fēng)氣候，年均氣溫8.0℃-12.6℃，年降水量450-600mm，氣候特點(diǎn)為春秋季短、雨量集中、冬長夏暖、平原風(fēng)大，受季風(fēng)氣候影響年降水量的57.1%集中于6-9月。大凌河地貌形態(tài)以山丘為主，極少數(shù)地區(qū)為平原區(qū)，水源涵養(yǎng)能力差，地下水補(bǔ)給以大氣降水為主。近年來，為滿足各行業(yè)用水和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求，流域水資源被過渡開發(fā)利用并使得地下水位持續(xù)下降，地下水系統(tǒng)與地表水、人類活動、生態(tài)環(huán)境等因素密切相關(guān)，而生態(tài)環(huán)境與人類活動、地表水又緊密相連，因此有必要綜合考慮各方面因素定量綜合評價該流域地下水狀態(tài)，這對于保障區(qū)域糧食、生態(tài)、飲水安全具有重要意義[6-11]。

2.2 地下水安全綜合評價

根據(jù)流域水資源情況和地形地貌特征將其劃分為A、B、C、D、E、F六個參評樣本，然后運(yùn)用可變模糊集模型和生態(tài)、水質(zhì)、供水能力等指標(biāo)，定量綜合評價各標(biāo)準(zhǔn)區(qū)地下水安全狀態(tài)。

2.2.1 綜合評價體系及指標(biāo)賦值

根據(jù)地下水評價有關(guān)資料和流域水文地質(zhì)條件，系統(tǒng)分析地下水各因子特征、成因及其相互作用，從生態(tài)、水質(zhì)和供水能力三個方面選取6項典型指標(biāo)構(gòu)建評價體系。確定各項評價因子后，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況對各參評樣本不同指標(biāo)利用專家打分法賦分，評價體系及各因子賦分初始值見表1。

表1 地下水安全評價體系及其賦值

從表1各評價因子賦值可知，參評樣本A具有較高的可開采利用率賦分，但其含水層埋深賦分的相對較低，各因子賦值處于3.96-8.12范圍；參評樣本B的含水層埋深賦分與樣本A一樣也具有相對較低的賦分，但該評價區(qū)的供水能力賦分高于樣本A，各因子賦值處于2.15-10.12范圍；參評樣本C的具有較高的化學(xué)污染指數(shù)賦分，各因子賦值處于4.33-9.26范圍；參評樣本D的具有較低的廢水處理賦分，各因子賦值處于3.96-8.40范圍；參評樣本E的各評價因子賦值相對較高，其中化學(xué)污染指數(shù)賦分較其它樣本高，各因子賦值處于6.20-11.15范圍；參評樣本F的的各評價因子賦分總體處于較低水平，各因子賦分處于1.22-4.37范圍。

2.2.2 歸一化處理

然后利用歸一化處理公式(1)，求解各項評價要素的標(biāo)準(zhǔn)值見表2，通過對賦分值的處理可確定各參評樣本具有相同的指標(biāo)特征值區(qū)間。

表2 地下水安全評價歸一化值

2.2.3 評價指標(biāo)權(quán)重值計算

采用各參評樣本歸一化值和因子福分值，對不同特征指標(biāo)權(quán)重利用信息熵權(quán)模型進(jìn)行求解，結(jié)果見表3。

表3 地下水安全評價歸一化值

根據(jù)表3權(quán)重值運(yùn)算結(jié)果，地下水污染程度對參評樣本A、B的影響較為顯著，所以較其它評價因子該指標(biāo)權(quán)重較大；廢水處理程度對參評樣本C的影響較為顯著，所以該評價因子在參評樣本C中的權(quán)重較大，而供水能力對參評樣本C的影響較低，所以供水能力在參評樣本C中較小。地下水可開采率對參評樣本C的影響較為顯著，所以在參評樣本C中可開采率的權(quán)重值較大；各評價因子權(quán)重在參評樣本E中較大，且地下水可開采率對該區(qū)域的影響最為顯著，所以賦予的權(quán)重值也較大。較其它參評樣本而言，F(xiàn)的各因子權(quán)重相對較低，但地下水化學(xué)污染對該參評樣本的影響較為明顯，所以賦予的權(quán)重也比較大。總體而言，評價指標(biāo)對區(qū)域地下水的影響程度與不同指標(biāo)特征權(quán)重賦值直接相關(guān)。

2.2.4 綜合評價結(jié)果

根據(jù)指標(biāo)歸一化值和指標(biāo)權(quán)重賦值運(yùn)算結(jié)果，對各參評樣本的地下水安全指數(shù)利用公式(2)求解，結(jié)合評價等級劃分標(biāo)準(zhǔn)和綜合指數(shù)運(yùn)算結(jié)果確定流域地下水安全狀態(tài)，結(jié)果見表4。

表4 地下水安全綜合評價結(jié)果

從表4可知，地下水安全綜合評價指數(shù)最高的為評價樣本E的0.7342，處于安全等級，該評價結(jié)果與區(qū)域地下水狀況基本相符，該區(qū)域水生態(tài)保護(hù)較好且地下水資源豐富，供水能力和可開采利用率均處于較高水平；參評樣本A、B、D的綜合安全指數(shù)為0.6738、0.6130、0.6251，這三個區(qū)域的地下水情況基本相同均處于較不安全狀態(tài)，其中A、B的面源污染安全指數(shù)較高，而D樣本處于較低水平，這3個區(qū)域的供水能力均處于較低水平，在地下水開采利用和管理中應(yīng)加強(qiáng)對供水能力的提升。而F和C樣本的綜合安全指數(shù)值均在0.5以下，因此屬于較不安全等級。綜上分析，參評樣本E的地下水系統(tǒng)總體處安全狀態(tài)，其它5個樣本均處于較不安全狀態(tài)，這些區(qū)域的地下水受人類活動的影響較大，水系統(tǒng)恢復(fù)需要較長的時間，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，加強(qiáng)對地下水的合理利用和科學(xué)管理。

3 結(jié) 論

地下水為保障我國生態(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)，本文運(yùn)用考慮了多指標(biāo)的可變模糊集模型定量評價大凌河流域地下水安全狀態(tài)，主要結(jié)論如下：

1)考慮了多方面影響因素的可變模糊集模型，能夠較為客觀、合理的的評價區(qū)域地下水安全實際狀況，評價結(jié)果與實際情況基本相符。

2)地下水水質(zhì)和可開采率對綜合評價結(jié)果的影響最為顯著，評價指標(biāo)對區(qū)域地下水的影響程度與不同指標(biāo)特征權(quán)重賦值直接相關(guān)，參評樣本E的地下水系統(tǒng)總體處安全狀態(tài)，其它5個樣本均處于較不安全狀態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)對這些區(qū)域的地下水管理和合理利用。