山西省典型盆地孔隙水超采年際變化模糊評(píng)價(jià)

狄 帆

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

地下水是山西的重要供水水源，由于生產(chǎn)生活長(zhǎng)期超量開采和采煤的破壞，造成部分區(qū)域地下水超采嚴(yán)重，對(duì)水生態(tài)環(huán)境造成了不良的影響。為貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記在黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展座談會(huì)上提出的“加強(qiáng)生態(tài)環(huán)境保護(hù)、保障黃河長(zhǎng)治久安、推進(jìn)水資源節(jié)約集約利用和推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展”重要精神，科學(xué)規(guī)劃山西省“十四五”水資源保護(hù)布局，進(jìn)行山西省盆地孔隙水超采區(qū)年代變化研究是十分必要的。

2011年，山西省開展的地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)工作對(duì)2001—2010年地下水超采情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。2011年至今，不同區(qū)域超采區(qū)變化情況是目前水資源發(fā)展保護(hù)規(guī)劃亟須了解的問(wèn)題。由于新一輪地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)復(fù)核工作尚未開展，并且評(píng)價(jià)工作需要大量的人力、物力和時(shí)間，難以解決當(dāng)前水生態(tài)保護(hù)高質(zhì)量發(fā)展重大課題和“十四五”規(guī)劃的燃眉之需，因此本文借鑒陳守煜教授的“水文水資源系統(tǒng)模糊識(shí)別理論”[1]，以水位變幅和降水、生產(chǎn)生活取水、采煤排水等指標(biāo)間相關(guān)分析方法計(jì)算影響權(quán)重，對(duì)典型盆地超采區(qū)的超采變化情況進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)[2]。本文為全國(guó)試點(diǎn)山西省地下水超采區(qū)治理和山西省節(jié)約用水“十四五”規(guī)劃的前期研究?jī)?nèi)容，其成果對(duì)因地制宜地實(shí)施地下水超采區(qū)綜合治理具有參考意義。

1 研究區(qū)概況

山西省盆地超采區(qū)面積6396km2，占盆地區(qū)總面積的24.77%。本文選取超采比較嚴(yán)重的涑水河盆地、太原盆地榆太祁區(qū)和大同盆地城郊區(qū)3個(gè)典型盆地孔隙水超采區(qū)進(jìn)行研究。涑水河超采區(qū)分布于永濟(jì)、鹽湖區(qū)、臨猗、夏縣、聞喜和絳縣一帶，為全省最大面積的孔隙水超采區(qū)，上層孔隙水為咸水，不可利用，超采主要在下層承壓孔隙水含水層；榆太祁中型孔隙淺層地下水超采區(qū)分布于榆次、太谷、祁縣一帶；大同城郊孔隙水超采區(qū)分布于大同市城郊，包括平城區(qū)、云岡區(qū)和云州區(qū)。3個(gè)典型盆地孔隙水超采區(qū)的基本情況見(jiàn)表1。

表1 典型盆地孔隙水超采區(qū)情況

2 影響因子權(quán)重確定

2.1 確定影響因子

盆地區(qū)地下水超采會(huì)造成水位持續(xù)下降，年際變幅連續(xù)負(fù)值，這里以超采區(qū)水位年平均變幅為研究指標(biāo)，用向量Y表示。

Y=(yj)

(1)

式中：Y為水位變幅向量；yj為第j個(gè)年度的水位變幅，j=1,2,…,n。

地下水下降是多因子作用的結(jié)果，本文選擇降水、農(nóng)業(yè)取水、工業(yè)取水、城鄉(xiāng)生活及生態(tài)取水、采煤區(qū)的煤礦涌水幾個(gè)比較直接的影響因子進(jìn)行分析，用矩陣X表示。

X=(xij)

(2)

式中：X為影響因子矩陣；xij為第i個(gè)影響因子第j個(gè)年度的數(shù)值，i=1,2,…,m。

依據(jù)《山西省水資源公報(bào)》成果，2000—2018年3個(gè)典型盆地孔隙水超采區(qū)的地下水水位變幅、降水量、農(nóng)業(yè)灌溉地下水取水量、工業(yè)地下水取水量、城鄉(xiāng)生活地下水取水量和大同城郊盆地周邊的大同煤田礦井涌水量資料見(jiàn)表2、表3和表4。

表2 榆太祁超采區(qū)基本情況(m=5, n=19)

續(xù)表

表3 涑水河超采區(qū)基本情況(m=5, n=19)

表4 大同城郊超采區(qū)基本情況(m=6, n=19)

2.2 計(jì)算影響因子權(quán)重

地下水位變化的影響因子包括降水、各行業(yè)地下水取水量和采煤的間接破壞等，本文構(gòu)建了地下水水位變幅與影響因子之間的相關(guān)關(guān)系模型，采用式(3)計(jì)算得出的相關(guān)系數(shù)即為該因子的影響權(quán)重，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 典型盆地孔隙水超采區(qū)各因子對(duì)地下水位的影響權(quán)重(pi)

(3)

由表5可以看出，不同典型區(qū)各因子對(duì)地下水位的影響權(quán)重不同，生產(chǎn)、生活取用地下水對(duì)水位的影響和對(duì)超采的影響程度有所差異。

a.涑水河盆地實(shí)測(cè)水位為上層淺層咸水，故降水量影響最大。在工農(nóng)業(yè)及城鄉(xiāng)生活取用下層承壓水時(shí)，會(huì)造成局部上下孔隙含水層之間水力聯(lián)系，但是取水對(duì)上層咸水水位變化影響有限，對(duì)承壓水超采造成的影響較大，影響由大到小排序是農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)生活和工業(yè)取用地下水。

b.大同城郊孔隙水超采區(qū)，除了降水影響最大外，主要影響因子排序從大到小依次為城鎮(zhèn)生活、農(nóng)業(yè)灌溉和工業(yè)地下水取水量，邊山采煤減少側(cè)向裂隙水對(duì)盆地孔隙水的補(bǔ)給，也存在少量的影響。

c.太原盆地榆太祁超采區(qū)，降水對(duì)地下水位影響最大，取水對(duì)超采的影響從大到小依次為農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)生活及工業(yè)地下水取水量。

3 水位變化模糊綜合評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)體系構(gòu)建

《山西省地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)報(bào)告》中地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)采用2001—2010年水位動(dòng)態(tài)變化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為了分析2011年后水位變化及變化影響因素，本文對(duì)2001—2010年、2011—2018年、2016—2018年3個(gè)時(shí)間段的平均值和2010年、2018年2個(gè)年度值的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了模糊綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 典型盆地超采區(qū)評(píng)價(jià)指標(biāo)(zi,k)

續(xù)表

設(shè)指標(biāo)矩陣為Z，則

Z=(zi,k)

(4)

式中：k為時(shí)間段排序，k=1,2,…,b，本文選取5個(gè)時(shí)間段，b=5；zi,k為第i個(gè)指標(biāo)第k個(gè)時(shí)間段的數(shù)值，i=1，2，…，m。

3.2 模糊評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

模糊評(píng)判矩陣為3個(gè)典型超采區(qū)不同指標(biāo)相對(duì)于不同模糊級(jí)別的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)矩陣。

S=(si,h)

(5)

式中：S為模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)矩陣；si,h為第i個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)于第h個(gè)模糊級(jí)別的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)；h為模糊評(píng)判級(jí)別序號(hào)，h=1,2,…,c，本文模糊評(píng)價(jià)分為3級(jí)，c=3，分別為輕度、中度和重度。

模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的選擇，依據(jù)《地下水超采區(qū)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》(GB/T 34968—2017)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)：淺層潛水和弱承壓水評(píng)價(jià)期年均水位下降速率大于0m/a的區(qū)域地下水超采區(qū)；淺層承壓水以評(píng)價(jià)期年均水位下降速率大于0.5m/a，孔隙水開采系數(shù)大于1.0的區(qū)域?yàn)槌蓞^(qū)。淺層潛水和弱承壓水評(píng)價(jià)期年均水位下降速率大于1.0m/a的區(qū)域?yàn)榈叵滤畤?yán)重超采區(qū)，淺層承壓水評(píng)價(jià)期年均水位下降速率大于2.0m/a的區(qū)域劃為下水嚴(yán)重超采區(qū)，開采系數(shù)大于1.3的區(qū)域?yàn)閲?yán)重超采區(qū)。3個(gè)典型超采區(qū)的實(shí)測(cè)水位均為淺層潛水，除了涑水河取用承壓水外，另外兩個(gè)超采區(qū)取用淺層潛水。

本文將超采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)取為輕度標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)重超采區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)取為中度標(biāo)準(zhǔn)，超采區(qū)1.5倍的標(biāo)準(zhǔn)取為重度標(biāo)準(zhǔn)。3個(gè)典型區(qū)的模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)矩陣見(jiàn)表7。

表7 典型超采區(qū)模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)矩陣(si,h)

消除量綱后的模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)矩陣S′將用于后面的模糊綜合評(píng)價(jià)。

S′=(s′i,h)

(6)

(7)

以上式中：S′為子系統(tǒng)的模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)矩陣；s′i,h為子系統(tǒng)i

模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)h級(jí)模糊級(jí)別的隸屬度。

3.3 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重矩陣

本文隸屬函數(shù)在陳守煜教授《水文水資源系統(tǒng)模糊識(shí)別理論》[1]中的隸屬函數(shù)公式(6-3)和(6-4)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將原來(lái)不同級(jí)別相同的隸屬函數(shù)改進(jìn)為劃小區(qū)間后不同級(jí)別不同的隸屬函數(shù)。

對(duì)于數(shù)值越大模糊級(jí)別越優(yōu)的指標(biāo)，隸屬度計(jì)算公式為

(8)

對(duì)于數(shù)值越小模糊級(jí)別越優(yōu)的指標(biāo)，隸屬度計(jì)算公式為

(9)

通過(guò)式(8)、式(9)計(jì)算各個(gè)系統(tǒng)矩陣Z對(duì)于評(píng)判矩陣S模糊級(jí)別h的隸屬度矩陣hR。

hR=(ri,k)

(10)

式中：hR為對(duì)于模糊級(jí)別h的隸屬度矩陣；ri,k為第i個(gè)指標(biāo)第k個(gè)因子相對(duì)于第h個(gè)模糊級(jí)別的隸屬度。

涑水河區(qū)各個(gè)指標(biāo)超采程度隸屬于模糊級(jí)別重度、中度和輕度的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。大同城郊區(qū)和榆太祁區(qū)以同樣計(jì)算方法得到的隸屬度計(jì)算結(jié)果，因篇幅有限，這里省略，但在后面的模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算時(shí)采用。

表8 涑水河超采區(qū)各個(gè)指標(biāo)對(duì)不同模糊級(jí)別的隸屬度

歸一化后的隸屬度矩陣hR′將用于后面模糊綜合評(píng)價(jià)中，為指標(biāo)權(quán)重矩陣。

(11)

式中：r′i,k為第k個(gè)因子第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

3.4 不同時(shí)段模糊綜合評(píng)價(jià)

以式(7)計(jì)算的S′為模糊評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)矩陣，對(duì)3個(gè)典型區(qū)不同時(shí)段的指標(biāo)矩陣Z分別進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)出對(duì)應(yīng)模糊級(jí)別重度、中度和輕度的隸屬度。

隸屬度采用下式計(jì)算：

(12)

式中：uh,k為第k個(gè)因子對(duì)于模糊級(jí)別h的隸屬度；d為距離參數(shù)，這里取為2；pi為影響因子權(quán)重；r′i,k為指標(biāo)權(quán)重。

對(duì)3個(gè)典型盆地不同年代和年度各個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)模糊等級(jí)重度、中度和輕度采用式(12)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)過(guò)程中考慮水位影響因子權(quán)重和指標(biāo)自身的權(quán)重，得到的結(jié)果見(jiàn)表9和表10(其中表10去除了降水對(duì)超采的影響)。

表9 典型盆地超采區(qū)不同年代模糊綜合評(píng)價(jià)(考慮降水影響)

表10 典型盆地超采區(qū)不同年代模糊綜合評(píng)價(jià)(不考慮降水影響)

考慮降水和不考慮降水的3個(gè)孔隙水超采區(qū)模糊級(jí)別隸屬度年際變化情況見(jiàn)圖1～圖3。

由表3～表5和表9可以看出，降水對(duì)每個(gè)超采區(qū)的超采情況變化影響較大，降水越大超采的模糊等級(jí)越輕，同樣的降水水平2011年以后比2001—2010年的地下水超采情況差，其原因是農(nóng)業(yè)灌溉、城鎮(zhèn)生活和工業(yè)地下水取水量的增加。

a.涑水河區(qū)2001—2010年為降水枯水期，對(duì)模糊級(jí)別重度的隸屬度較大；2011—2018年為降水相對(duì)豐水期，對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度較大；2016—2018年為降水相對(duì)豐水期，對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度較大；2010年為降水平水年，對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度大；2018年為降水枯水年，對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度大(見(jiàn)圖1)。

圖1 涑水河孔隙水超采區(qū)模糊級(jí)別隸屬度年際變化

b.大同城郊區(qū)2001—2010年為降水枯水期，對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度較大；2011—2018年為降水相對(duì)豐水期，對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度較大；2016—2018年為降水相對(duì)豐水期，對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度較大；2010年為降水平水年，對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度大；2018年為降水豐水年，對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度大(見(jiàn)圖2)。

圖2 大同城郊孔隙水超采區(qū)模糊級(jí)別隸屬度年際變化

c.榆太祁區(qū)2001—2010年為降水平水期，對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度較大；2011—2018年為降水相對(duì)豐水期，對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度較大；2016—2018年為降水相對(duì)豐水期，對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度較大；2010年為降水平水年，對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度大；2018年為降水平水年，對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度大(見(jiàn)圖3)。

圖3 榆太祁孔隙水超采區(qū)模糊級(jí)別隸屬度年際變化

從表10可以看出，在不考慮降水影響的前提下，由于生產(chǎn)生活取用地下水的力度增加，導(dǎo)致地下水超采的情況變差，尤其2016—2018年情況更不樂(lè)觀。

a.涑水河區(qū)2001—2010年對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度較大；2011—2018年對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度較大；2016—2018年對(duì)模糊級(jí)別重度的隸屬度較大；2010年對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度大；2018年對(duì)模糊級(jí)別重度的隸屬度大(見(jiàn)圖1)。

b.大同城郊區(qū)2001—2010年對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度較大；2011—2018年對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度較大；2016—2018年對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度較大；2010年對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度大；2018年對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度大。在不考慮降水影響的前提下，由于生產(chǎn)生活取用地下水的力度增加，使地下水超采的情況變差，尤其2016—2018年情況更不樂(lè)觀(見(jiàn)圖2)。

c.榆太祁區(qū)2001—2010年對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度較大；2011—2018年對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度較大；2016—2018年對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度較大；2010年對(duì)模糊級(jí)別輕度的隸屬度大；2018年對(duì)模糊級(jí)別中度的隸屬度大(見(jiàn)圖3)。

4 結(jié)論與建議

a.山西省典型盆地孔隙水超采區(qū)各影響因子中，對(duì)水位變幅影響最大的為降水，其余各影響因子因地下水開發(fā)利用的用途不同而各有差異。

b.考慮降水影響時(shí)，地下水超采情況隨時(shí)間推移向好；不考慮降水影響時(shí)，由于取水和采煤的影響，地下水超采情況隨時(shí)間推移有不同程度加重。

針對(duì)典型區(qū)孔隙水超采的影響因素，應(yīng)采取綜合措施保護(hù)地下水源，包括限制取用地下水的比例，加大關(guān)井壓采力度，以當(dāng)?shù)氐乇硭涂缌饔蛘{(diào)引黃河水替代地下水，實(shí)施節(jié)水行動(dòng)，依據(jù)《地下水管控指標(biāo)技術(shù)要求(試行)》分區(qū)制定地下水管控指標(biāo)，依據(jù)《山西省人民政府辦公廳關(guān)于加強(qiáng)地下水管理與保護(hù)工作的通知》嚴(yán)格落實(shí)超采區(qū)和限采區(qū)的相關(guān)規(guī)定等。