干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系指標(biāo)權(quán)重解析

王金哲，張光輝，嚴(yán)明疆，田言亮，王 茜

（中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所，石家莊 050061）

0 引 言

西北內(nèi)陸平原區(qū)的自然湖泊濕地、天然植被生態(tài)和土地質(zhì)量對(duì)地下水（潛水）埋藏狀況具有強(qiáng)烈依賴性，地下水的資源功能和生態(tài)功能在空間分布上分別具有獨(dú)特的區(qū)位性特征。在山前沖洪積扇帶、主要河道帶，地下水資源功能較強(qiáng)、生態(tài)功能較弱，地下水開(kāi)采對(duì)自然生態(tài)影響不明顯；在各盆地下游細(xì)土平原帶，尤其自然濕地分布區(qū)，地下水生態(tài)功能較強(qiáng)、資源功能較弱，大規(guī)模開(kāi)采地下水易造成自然濕地和天然植被退化[1-3]。在地下水資源功能、生態(tài)功能都較脆弱的區(qū)域，地下水資源利用和生態(tài)保護(hù)哪個(gè)放在首位、主要影響因素有哪些、如何保護(hù)，需科學(xué)梳理判斷。因此，科學(xué)客觀地識(shí)別和圈定地下水的不同屬性主導(dǎo)功能區(qū)，對(duì)于西北內(nèi)陸地區(qū)“水位-水量”雙控嚴(yán)格管理地下水開(kāi)發(fā)利用與生態(tài)有效保護(hù)具有重要意義。

能否客觀地識(shí)別和圈定不同屬性主導(dǎo)功能區(qū)，關(guān)鍵在于地下水功能評(píng)價(jià)中屬性指標(biāo)權(quán)重置配的合理性，該過(guò)程不僅涉及地下水系統(tǒng)的自然資源屬性、天然生態(tài)與環(huán)境屬性，還涉及經(jīng)濟(jì)社會(huì)屬性。區(qū)域地下水功能研究成果應(yīng)用于中國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展中，主要集中在 2個(gè)方面：1）基于水利部下發(fā)的《地下水功能區(qū)劃分技術(shù)大綱》（2005年8月）開(kāi)展的全國(guó)性地下水功能區(qū)劃[4-6]；2）基于中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局印發(fā)的《地下水功能區(qū)評(píng)價(jià)與區(qū)劃技術(shù)要求》（2006年6月）開(kāi)展的華北平原、東北地區(qū)、山西六大盆地和西北地區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃[3,7-9]。二者都把區(qū)域地下水的自然資源屬性、生態(tài)環(huán)境屬性和經(jīng)濟(jì)社會(huì)屬性作為基礎(chǔ)條件加以充分考慮，但都尚未考慮新時(shí)代生態(tài)文明建設(shè)“尊重自然、順應(yīng)自然和保護(hù)自然”的目標(biāo)；它們適用區(qū)域性規(guī)劃應(yīng)用，但難以滿足流域內(nèi)高精度的地下水功能區(qū)劃，也難以扎實(shí)地支撐地下水超采治理與生態(tài)保護(hù)的“水位-水量”雙控管理的基本要求。

干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)體系，是地下水功能區(qū)劃的前提和基礎(chǔ)，構(gòu)建時(shí)需遵循多目標(biāo)組合、屬性歸類、功能聚合和系統(tǒng)唯一的層次邏輯，以保證評(píng)價(jià)體系的完整性和指標(biāo)分解的層次性，評(píng)價(jià)體系中如何設(shè)置指標(biāo)權(quán)重是核心解問(wèn)題[10-12]，直接影響地下水功能區(qū)域成果應(yīng)用的實(shí)際效果。以往區(qū)域地下水功能評(píng)價(jià)的指標(biāo)權(quán)重賦值，采用專家打分方法，偏重主觀性；其他方面研究權(quán)重賦值，也有采用層次分析法、因素分析法、熵權(quán)信息法、序列綜合法和變異系數(shù)法等進(jìn)行有限指標(biāo)權(quán)重優(yōu)化置配[13-15]。

本次研究在地下水功能評(píng)價(jià)不同層次指標(biāo)的權(quán)重置配上，以層次分析法原理為基礎(chǔ)，結(jié)合序列綜合法計(jì)算權(quán)重值，充分基于地下水系統(tǒng)自然屬性和社會(huì)屬性，將不同類型指標(biāo)的序列數(shù)據(jù)展布規(guī)律作為其權(quán)重置配的重要判據(jù)，盡可能減控人為因素的影響，使之更符合西北內(nèi)陸平原區(qū)地下水資源功能和相關(guān)生態(tài)功能的自然屬性特征[1-2,16-19]。最終目的是基于研發(fā)的干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系，對(duì)組成其體系的層級(jí)指標(biāo)權(quán)重提出具體的量化解析方法，為地下水資源合理開(kāi)發(fā)和生態(tài)保護(hù)針對(duì)性管控奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

石羊河流域位于甘肅省祁連山北麓的干旱荒漠地帶（圖1），地理坐標(biāo)為 101°22'～104°04'E，37°07'～39°27'N，面積4.06×104km2，水資源開(kāi)發(fā)利用程度高、用水矛盾集中、生態(tài)環(huán)境問(wèn)題突出是其主要特征。全流域多年平均水資源總量16.61×108m3，出山水資源總量16.13×108m3，平原區(qū)總耗水量 20.65×108m3，地下水超采量4.52×108m3。流域內(nèi)荒山、荒漠和戈壁面積占 68%，尤其流域下游的民勤盆地，更是處于嚴(yán)重的荒漠化狀況中，而目前民勤綠洲及整個(gè)石羊河流域的生態(tài)用水量只有0.35×108m3和1.05×108m3，分別僅占民勤綠洲及石羊河流域用水量的5.43%和3.76%[20]。長(zhǎng)期水資源短缺造成了區(qū)內(nèi)生態(tài)環(huán)境質(zhì)量低下的狀況，如地下水位區(qū)域性下降、荒漠化加劇、天然植被大面積枯萎等。

圖1 石羊河流域Fig.1 Shiyang River Basin

2 研究方法

2.1 體系構(gòu)建特征

干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系構(gòu)建基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“我國(guó)西部特殊地貌區(qū)地下水合理開(kāi)發(fā)與生態(tài)功能保護(hù)”的大量地下水-生態(tài)-土壤綜合調(diào)查、監(jiān)測(cè)和綜合研究，以石羊河流域?yàn)槭痉秴^(qū)，針對(duì)西北內(nèi)陸平原區(qū)水循環(huán)過(guò)程、地表水-地下水之間頻繁轉(zhuǎn)化及地下水形成特點(diǎn)，以流域尺度為基本研究單元，重點(diǎn)考慮了驅(qū)動(dòng)地下水系統(tǒng)功能變化的開(kāi)采影響，將出山地表徑流水量在向中、下游輸運(yùn)途徑中引用、轉(zhuǎn)化為地下水及地下水轉(zhuǎn)化為地表水等水文效應(yīng)作為重要研究?jī)?nèi)容，并高度重視在中、下游及其不同區(qū)帶地下水位埋深變化對(duì)生態(tài)環(huán)境維持作用（功能）的關(guān)系量化識(shí)別。該體系賦予地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)全新的內(nèi)涵，也就是與2006年提出的“區(qū)域地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系”[3,7]指標(biāo)相比更符合西北干旱區(qū)特征，例如，針對(duì)西北盆地或流域內(nèi)地下水資源補(bǔ)給源主要為地表河流和山前側(cè)向補(bǔ)給的特點(diǎn)，地下水補(bǔ)給資源占有率指標(biāo)的涵義是指“評(píng)價(jià)分區(qū)地表水和地下側(cè)向流入對(duì)淺層地下水天然補(bǔ)給資源模數(shù)與研究區(qū)全區(qū)平均補(bǔ)給資源模數(shù)的比率”，而不是原來(lái)的“評(píng)價(jià)全區(qū)當(dāng)?shù)孬@取補(bǔ)給資源模數(shù)與該系統(tǒng)全區(qū)平均補(bǔ)給資源模數(shù)的比率”。

在總體的層次結(jié)構(gòu)上，“干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系”（簡(jiǎn)稱“旱區(qū)體系”）與2006年版“區(qū)域地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系”基本相同；2個(gè)體系之間的不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在干旱區(qū)體系要素指標(biāo)不僅由原來(lái)的22個(gè)精簡(jiǎn)為14個(gè)，而且，突出了西北內(nèi)陸地區(qū)地下水循環(huán)和功能的獨(dú)特性，具體為：1）鑒于西北地區(qū)地面沉降不明顯、海水入侵不存在等實(shí)際狀況，功能層由原來(lái)的地下水資源功能、生態(tài)功能和地質(zhì)環(huán)境功能 3個(gè)精簡(jiǎn)為地下水資源功能和生態(tài)功能 2個(gè)，不再考慮地下水地質(zhì)環(huán)境功能，其所含的 9個(gè)要素指標(biāo)也不再納入指標(biāo)體系，將地下水的資源功能及生態(tài)功能作為主要評(píng)價(jià)目標(biāo)；2）考慮到西北地區(qū)降水稀少、山前側(cè)向補(bǔ)給量大，原指標(biāo)體系中“區(qū)外補(bǔ)給資源占有率”和“區(qū)內(nèi)補(bǔ)給資源占有率”整合為“補(bǔ)給資源占有率”，將地下水的資源再生性替代為資源更新性，使指標(biāo)體系更符合西北干旱區(qū)特征；3）鑒于西北內(nèi)陸區(qū)綠洲、湖泊（濕地）、沙化等典型生態(tài)類型及地下水之間的關(guān)系，地下水生態(tài)功能隸屬的屬性指標(biāo)由2個(gè)增至3個(gè)，增加了“地下水對(duì)自然濕地景觀維持性”，并新增了“濕地環(huán)境與地下水關(guān)聯(lián)度”、“湖泊泉補(bǔ)與地下水關(guān)聯(lián)度”、“綠洲覆蓋與地下水關(guān)聯(lián)度”和“土地荒漠化與地下水關(guān)聯(lián)度”要素指標(biāo)。刪減、整合后，構(gòu)成了具有“1A-2B-7C-14D”結(jié)構(gòu)的干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系（圖2）。由此，基于地下水屬性特征和生態(tài)類型的“旱區(qū)體系”更適宜支撐中國(guó)西北內(nèi)陸地區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃。

在“旱區(qū)體系”中，14項(xiàng)要素指標(biāo)不完全相同于2006年版“區(qū)域地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系”[21]，要素指標(biāo)針對(duì)西北內(nèi)陸地區(qū)的水循環(huán)和地下水埋藏與功能屬性特征而設(shè)置，如表1所示。通過(guò)對(duì)比文獻(xiàn)[21]可見(jiàn)，“旱區(qū)體系”中的大部分評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)涵有所不同，更符合西北內(nèi)陸地區(qū)地下水及其相關(guān)生態(tài)功能的自然屬性特征，奠定了客觀開(kāi)展干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃的科學(xué)基礎(chǔ)。

2.2 體系指標(biāo)權(quán)重解析方法

2.2.1 指標(biāo)權(quán)重解析原理

在干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系中，4個(gè)層次的任何相鄰 2層的高層，為低層的準(zhǔn)則層，由此體系中的屬性性狀層（C層）、主導(dǎo)功能層（B層）和系統(tǒng)目標(biāo)層（A層）都具有準(zhǔn)則的約束作用，為其約束的相鄰底層各指標(biāo)提供判斷相對(duì)重要性的準(zhǔn)則要求。不同層級(jí)指標(biāo)都有評(píng)價(jià)的分級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)，底層指標(biāo)評(píng)價(jià)的分級(jí)和標(biāo)準(zhǔn)要滿足相鄰上層指標(biāo)需求。要素指標(biāo)層（D層）構(gòu)成干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系的基礎(chǔ)支撐指標(biāo)底層，全部數(shù)據(jù)來(lái)自客觀反映地下水功能某一指標(biāo)的實(shí)際狀況，它的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)或權(quán)重依據(jù)這些指標(biāo)與地下水動(dòng)態(tài)之間的演 變序列規(guī)律而設(shè)置。

圖2 干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系Fig.2 Groundwater function evaluation and zoning system in arid region

表1 干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)體系組成和要素指標(biāo)內(nèi)涵Table 1 Composition of groundwater function evaluation system and connotation of factor index in arid area

本研究中地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃B、C、D層指標(biāo)的權(quán)重分解，主要采用層次分析和序列綜合分析有機(jī)結(jié)合的方法。

首先，通過(guò)層次分析法將問(wèn)題層次化。按隸屬關(guān)系將體系中相互關(guān)聯(lián)的各個(gè)要素分解為若干層次，根據(jù)問(wèn)題性質(zhì)和欲達(dá)到的總目標(biāo)，將其分解為不同組成要素，并按照因素間的相關(guān)關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系組成不同層次聚集組合，從而構(gòu)成一個(gè)多層次的分析結(jié)構(gòu)模型[22]。以 1～9的標(biāo)度對(duì)指標(biāo)之間的相對(duì)重要性進(jìn)行量化，見(jiàn)表2。

表2 指標(biāo)相對(duì)重要性等級(jí)表Table 2 Rating scales of relative importantance of index

然后，采用序列綜合法確定權(quán)重[23]。將不同層次指標(biāo)的量化數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，給出對(duì)應(yīng)數(shù)值，而后綜合這些數(shù)值確定權(quán)重。序列綜合法定權(quán)步驟為：1）明確各指標(biāo)的物理意義，統(tǒng)一度量單位后，對(duì)指標(biāo)按大小值排序；2）根據(jù)排序結(jié)果，給定對(duì)應(yīng)序列值并列表，在此步驟，參考層次分析法標(biāo)度分級(jí)給定序列值；3）計(jì)算每一評(píng)價(jià)因子所有序列值的和，評(píng)價(jià)因子除以所有序列值的和，得到相對(duì)權(quán)重；4）相對(duì)權(quán)重歸一化后得到第i個(gè)評(píng)價(jià)因子的絕對(duì)權(quán)重。相對(duì)權(quán)重Wi計(jì)算公式為

式中N為指標(biāo)序列值，i為評(píng)價(jià)因子的序號(hào)。

絕對(duì)權(quán)重Wk的計(jì)算公式為

以石羊河流域?yàn)槭痉秴^(qū)進(jìn)行研究時(shí)，地下水資源功能要素指標(biāo)的權(quán)重判斷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于黃羊、雜木、金塔等13個(gè)灌區(qū)及區(qū)內(nèi)的2個(gè)荒區(qū)，屬性指標(biāo)權(quán)重判斷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源于水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)的滲透系數(shù)、入滲系數(shù)、給水度和開(kāi)采系數(shù)，其中武威盆地劃分水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)24個(gè)，民勤盆地19個(gè)；生態(tài)功能要素指標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)源于Landsat遙感解譯，以250 m×250 m柵格單元為評(píng)價(jià)單元，研究區(qū)共劃分為132 895個(gè)評(píng)價(jià)單元。采用上述方法，克服了層次分析法通過(guò)構(gòu)建眾多判斷矩陣確定評(píng)價(jià)分區(qū)或評(píng)價(jià)單元指標(biāo)權(quán)重的難題，且無(wú)需對(duì)眾多分區(qū)指標(biāo)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

2.2.2 各層指標(biāo)序列值判別方法

序列值決定指標(biāo)的權(quán)重大小，根據(jù)序列值來(lái)源，干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系指標(biāo)序列值的賦值方法可分為2類，一類為要素指標(biāo)，另一類為功能層和屬性層指標(biāo)。

1）要素指標(biāo)

按照關(guān)鍵性、關(guān)聯(lián)性和系統(tǒng)性解析權(quán)重原則，體系中D層14項(xiàng)要素指標(biāo)的權(quán)重都是分別基于其原始基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)歸一化之后，按表3進(jìn)行各指標(biāo)序列值賦值。需注意的是，無(wú)論采用何種歸一化方法，歸一化后數(shù)據(jù)延展性好即為歸一化方法適合[24]，本次評(píng)價(jià)采用修正極值標(biāo)準(zhǔn)化方法；然后，根據(jù)表3完成指標(biāo)序列值賦值；最后，采用序列綜合法的式（1）和式（2）計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重。

表3 地下水功能評(píng)價(jià)指標(biāo)序列值賦值方法Table 3 Assignment method of groundwater function evaluation index sequence

2）功能層、屬性層指標(biāo)

綜合指數(shù)法可以將多項(xiàng)不同指標(biāo)轉(zhuǎn)化為可度量的指數(shù)，適合干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系功能層和屬性層指標(biāo)狀況的評(píng)價(jià)，也可用于功能層和屬性指標(biāo)權(quán)重判斷的序列值來(lái)源。

地下水功能層指標(biāo)和屬性層指標(biāo)分別下轄 2個(gè)及 2個(gè)以上相鄰底層指標(biāo)，根據(jù)底層指標(biāo)的權(quán)重和參數(shù)計(jì)算所得指數(shù)是地下水功能層指標(biāo)和屬性層指標(biāo)序列值賦值判定依據(jù)，是權(quán)重判斷基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。綜合評(píng)價(jià)指數(shù)R的計(jì)算公式為

式中ak為評(píng)價(jià)參數(shù)的權(quán)重，Nk為評(píng)價(jià)參數(shù)，n為評(píng)價(jià)參數(shù)的個(gè)數(shù)，k為平價(jià)參數(shù)的序號(hào)。

下面以地下水綜合功能為例進(jìn)行權(quán)重序列值賦值說(shuō)明，本次研究中

式中R資為地下水資源功能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，Cs1、C1為地下水資源占有性的權(quán)重和參數(shù)數(shù)值，Cs2、C2為地下水資源更新性的權(quán)重和參數(shù)數(shù)值，Cs3、C3為地下水資源調(diào)節(jié)性的權(quán)重和參數(shù)數(shù)值，Cs4、C4為地下水資源可用性的權(quán)重和參數(shù)數(shù)值。

式中R生為地下水生態(tài)功能綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，Cs5、C5為地下水對(duì)自然濕地景觀維持性的權(quán)重和參數(shù)數(shù)值，Cs6、C6為地下水對(duì)天然植被綠洲維持性的權(quán)重和參數(shù)數(shù)值，Cs7、C7為地下水對(duì)農(nóng)田土地質(zhì)量維持性的權(quán)重和參數(shù)數(shù)值。

R資和R生構(gòu)成評(píng)價(jià)區(qū)地下水綜合功能權(quán)重判斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，R資和R生歸一化后，根據(jù)表3進(jìn)行序列值賦值，再應(yīng)用式（1）和式（2）獲取各評(píng)價(jià)分區(qū)或評(píng)價(jià)單元R資和R生的絕對(duì)權(quán)重。

3 案例研究與結(jié)果分析

應(yīng)用上述方法對(duì)石羊河流域的武威盆地和民勤盆地不同層次指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值，并通過(guò)地下水資源功能和生態(tài)功能空間評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。

3.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

采用武威市水文局搜集的武威盆地和民勤盆地地下水資源評(píng)價(jià)成果、地下水埋深及開(kāi)采數(shù)據(jù)（2000—2014年）進(jìn)行地下水資源功能及相關(guān)指標(biāo)權(quán)重解析。首先，按地下水資源評(píng)價(jià)分區(qū)，整理和建立地下水天然資源量、地表水和地下側(cè)向流入對(duì)淺層地下水天然補(bǔ)給量、可開(kāi)采資源量、5～12 a逐年及年均開(kāi)采量、水位埋深及變化幅度和開(kāi)采程度等相關(guān)數(shù)據(jù)，歸一化后得到各要素的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

采用武威市地質(zhì)和水務(wù)部門(mén)地下水埋深長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、核工業(yè)航測(cè)遙感中心解譯的2016年8—9月份遙感數(shù)據(jù)（Landsat數(shù)據(jù)）和項(xiàng)目組開(kāi)展的 2017—2019年生態(tài)-土壤-地下水綜合調(diào)查資料，作為地下水生態(tài)功能及相關(guān)指標(biāo)權(quán)重解析基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。生態(tài)功能隸屬要素指標(biāo)的兩者之間關(guān)聯(lián)度作為基礎(chǔ)權(quán)重判斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 要素指標(biāo)權(quán)重解析

3.2.1 資源功能隸屬要素指標(biāo)權(quán)重解析

石羊河流域包括13個(gè)灌區(qū)和2個(gè)荒區(qū)的分區(qū)數(shù)據(jù)，具體涉及地下水資源功能的8個(gè)要素指標(biāo)（表1），它們相對(duì)于相鄰有隸屬關(guān)系的高1層屬性指標(biāo)為正相關(guān)關(guān)系，即要素指標(biāo)性能越強(qiáng)，其所屬的屬性指標(biāo)屬性越強(qiáng)。賦值序列值介于1～9之間（表3），依據(jù)標(biāo)度分級(jí)概念，相對(duì)重要性越大，序列值賦值越高，地下水資源占有性和地下水資源更新性隸屬要素指標(biāo)權(quán)重解析結(jié)果如表4所示，其他6個(gè)指標(biāo)權(quán)重解析形式相同，不再顯示。

在地下水資源功能的隸屬要素指標(biāo)權(quán)重解析中，資源開(kāi)采程度指標(biāo)對(duì)于相鄰高1層指標(biāo)的資源可用性，為負(fù)相關(guān)，即地下水資源開(kāi)采程度越高，地下水可用性越差。為與地下水資源其他要素指標(biāo)一致，地下水可用性數(shù)據(jù)取倒數(shù)，然后將歸一標(biāo)準(zhǔn)化值序列轉(zhuǎn)入體系序列綜合法分析。

表4 石羊河流域地下水資源功能部分隸屬要素指標(biāo)權(quán)重解析結(jié)果Table 4 Weight analytical results of partial subordinate factor indices of groundwater resource function in Shiyang River Basin

3.2.2 生態(tài)功能隸屬要素指標(biāo)權(quán)重解析

石羊河流域生態(tài)功能的要素指標(biāo)包含 6個(gè)，分別為濕地環(huán)境與地下水關(guān)聯(lián)度、湖沼泉補(bǔ)與地下水關(guān)聯(lián)度、天然植被與地下水關(guān)聯(lián)度、綠洲覆蓋與地下水關(guān)聯(lián)度、土地荒漠化與地下水關(guān)聯(lián)度和土地鹽漬化與地下水關(guān)聯(lián)度。基于石羊河流域前期進(jìn)行的不同類型生態(tài)因子與地下水位埋深之間關(guān)系分析，結(jié)合干旱區(qū)其他學(xué)者相關(guān)研究成果[25-29]，建立地下水生態(tài)功能隸屬的要素指標(biāo)關(guān)系表。在各生態(tài)要素指標(biāo)與地下水關(guān)聯(lián)度相關(guān)研究中，地下水位埋深為關(guān)鍵因子，根據(jù)生態(tài)因子隨地下水位埋深變化的敏感程度，整理得到表5。

由于自然濕地（湖泊）生態(tài)分布區(qū)存在于研究區(qū)局部范圍，不涉及整個(gè)石羊河流域，所以，本次僅劃分“有”和“無(wú)”2個(gè)等級(jí)，其中自然濕地（湖泊）存在的區(qū)域與地下水互為補(bǔ)給關(guān)系，地表徑流豐沛時(shí)，地表水補(bǔ)給地下水；地表徑流貧乏時(shí)，地下水補(bǔ)給地表水，兩者之間關(guān)系密切，賦最大值 9?！盁o(wú)”的區(qū)域賦最小值 1。天然植被生態(tài)分布區(qū)或土地沙化防控區(qū)，根據(jù)地下水位埋深對(duì)要素指標(biāo)的影響狀況，將其與地下水關(guān)聯(lián)度劃分為5個(gè)等級(jí)，其中，地下水位埋深較淺、天然植被生長(zhǎng)和覆蓋面積好的區(qū)域，地下水對(duì)天然植被的生長(zhǎng)有較強(qiáng)的維持作用，權(quán)重序列值賦最大值 9，隨著地下水位埋深越來(lái)越大，地下水維持天然植被生長(zhǎng)的能力逐漸減弱，權(quán)重序列值賦值逐漸減小；按地下水位埋深由淺至深變化對(duì)植被生長(zhǎng)狀況“良好、較好、一般、退化和枯萎死亡”的影響程度，序列值賦值依次為 9、7、5、3和 1。綠洲植被覆蓋與地下水關(guān)聯(lián)度的序列值賦值方法與天然植被與地下水關(guān)聯(lián)度賦值方法相同。土壤鹽漬化程度越高，對(duì)土地質(zhì)量劣變影響越嚴(yán)重，它與地下水位埋深之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即地下水位埋深越淺，土壤鹽漬化程度越高，不利于農(nóng)田土地質(zhì)量的維持；根據(jù)不同地下水位埋深造成表層土壤極重度、重度、中度、輕度鹽漬化和非鹽漬化的狀況，權(quán)重序列值的賦值順序依次為1、3、5、7和9。地下水位埋深越大，土地荒漠化程度越高，不利于農(nóng)田土地質(zhì)量的維持；根據(jù)地下水位埋深逐漸增大造成土地非荒漠化、輕度、中度、重度和極重度荒漠化的狀況，權(quán)重序列值的賦值順序依次為9、7、5、3和1。石羊河流域生態(tài)功能隸屬要素指標(biāo)權(quán)重解析序列值的結(jié)果，如表5所示。在表5研究基礎(chǔ)上，按序列綜合法解析生態(tài)功能的要素指標(biāo)權(quán)重。

表5 石羊河流域地下水生態(tài)功能隸屬要素指標(biāo)權(quán)重解析結(jié)果Table 5 Weight analytical results of subordinate factor indices of groundwater ecological function in Shiyang River Basin

3.3 屬性指標(biāo)權(quán)重解析

3.3.1 資源功能隸屬屬性指標(biāo)權(quán)重解析

干旱區(qū)地下水資源功能的屬性（C層）指標(biāo)有4項(xiàng)，分別為地下水的資源占有性、資源更新性、資源調(diào)節(jié)性和資源可用性。它們的權(quán)重判斷，主要依據(jù)降水入滲系數(shù)、滲透系數(shù)、給水度和開(kāi)采系數(shù)，即水文地質(zhì)參數(shù)。流域內(nèi)不同區(qū)位水文地質(zhì)參數(shù)不同，石羊河流域武威盆地 24個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)命名為W01～W24，民勤盆地19個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)命名為M01～M19。地下水資源功能是4項(xiàng)指標(biāo)的約束準(zhǔn)則層，它與地下水的資源占有性、資源更新性、資源調(diào)節(jié)性和資源可用性之間呈正相關(guān)關(guān)系，即地下水資源占有性、更新性、調(diào)節(jié)性和可用性越強(qiáng)，地下水資源功能越強(qiáng)，按表1序列正常賦值。在地下水開(kāi)采系數(shù)賦值時(shí)，雖然荒漠化區(qū)地下水開(kāi)采量極小（牧民的大口井，用于牲畜飲用），即開(kāi)采系數(shù)小，但是從地下水生態(tài)保護(hù)角度考慮，其資源可用性指標(biāo)的賦值宜為1，即該區(qū)的地下水不宜開(kāi)采。

對(duì)于每個(gè)評(píng)價(jià)分區(qū)，每項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的數(shù)值是該區(qū)全部指標(biāo)權(quán)重總數(shù)值的分值，即為該指標(biāo)在這一分區(qū)相對(duì)功能指標(biāo)的權(quán)重值，如表6所示，由于評(píng)價(jià)分區(qū)較多（43個(gè)），僅列舉部分原始數(shù)據(jù)具有明顯差距的分區(qū)。表中數(shù)據(jù)說(shuō)明，各評(píng)價(jià)分區(qū)地下水資源占有性、資源更新性、資源調(diào)節(jié)性和資源可用性屬性指標(biāo)的權(quán)重高低取決于原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)較大，標(biāo)準(zhǔn)化值、權(quán)重序列值較大，權(quán)重?cái)?shù)值相應(yīng)也較大；原始數(shù)據(jù)較小，標(biāo)準(zhǔn)化值、權(quán)重序列值較小，權(quán)重?cái)?shù)值相應(yīng)也較小。

表6 石羊河流域地下水資源功能層部分屬性指標(biāo)權(quán)重解析結(jié)果Table 6 Weight analytical results of partial attribute indices of groundwater resources functional layer in Shiyang River Basin

3.3.2 生態(tài)功能隸屬屬性指標(biāo)權(quán)重解析

干旱區(qū)地下水生態(tài)功能的屬性（C層）指標(biāo)由地下水對(duì)自然濕地景觀維持性、地下水對(duì)天然植被綠洲維持性和地下水對(duì)農(nóng)田土地質(zhì)量維持性組成，它們從不同角度反映不同類型生態(tài)情勢(shì)與地下水埋藏條件之間關(guān)聯(lián)狀況。地下水生態(tài)功能是這3項(xiàng)屬性指標(biāo)的約束準(zhǔn)則層，即地下水對(duì)自然濕地景觀維持性、地下水對(duì)天然植被綠洲維持性和地下水對(duì)農(nóng)田土地質(zhì)量維持性越強(qiáng)，評(píng)價(jià)區(qū)地下水生態(tài)功能越強(qiáng)，地下水位不同埋深范圍，功能層與3項(xiàng)屬性指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)度不同。根據(jù)項(xiàng)目組在石羊河流域開(kāi)展的不同類型生態(tài)情勢(shì)與地下水位埋深之間關(guān)系研究，劃分為5等級(jí)（圖3），分別賦值9、7、5、3和 1。對(duì)于每個(gè)評(píng)價(jià)分區(qū)，每項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重的數(shù)值是該區(qū)全部指標(biāo)權(quán)重總數(shù)值的分值，然后，基于表2判斷各屬性指標(biāo)權(quán)重的排序值序列，由此確定評(píng)價(jià)分區(qū)各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重。

3.4 功能層權(quán)重解析

干旱區(qū)地下水功能層（B層）指標(biāo)只有2個(gè)，分別為地下水的資源功能和生態(tài)功能，它們隸屬干旱區(qū)地下水綜合功能（A層）。在干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系中，地下水的資源功能和生態(tài)功能在權(quán)重上同等重要，只是在不同區(qū)帶上由于它們屬性指標(biāo)存在顯著差異，而決定二者的相對(duì)重要性也存在差異，例如山前平原與下游自然濕地分布區(qū)，山前平原地下水較強(qiáng)的補(bǔ)給性、更新性、調(diào)節(jié)性和可利用性決定區(qū)內(nèi)地下水資源功能強(qiáng)，超50 m的地下水位埋深條件下，地下水對(duì)天然植被綠洲的維持性差，決定區(qū)內(nèi)地下水生態(tài)功能差；下游自然濕地分布區(qū)正相反，地下水資源功能較弱、生態(tài)功能較強(qiáng)。

圖3 干旱區(qū)地下水生態(tài)功能隸屬屬性指標(biāo)分級(jí)依據(jù)Fig.3 Classification basis of subordinate attribute index of groundwater ecological function in arid region

基于屬性指標(biāo)的權(quán)重和指數(shù)，應(yīng)用綜合指數(shù)法，分別求得不同評(píng)價(jià)（水文地質(zhì)參數(shù)）分區(qū)地下水資源功能指數(shù)（R資）和各剖分單元（250 m×250 m）地下水生態(tài)功能指數(shù)（R生），構(gòu)成相對(duì)評(píng)價(jià)區(qū)地下水綜合功能權(quán)重判斷的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。為完成地下水綜合功能評(píng)價(jià)最終目標(biāo)，需將 2個(gè)功能指標(biāo)建立空間對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)關(guān)系，建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)單元。以250 m×250 m為單元?jiǎng)澐謽?biāo)準(zhǔn)，將地下水資源功能的評(píng)價(jià)單元統(tǒng)一剖分細(xì)化。評(píng)價(jià)單元R資和R生的大小直觀反映地下水的資源功能和生態(tài)功能相對(duì)同一單元地下水綜合功能的重要程度，自大到小排序分為9級(jí)，賦值方法參考表2。每項(xiàng)功能指標(biāo)權(quán)重的數(shù)值是評(píng)價(jià)單元中 2項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重總數(shù)值的分值，由于評(píng)價(jià)單元較多（132 895個(gè)），僅列舉權(quán)重計(jì)算值不同的部分評(píng)價(jià)單元指標(biāo)，進(jìn)行解析結(jié)果展示，見(jiàn)表7。

3.5 地下水資源功能和生態(tài)功能空間評(píng)價(jià)成果

基于上述方法判定的各層級(jí)指標(biāo)權(quán)重，結(jié)合綜合指數(shù)法提供的各指標(biāo)參數(shù)，得到評(píng)價(jià)區(qū)地下水資源功能和生態(tài)功能的空間評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)地下水功能評(píng)價(jià)指數(shù)，地下水資源功能和地下水生態(tài)功能的評(píng)價(jià)結(jié)果分為 5級(jí)，分別為強(qiáng)、較強(qiáng)、一般、較差和差，對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指數(shù)分別為1.0～0.8、0.8～0.6、0.6～0.4、0.4～0.2和 0.2～0。西北內(nèi)陸干旱區(qū)在氣候、地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)及生態(tài)分布、水循環(huán)轉(zhuǎn)化等方面具有相似性，決定了地下水功能宏觀分布具有相似的區(qū)帶特征。

石羊河流域武威盆地和民勤盆地的地下水功能評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)圖4a和4b。山前沖積扇地區(qū)，為盆地（或流域）地下水系統(tǒng)的上游區(qū)，地下水功能特征為資源功能強(qiáng)，生態(tài)功能弱化，地下水資源功能為主導(dǎo)功能。該區(qū)含水層巖性為單層結(jié)構(gòu)，顆粒粗大，厚度超過(guò)100 m，地下水調(diào)節(jié)空間大；接受出山河流充足補(bǔ)給，水源充足；地形梯度較大，垂直和水平方向循環(huán)快，水質(zhì)優(yōu)良，地下水更新性和可用性強(qiáng)。地下水資源功能4個(gè)屬性指標(biāo)的基礎(chǔ)值較大，以基礎(chǔ)值參考的權(quán)重序列值為8或9，相應(yīng)屬性指標(biāo)的權(quán)重也較高。地下水功能評(píng)價(jià)時(shí)，權(quán)重參數(shù)和基數(shù)數(shù)值較大，決定地下水資源功能指標(biāo)的綜合指數(shù)較大，以綜合指數(shù)為權(quán)重參考基礎(chǔ)的權(quán)重相應(yīng)就高，介于 0.89～0.90之間。地表生態(tài)主要為戈壁灘荒漠植被和人工綠洲，地下水位埋深大，戈壁灘荒漠植被與地下水沒(méi)有直接聯(lián)系，根據(jù)表1，區(qū)內(nèi)權(quán)重序列值為1，地下水功能評(píng)價(jià)時(shí)，地下水生態(tài)功能指標(biāo)權(quán)重較低，介于0.10～0.11。

表7 石羊河流域地下水功能層部分指標(biāo)權(quán)重解析結(jié)果Table 7 Weight analytical results of partial groundwater function layer indices in Shiyang River Basin

細(xì)土平原綠洲帶，為盆地（或流域）地下水系統(tǒng)的中游區(qū)，以地下水資源功能較強(qiáng)為主，少部分區(qū)域?yàn)樯鷳B(tài)功能較強(qiáng)。該區(qū)含水層巖性為潛水-承壓水多層結(jié)構(gòu)，顆粒由粗到細(xì)，地下水調(diào)節(jié)空間相對(duì)變小；接受來(lái)自上游區(qū)地下水補(bǔ)給，以及河道和當(dāng)?shù)厍喔鹊臐B漏補(bǔ)給，有一定的水源補(bǔ)給能力，同時(shí)也為地下水主要開(kāi)采區(qū)；地形變緩，地下水以水平徑流為主，部分地區(qū)水質(zhì)受農(nóng)業(yè)區(qū)化肥農(nóng)藥或水位下降幅度過(guò)大影響有所變化。地下水功能評(píng)價(jià)時(shí)，地下水資源功能指標(biāo)權(quán)重較上游區(qū)變低，介于 0.49～0.71之間。地表生態(tài)主要為人工綠洲，部分地區(qū)有天然生態(tài)類型存在，如石羊河濕地保護(hù)區(qū)和沖洪積扇緣泉水溢出帶，地下水位越高，沖洪積扇緣泉水溢出帶泉流量越大，濕地面積越大，根據(jù)表1，濕地環(huán)境與地下水關(guān)聯(lián)度、湖沼泉補(bǔ)與地下水關(guān)聯(lián)度指標(biāo)權(quán)重序列值分別賦值9，地下水功能評(píng)價(jià)時(shí)，地下水生態(tài)功能權(quán)重較高，分別為0.85和0.81；其他地區(qū)權(quán)重0.29～0.51。

圖4 石羊河流域地下水功能評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.4 Evaluation results of the groundwater function in Shiyang River Basin

下游荒漠區(qū)，為盆地（或流域）地下水系統(tǒng)的下游區(qū)，地下水資源功能以差或較差為主，生態(tài)功能表現(xiàn)突出。該區(qū)含水層巖性表現(xiàn)為沙-土多層更迭，顆粒更為細(xì)小，地下水調(diào)節(jié)能力差；中游區(qū)極大消耗后的余量水源補(bǔ)給荒漠區(qū)，水源補(bǔ)給能力差；地形平緩，地下水徑流滯緩，地下水位埋深淺，蒸發(fā)強(qiáng)烈，水質(zhì)礦化度高，地下水更新性和可用性差。地下水功能評(píng)價(jià)時(shí)，地下水資源功能指標(biāo)權(quán)重較低，介于 0.10～0.29之間。地表生態(tài)除中部區(qū)域的人工綠洲外，以河流尾閭湖匯集區(qū)的青土湖濕地以及人工綠洲與沙漠之間的天然植被區(qū)為主，東部天然植被區(qū)地下水位埋深大部分區(qū)域小于 3 m，根據(jù)表1，濕地環(huán)境與地下水關(guān)聯(lián)度、天然植被與地下水關(guān)聯(lián)度和綠洲覆蓋與地下水關(guān)聯(lián)度指標(biāo)的權(quán)重序列值分別賦值9，地下水功能評(píng)價(jià)時(shí)，青土湖濕地區(qū)和東部天然植被區(qū)地下水生態(tài)功能權(quán)重較高，青土湖濕地區(qū)為 0.90，東部天然植被區(qū)為 0.82；其他地區(qū)地下水生態(tài)功能權(quán)重0.27～0.71。

上述分析說(shuō)明，地下水資源功能強(qiáng)的區(qū)域，功能指標(biāo)權(quán)重相應(yīng)也高，反之亦然，主要由區(qū)內(nèi)與地下水屬性相關(guān)的水文地質(zhì)要素決定；地下水生態(tài)功能強(qiáng)的區(qū)域，生態(tài)功能指標(biāo)權(quán)重相應(yīng)也大，反之亦然，由區(qū)內(nèi)地下水位埋深條件決定?？傮w來(lái)看，山前沖洪積扇區(qū)，地下水資源功能強(qiáng)、指標(biāo)權(quán)重高，生態(tài)功能權(quán)重低。中部細(xì)土平原綠洲帶，除石羊河濕地保護(hù)區(qū)和沖洪積扇緣泉水溢出帶地下水生態(tài)功能強(qiáng)、指標(biāo)權(quán)重高外，其他地區(qū)地下水資源功能一般，指標(biāo)權(quán)重相對(duì)應(yīng)不高。下游荒漠區(qū)，尾閭湖青土湖區(qū)和東部天然植被保護(hù)區(qū)地下水生態(tài)功能強(qiáng)、指標(biāo)權(quán)重高，其他地區(qū)地下水生態(tài)功能一般或較差、指標(biāo)權(quán)重較低；整個(gè)下游荒漠區(qū)都表現(xiàn)出地下水資源功能差、指標(biāo)權(quán)重低的特征。通過(guò)遙感方法核查和地下水-生態(tài)-土壤綜合調(diào)查，石羊河流域地下水功能評(píng)價(jià)結(jié)果符合不同區(qū)位地下水本質(zhì)特征，也符合地下水生態(tài)功能實(shí)際狀況。由此說(shuō)明，本次干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃體系指標(biāo)權(quán)重判定時(shí)，從要素指標(biāo)-屬性指標(biāo)-主導(dǎo)功能指標(biāo)-系統(tǒng)目標(biāo)，基于工作區(qū)不同區(qū)位的地下水資源本質(zhì)屬性和生態(tài)功能與地下水關(guān)聯(lián)性為基礎(chǔ)的功能評(píng)價(jià)結(jié)果不失真實(shí)性，權(quán)重評(píng)判方法合理可行。

4 結(jié) 論

1）針對(duì)西北內(nèi)陸平原區(qū)自然濕地和天然植被對(duì)地下水埋藏狀況具有強(qiáng)烈依賴性的特點(diǎn)，繼承性構(gòu)建了適合干旱區(qū)地下水功能評(píng)價(jià)與區(qū)劃指標(biāo)體系，與2006版相比，賦予了該體系指標(biāo)不同的內(nèi)涵；在由2006年版的22項(xiàng)要素指標(biāo)精簡(jiǎn)為14項(xiàng)的同時(shí)，增設(shè)了“自然濕地景觀維持性”屬性指標(biāo)和“濕地環(huán)境與地下水關(guān)聯(lián)度”、“綠洲覆蓋與地下水關(guān)聯(lián)度”及“土地荒漠化與地下水關(guān)聯(lián)度”等要素指標(biāo)體系。

2）石羊河流域地下水資源和地下水生態(tài)功能權(quán)重解析結(jié)果顯示：山前平原地下水資源功能權(quán)重較高，范圍值0.89～0.90；地下水生態(tài)功能權(quán)重較低，范圍值0.10～0.11。中部細(xì)土平原綠洲帶地下水資源功能權(quán)重變低，范圍值0.49～0.71；石羊河濕地保護(hù)區(qū)和沖洪積扇緣泉水溢出帶地下水生態(tài)功能權(quán)重較高，分別為0.85和0.81，其他地區(qū)權(quán)重范圍0.29～0.51。下游荒漠區(qū)地下水資源功能權(quán)重較低，范圍值0.10～0.29；青土湖濕地區(qū)和東部天然植被區(qū)地下水生態(tài)功能權(quán)重較高，分別為0.9和0.82，其他地區(qū)權(quán)重相對(duì)較低，范圍值0.27～0.71。

3）石羊河流域地下水資源功能和生態(tài)功能的評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際狀況相吻合，證明以層次分析法和序列綜合法相結(jié)合、依據(jù)不同類型指標(biāo)的序列數(shù)據(jù)展布規(guī)律作為權(quán)重置配主要判據(jù)的權(quán)重置配方法合理可行，可為西北內(nèi)陸地下水合理開(kāi)發(fā)與生態(tài)保護(hù)針對(duì)性管控提供支撐。