基于SAVEE方法的海島地下水開采適宜性評價

單 科，王銳浩，田 林，王曉麗

（自然資源部天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

地下水在海島的社會發(fā)展和環(huán)境保護(hù)中發(fā)揮著非常重要的作用，對其進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的評價是地下水資源合理開發(fā)利用和保護(hù)的科學(xué)依據(jù)。目前，在大多數(shù)研究中，使用較多的方法為層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）和模糊綜合評價法[1-3]。它們的優(yōu)點在于將定性和定量相結(jié)合，為決策者提供了對復(fù)雜問題進(jìn)行量化、計算、分析的手段，是十分有效的系統(tǒng)分析和科學(xué)決策方法[4]。但在采用這兩種方法建立起的評價體系中，消極因子的影響往往被積極因子的影響覆蓋，無法得到有效表達(dá)。

本文將探討的SAVEE（Spatial Appraisal and Valuation of Environment and Ecosystems）方法，是由美國德克薩斯A&M大學(xué)STARR實驗室研發(fā)的一種評價方法。其不僅具備將定性與定量相結(jié)合的特點，還可將消極因素與積極因素都直觀地體現(xiàn)出來。在應(yīng)用過程中，它還可與空間信息結(jié)合，融入地理信息系統(tǒng)，與其他相關(guān)信息進(jìn)行整合處理。該校利用SAVEE方法在森林管理、景觀生態(tài)學(xué)研究、野生動植物管理、資源規(guī)劃等方面的工作中都取得了良好的效果[5-8]。陳韶陽等[9]將SAVEE方法應(yīng)用于海島空間價值評價研究，認(rèn)為SAVEE評價法簡單易用，便于與GIS軟件相結(jié)合，使評價更加真實可靠。

本文對SAVEE評價方法進(jìn)行了介紹和分析，并將該方法應(yīng)用于海島淺層地下水開采適宜性評價研究，希望能為相關(guān)領(lǐng)域的評價理論方法提供新的借鑒。

1 SAVEE評價方法的分析步驟

SAVEE方法評價事物主要分為篩選評價因子、數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化和結(jié)果迭加3個步驟。首先，選取適當(dāng)?shù)脑u價因子，并根據(jù)其影響的特點和強(qiáng)度，構(gòu)建相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化方程；然后，將評價因子的相應(yīng)數(shù)值代入標(biāo)準(zhǔn)化方程；最后，將計算結(jié)果通過SAVEE迭加方程，將全部因子的影響迭加起來，得到定量化的評價結(jié)果。

1.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和因子選取

根據(jù)評價對象特點和評價目的，收集相關(guān)數(shù)據(jù)資料并選取適宜的評價因子，建立備選因子集。評價因子應(yīng)保證相應(yīng)數(shù)據(jù)的可獲取性和有效性，從而保證評價結(jié)果的有效性。

1.2 數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化

SAVEE方法所輸入的數(shù)據(jù)需進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，就是將所有數(shù)據(jù)通過直接定義或方程計算轉(zhuǎn)換成在（-1，1）之間的數(shù)值。其中，影響因子的價值在（-1，0）之間的為消極因子，而積極因子的價值定義在（0，1）之間。定性描述和定量數(shù)值的轉(zhuǎn)化可依據(jù)圖1所示進(jìn)行。但定義時需注意避免把某個因子的影響價值設(shè)置為1或-1，因為這會導(dǎo)致某個因子的影響過于巨大而掩蓋了其他因子的影響，這時可采用設(shè)置某一因子的重要性系數(shù)k來實現(xiàn)。

圖1 定量數(shù)值與定性描述之間的轉(zhuǎn)化

SAVEE評價法常用的標(biāo)準(zhǔn)化方程有標(biāo)準(zhǔn)化方程 I，I＇和 II，II＇。在將數(shù)據(jù)代入方程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化之前，需要根據(jù)客觀實際情況設(shè)置數(shù)據(jù)的最大值A(chǔ)，如最遠(yuǎn)距離、最大深度等。最大值需根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)確定或根據(jù)實際設(shè)置。x為所評價對象的實際值。

標(biāo)準(zhǔn)化方程I為：

標(biāo)準(zhǔn)化方程I＇為：

標(biāo)準(zhǔn)化方程II為：

標(biāo)準(zhǔn)化方程II＇為：

根據(jù)A和x的定義，A＞0，0≤x≤A。

選擇標(biāo)準(zhǔn)化方程時，需要對因子的性質(zhì)進(jìn)行分析。圖2中繪制了4個標(biāo)準(zhǔn)化方程評價因子值V隨x變化的趨勢（圖中假設(shè)A=10），從圖中可看出：隨x增加而影響變小的消極因子可使用標(biāo)準(zhǔn)化方程I；隨x值增加而影響愈加強(qiáng)烈的消極因子可使用標(biāo)準(zhǔn)化方程II＇；隨x增加影響增強(qiáng)的積極因子可使用標(biāo)準(zhǔn)化方程I＇，隨x增加影響減弱的積極因子可使用標(biāo)準(zhǔn)化方程II。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化方程曲線圖,圖中A=10,x取1～10

1.3 迭加運算

SAVEE迭加方程以EMYCIN公式為基礎(chǔ)，將EMYCIN公式所定義的可信度迭加運算轉(zhuǎn)化為影響因子的迭加運算。這樣，可利用概率論中關(guān)于可信度的推斷和結(jié)論，使本方法的結(jié)論更接近于專家的判斷[10]。

假設(shè)A，B兩個因子經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后分值為VA和VB，A和B在評價體系中重要性系數(shù)分別為kA和kB（0＜kA＜1，0＜kB＜1），迭加因子IA=VA×kA和IB=VB×kB，則SAVEE迭加運算的表達(dá)式如下：

多個因子疊加運算可按圖3進(jìn)行：

圖3 多因子迭加過程圖

2 海島地下水開采適宜性評價舉例

2.1 評價對象

本例選取在南長山島上設(shè)置的3個水井作為評價對象，以說明如何利用SAVEE方法評價海島地下水開采適宜性。

南長山島（圖4）位于山東省煙臺市長島縣的南端，地理坐標(biāo)為（37°55＇N，120°44＇E）。最長處為7.22 km，最寬處約4 km，島嶼面積為12.8 km2，島岸線長20.02 km，是山東省最大的島嶼，南距蓬萊角7km，北距北長山島1.1 km，為基巖型海島。

圖4 南長山島衛(wèi)星照片

2.2 因子的選取和分析

評價的第一步是選取因子。與地下水開采適宜性相關(guān)的因子很多，本例僅為說明SAVEE方法的具體應(yīng)用，故選取少量因子，如海島地下水分布位置、地下水淡水埋藏深度、地下水礦化程度等。此外，對于生態(tài)環(huán)境因素，位彬等[11]在對南長山島植物物種的研究中發(fā)現(xiàn)，南長山島開發(fā)多年，島上喬木分布主要受人為活動影響，灌木和草本植物的主要影響因子是坡向，坡位對物種多樣性空間格局的影響不明顯。由此可知，目前狀況下該島地下水與物種多樣性空間格局關(guān)系不顯著，因此，本案例中不直接將生態(tài)因素納入因子選取范圍。

在本例中，各影響因子取值范圍的依據(jù)是收集到的實測數(shù)據(jù)或根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行的推斷，在實際應(yīng)用中，可采取調(diào)查統(tǒng)計或者根據(jù)專家意見咨詢得出。

（1）地下水分布位置與利用地點間距離S

地下水分布位置距利用地點空間距離越長，利用難度越大，因此可歸類為隨x值增加而趨向于不利的積極因素。但在一定范圍內(nèi)，如大部分海島這樣本身面積較小的區(qū)域，水資源調(diào)度難度較小，其影響程度可歸為一般，設(shè)其重要性系數(shù)為0.5。因此，其標(biāo)準(zhǔn)化方程如下：

式中：A為水源距利用地點的距離，最大值取全島的長度，7.22 km，即從島的一端調(diào)水到另一端的距離。

（2）地下水與岸線間距離L

地下水與海岸線距離越近，其受到海水影響越大，可被利用的淡水資源就越少。同時，在臨近岸線的地區(qū)大規(guī)模長時間超采地下水會導(dǎo)致海水入侵，破壞周邊生態(tài)環(huán)境。因此，地下水開采位置與岸線間距離可歸為隨x增加而影響趨小的消極因素。根據(jù)以往研究，南長山島距離海岸線400 m以外的地下水礦化度可基本達(dá)到供水要求，在離岸線較近的區(qū)域，距岸線越近，礦化度升高幅度越大。由于礦化度升高導(dǎo)致地下水利用難度增加，同時考慮到其對生態(tài)環(huán)境影響，本影響因子對地下水開發(fā)利用影響較大，其重要性系數(shù)設(shè)為0.75。因此，其標(biāo)準(zhǔn)化方程如下：

式中：A為海水最大影響距離，在本例中取400。

（3）地下淡水埋藏深度D

地下淡水埋藏深度越大，其利用難度也越大，因此可歸類為隨x值增加而趨向于不利的消極因素。在地下水開采過程中，超過當(dāng)?shù)匮a(bǔ)給量的長期過度開采會造成地下水降落漏斗，在破壞當(dāng)?shù)丨h(huán)境的同時，也有引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害的可能。深層地下水一般比淺層地下水補(bǔ)給更為困難，也更應(yīng)得到保護(hù)。因此，綜合考慮利用難度和環(huán)境影響，將地下水埋藏深度D的影響程度定為強(qiáng)烈，重要性系數(shù)設(shè)為0.75。因此，其公式可采用標(biāo)準(zhǔn)化方程II＇。

式中：A為地下淡水埋藏最大深度，根據(jù)以往研究，南長山島在200 m以淺有淡水分布，因此最大值取200[11]。

（4）地下水礦化度H

地下水礦化度是海島地下水水質(zhì)的一個代表性指標(biāo)。在沒有其他污染的情況下，礦化度的高低直接影響著海島地下水的用途。礦化度低于500 mg/L的地下水一般不需經(jīng)過處理可直接利用，可直接設(shè)定H=0；礦化度在500～1 000 mg/L之間時，已對直接飲用產(chǎn)生不利影響，設(shè)定H=-0.25；當(dāng)?shù)V化度在1 000～3 000 mg/L時，地下水已不宜飲用，但可用于農(nóng)業(yè)，設(shè)定H=-0.5；當(dāng)?shù)V化度高于3 000 mg/L時，地下水需經(jīng)過水處理裝置的淡化后方可利用，因此設(shè)定H=-0.75。

（5）含水層富水性Q

含水層富水性越高，越有利于地下水開采，因此可歸類為隨x值增加而趨向有利的積極因素。富水性是影響地下水是否適宜開采的關(guān)鍵性因素之一，其影響程度可定為強(qiáng)烈，其重要性系數(shù)設(shè)為0.75。當(dāng)島上水文地質(zhì)資料較為齊全時，可采用如下標(biāo)準(zhǔn)化方程進(jìn)行計算：

當(dāng)含水層富水性采用定性表述時，其取值可采用：強(qiáng)富水：0.75；富水：0.5；弱富水：0.25；貧水：0。

2.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

根據(jù)當(dāng)?shù)氐叵滤植记闆r，設(shè)置3個開采井位置，通過SAVEE方法，比較3個水井位置的優(yōu)劣。3個開采井分別為W1，W2，W3，其位置分別位于北部、中部和南部，見圖5。圖中紅色區(qū)域為主要用水區(qū)域。

（1）水井位置與利用地點間距離S

圖5中紅色區(qū)域為住宅、碼頭、企業(yè)等分布位置。W1井設(shè)置在北部用水區(qū)以內(nèi)，因此與用水區(qū)間距取值為0 m；W2井與附近的3個用水區(qū)平均距離340 m；W3設(shè)置在距離兩個用水區(qū)平均590 m。通過標(biāo)準(zhǔn)化方程計算可得，相應(yīng)的S1=0.500；S2=0.395；S3=0.332。

（2）水井位置與海岸線間的距離L

W1井與岸線間最短距離為120 m；W2井與岸線間最短距離為810 m；W3與岸線間最短距離為500 m。通過計算得到，L1=-0.162；L2=0.000；L3=-0.001。

圖5 南長山島用水區(qū)分布及設(shè)置水井位置圖

（3）地下淡水埋藏深度D

根據(jù)龐忠和等[12]研究，W1位置10 m以淺有淡水，W2位置約在地下30 m以下有淡水，W3位置附近有深約10 m淺井，電阻率偏低，30 m以下均為咸水[12]。由此計算D1=-0.180；D2=-0.404；D3=-0.180。

（4）地下水礦化度H

根據(jù)龐忠和等[12]的研究，島上除少數(shù)開采量較大并靠近海邊的水井咸化外，大部分井水礦化度小于1 g/L。在張志忠等[13]對島上地下水資源與環(huán)境的研究中也顯示，島上部分區(qū)域由于開采強(qiáng)度大、時間長，發(fā)生一定程度的海水入侵，井水礦化度最大704 mg/L。本次將3處井水礦化度取值均設(shè)為-0.250。

（5）富水性Q

據(jù)龐忠和以及張志忠等[12-13]的研究，W1位置可開采水量較少，Q1取值0.250；W2處可開采水量較多，Q2取值0.500；W3處可開采水量也不多，Q3取值0.250。

2.4 迭加運算

將分別將W1，W2，W3的各影響因子取值通過SAVEE方法迭加，可得出3個水井位置的綜合得分，結(jié)果見表1。

2.5 評價結(jié)果

經(jīng)過計算后，3個井的得分分別為W1總分0.272，W2總分 0.323，W3總分-0.077。評價結(jié)果均不高，W3為負(fù)值，表明在3處位置開采利用地下淡水資源均存在一定不利條件。

表1 得分統(tǒng)計表

3處位置中，南部的W3得分與其他兩個井位存在著明顯的差距，主要是由于距離用水區(qū)較遠(yuǎn)并且富水性較差，條件相對其他兩個井位最差，不適合打井開采地下水。北部的W1位置尚可，在與用水區(qū)距離和地下水埋藏深度兩個指標(biāo)上得分較高，但由于易受到海水入侵和水資源量限制，拉低了其總分。中部的W2相較之下是3個位置中最適合開采的，除埋藏深度一項分值較低外，其富水性和與岸線距離這兩個重要指標(biāo)得分較高，整體上提高了總分分值。同時，若將其位置移至西側(cè)附近的用水區(qū)內(nèi)，在其他值不變的情況下，其S值可達(dá)到0.500，總分可增加至0.441，進(jìn)一步增加地下水開采的適宜性。

本次評價結(jié)果與龐忠和、張志忠等的研究以及在當(dāng)?shù)劂@探的結(jié)果相符，說明將SAVEE方法應(yīng)用于海島地下水開采適宜性評價是可行的。

3 結(jié)論

與層次分析法和模糊綜合評價法不同，SAVEE方法將積極因素和消極因素用正向和負(fù)向的數(shù)值加以表征，能夠較為直觀地反映影響因素的作用。同時，該方法也可將定性與定量指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，并通過計算合并，最終得出量化的評價結(jié)果。該方法可與空間信息結(jié)合并借助地理信息系統(tǒng)進(jìn)行分析，因此該評價方法可在海島地下水開采評估方面擁有更加廣闊的應(yīng)用空間。