基于模糊綜合評價法的海島深層地下淡水開發(fā)潛力評價

單科，王銳浩，黃鵬飛，初喜章

（國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所，天津 300192）

隨著《中華人民共和國海島保護法》、《全國海島保護規(guī)劃》以及“第一批開發(fā)利用無居民海島名錄”等法律、法規(guī)和鼓勵性政策、措施的出臺實施，海島開發(fā)力度不斷加大。我國大部分海島所處地區(qū)降水時空分布不均，這大大增加了面積本就有限、缺乏大規(guī)模蓄水工程建設(shè)條件的海島的供水保障難度。通過層次分析法和灰度分析法研究，淡水資源是制約海島開發(fā)的兩個主要自然資源因素之一（劉亮等，2012）。

在海島地區(qū)，由于受到海島集水區(qū)面積、地形特征、地質(zhì)構(gòu)造等條件限制，潛水層在旱季難以保持較低鹽度。除埋藏較淺的潛水外，部分海島的深層地下存有由陸地向海洋延伸的儲水結(jié)構(gòu)。陸地上的水系通過地下含水層向大陸架區(qū)域輸送，使得地表淡水直接成為海底儲水結(jié)構(gòu)的淡水補給源。這些含水層一般在陸上的補給區(qū)面積相對較小，不易受污染，同時經(jīng)過自然的生物凈化和地層過濾，水質(zhì)一般較好（劉海齡等，1998）。

深層地下淡水的開采也早有先例。20 世紀(jì)60年代，美國地質(zhì)學(xué)家就提出開發(fā)海底蘊藏的淡水資源，特別是對于干旱缺水的地區(qū)，有著十分重要的意義。Margat 曾采用“礦業(yè)式”開采理念，指導(dǎo)澳大利亞、美國亞利桑那州、阿爾及利亞和突尼斯等國家或地區(qū)進行了深層地下水開采（張光輝等，2002）。20 世紀(jì)80年代，意大利在該國的莫托拉海域沿岸海床下800 m 深處發(fā)現(xiàn)海底淡水資源。Nymphea 公司于1999年首次進行了從海底汲取淡水的試驗。據(jù)報道，2003年7月，Nymphea 公司宣布其在意大利芒冬和凡蒂米之間一處海床下36 m 深處的淡水抽到陸地上，水流量達0.1 m3/s，這是世界上首次實現(xiàn)海底工業(yè)化取水（李紅，2003）。

因此，在合理開發(fā)利用海島地表水、淺層地下水的基礎(chǔ)上，其深層地下淡水資源的開發(fā)也應(yīng)得到關(guān)注。我國海島眾多，條件各異，需求也不盡相同，同時，深層地下淡水的勘探成本相對較高。因此需采用一套科學(xué)的理論方法，先期對海島深層地下淡水的開發(fā)活動加以評價，以便根據(jù)評價結(jié)果實施鉆探、規(guī)劃及利用等活動，以保證深層地下淡水資源的合理開發(fā)。本文試采用模糊綜合評價法對海島深層地下淡水利用潛力加以評估，進而為進一步的勘察提供指導(dǎo)，為海島的合理規(guī)劃和開發(fā)提供理論基礎(chǔ)。

1 評價模型構(gòu)建

與海島深層地下淡水開發(fā)潛力相關(guān)的因素較多，如海島及周邊海域海底的地質(zhì)情況、海島的地形地貌、海島所處區(qū)域的氣候條件、海島自身發(fā)展的需求以及深層地下淡水開發(fā)難度等等。因此，應(yīng)首先采用層次分析法對海島深層地下淡水開發(fā)潛力的評價因子深入分析，并構(gòu)建一個多層次分析結(jié)構(gòu)模型，然后可利用較少的定量信息把決策的過程數(shù)學(xué)化（杜棟等，2008）。某些因子，如海島的地形地貌，對其評判存在一定程度的模糊性，因此本文采用了模糊數(shù)學(xué)的方法進行決策，這樣不僅可簡化決策的過程還可保證結(jié)果的客觀性。

1.1 評價因子體系的建立

影響海島深層地下淡水開發(fā)潛力的因素主要來源于3 個方面，分別是自然條件、社會條件和工程條件。自然條件中當(dāng)?shù)亟邓亢蛵u陸蓄水條件直接關(guān)系到海島淡水資源短缺程度和可開發(fā)利用的總量；離岸距離越遠(yuǎn)，則引水工程建設(shè)運行難度越大；海島成因不同，也會影響其深層地下貯水結(jié)構(gòu)的容納能力。社會條件主要反映對深層地下淡水開發(fā)的需求，人均水資源占有量與人民生活水平相關(guān)，生產(chǎn)所消耗的淡水可由單位產(chǎn)值耗水量表示，海島的進一步發(fā)展也在相關(guān)規(guī)劃中體現(xiàn)，能源供應(yīng)充足與否則決定了其他非常規(guī)水源能否大規(guī)模應(yīng)用，供水價格則直接體現(xiàn)了淡水資源的稀缺程度。此外，淡水層埋深、補給情況和鉆探難易程度等工程開采條件決定了深層地下淡水的開發(fā)成本。

根據(jù)上述分析構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型（圖1），評價體系包括目標(biāo)層A、評價層B 和指標(biāo)層C。

圖1 海島深層地下淡水開發(fā)潛力評價層次結(jié)構(gòu)模型

各評價因子的含義如表1 所示。

表1 評價因子含義

1.2 權(quán)重矩陣的計算

層次B 中3 個條件對目標(biāo)A 的權(quán)重和層次C中各因子對于層次B 相應(yīng)條件的權(quán)重通過各層間元素的兩兩比較，構(gòu)造比較判斷矩陣來確定。相對重要性的表示采用1-9 標(biāo)度法，通過專家咨詢，對每個層次的評價要素加以比較權(quán)衡，組成判斷矩陣，經(jīng)計算和一致性檢驗，得出評價要素在相應(yīng)層次的權(quán)重。最后，將A-B，B-C 各層次相應(yīng)權(quán)重相乘后，得到評價因子C 對目標(biāo)A 的權(quán)重結(jié)果（表2），形成權(quán)重集W。

表2 評價因子權(quán)重

1.3 模糊關(guān)系矩陣建立

（1） 建立評價集

本文采用3 個等級評語評判各因子C，構(gòu)建評價集V。V= {Vj（j=1，2，…，m）}，其中Vj為評價的第j 個等級，本次建立的評價集中有3 個等級，即V= {V1，V2，V3}。V1等級為有利于開采或需求旺盛，V2等級為具備一定開采條件或需求，V3為對開采沒有需求或不具備開采條件。分級依據(jù)見表3。

（2） 確定參評要素集和隸屬函數(shù)

參評要素即為判斷因子C，參評要素集U ={Ci（i=1，2，…，n），n=12}。

以上參評要素中可量化的定量指標(biāo)的模糊分布類型為梯形分布，其隸屬度分值采用升、降半梯形函數(shù)計算（謝季堅等，2006）；不可量化的定性指標(biāo)采用專家打分法加以評級。

（3） 建立模糊關(guān)系矩陣

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的基本概念，確定每一個因子Ci對評價集V 的隸屬程度，用ri，j（i = 1，2，…，n；j=1，2，3） 來表示，由此，將每一因子的評價結(jié)果構(gòu)建成模糊關(guān)系矩陣R。

1.4 構(gòu)造模糊綜合評價模型

利用模糊運算將權(quán)重矩陣W 和模糊關(guān)系矩陣R 結(jié)合，構(gòu)造模糊評價模型，得到評價對象屬于各評價等級的隸屬程度的矩陣，即評價結(jié)果P（杜棟等，2008）。若評價結(jié)果對p1隸屬度最大，表示深層地下淡水開發(fā)潛力巨大；若對p2隸屬度最大則表示開發(fā)潛力一般；若對p3隸屬度最大則表示不具開發(fā)潛力。

2 深層地下淡水開發(fā)潛力評價——以嵊泗泗礁山島為例

泗礁山島屬浙江省舟山市嵊泗縣，是該縣縣政府所在地。嵊泗位于我國長江口外海區(qū)與杭州灣的會合處，位置十分優(yōu)越，是我國的國家級海洋風(fēng)景名勝區(qū)，氣候濕潤，1956-2000年的年平均降水量1 038.1 mm（舟山市發(fā)改委，2010）。泗礁山島上陸地面積狹小，丘陵集水區(qū)面積小，截水條件差，水系短小，地表徑流大部分只能直接入海，旱季供水十分緊張（李植斌，1997）。島上日供水能力約1.7 萬t，其中海水淡化工程占據(jù)了約40%。另據(jù)估算，在舟山群島建蓄水工程每立方米蓄水量造價高達10～12 元（浙江省海島資源綜合調(diào)查領(lǐng)導(dǎo)小組，1995）。

根據(jù)大量的第四紀(jì)地質(zhì)、水文地質(zhì)的鉆孔資料研究，上海地區(qū)在早更新世應(yīng)存在兩條古河道，一條可能屬于古長江水系，另一條可能屬于古錢塘江水系。古長江流經(jīng)現(xiàn)今的上海地區(qū)后，向現(xiàn)今的舟山群島和東海大陸架方向延伸，在所流經(jīng)的地區(qū)留下了寬闊的古河道。從地層條件分析，長江口地區(qū)的下更新統(tǒng)河流相砂層中應(yīng)有含淡水層（王振宇，2005；李家彪，2008）。同時，對舟山附近海域第四紀(jì)海底沉積物的研究表明其具有高含水量、高孔隙比、高壓縮性的特點（王振紅等，2011）。

張志忠等（2011） 利用2009年完成的單道地震測量解譯成果，推測錢塘江口北側(cè)、嵊泗列島以北、嵊泗東北部海域的第四紀(jì)松散層、早更新世古河道分布區(qū)有可能是海底淡水資源豐富區(qū)。

表3 評價因子分級依據(jù)

張萊等（2010） 對嵊泗海域長江古河道區(qū)域地下淡水水位及補償進行了數(shù)值模擬，認(rèn)為該區(qū)域含水層可為嵊泗列島長期提供淡水。

泗礁山島建有小型電廠和風(fēng)力發(fā)電機組，但目前電力保障主要依靠引自大陸的海底電纜供電。

舟山市“十二五”規(guī)劃和舟山市發(fā)改委相關(guān)研究報告中都提出，在嵊泗將建設(shè)海水淡化工程，而大陸引水工程目前只是開展前期研究工作，這在一定程度上表明引水工程建設(shè)的難度巨大（舟山市發(fā)改委，2010；舟山市人民政府，2011）。根據(jù)嵊泗縣發(fā)改局（2011） 公布的2010年該縣萬元產(chǎn)值用水量為4.12 m3，說明當(dāng)?shù)毓?jié)水水平較高，但也從另一側(cè)面放映出當(dāng)?shù)氐Y源極為匱乏。

基于上述資料，根據(jù)表3 的分級依據(jù)，評價分級結(jié)果如表4 所示。

由此構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣R。

利用模糊運算將權(quán)重矩陣W 和模糊關(guān)系矩陣R 結(jié)合，所構(gòu)造的判斷矩陣經(jīng)計算和歸一化，最終得到隸屬度矩陣P= [0.522 0，0.362 8，0.115 2]。可看出結(jié)果對p1等級的隸屬度最大，因此，評價結(jié)果顯示嵊泗開發(fā)海島深層地下淡水的潛力巨大。

表4 泗礁山島評價分級結(jié)果

3 討論

3.1 模糊綜合評判法在海島深層地下水開發(fā)潛力評價中的適宜性

與海島深層地下淡水開發(fā)潛力相關(guān)的評價因子較多，并且評價因子的等級劃分具有模糊的特性，不宜采用絕對的數(shù)值界限對評判等級加以劃分。

評價因子中某些因子不能直接用數(shù)值表示，同時不存在等級間的明顯界限。如海島地形地貌特征、地質(zhì)條件對開發(fā)潛力的影響和海島是否列入相關(guān)規(guī)劃等，此類評價因子無法采用絕對的數(shù)值界限劃分等級。另外，某些評價因子如海島降雨量等，雖然具有明確的數(shù)值，但并不能以某一具體數(shù)值作為界限來評價其對地下水開發(fā)潛力是否有利，其判斷仍存在一定模糊性。而通過模糊數(shù)學(xué)的方法，不僅可將本身不具備數(shù)值的評價因子量化，還可更為客觀地反映評價因子對評價結(jié)果的影響。因此，在評價海島深層地下淡水開發(fā)潛力時，采用模糊數(shù)學(xué)方法可較為客觀地反映這些模糊的概念，并可將其納入量化的評價模型，使評價結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。同時，采用模糊綜合評價法進行評估，其結(jié)果為隸屬度矩陣較為直觀，便于對開發(fā)潛力的判斷。

3.2 評價結(jié)果的準(zhǔn)確性

近年來對嵊泗附近深層地下淡水含水層的研究日漸增多，1993年和2007年先后兩次實施的勘探工程也揭示了當(dāng)?shù)厣顚拥叵侣癫赜胸S富的淡水資源，相關(guān)研究者都認(rèn)為其開發(fā)潛力巨大。本文采用嵊泗作為案例對模糊評價模型加以驗證，也得出了相同的結(jié)論，初步證明本文建立的模糊評價模型可用于海島及附近海域深層地下淡水開發(fā)潛力評價，評價結(jié)果與實際情況相符。

泗礁山島深層地下淡水開發(fā)潛力的評價結(jié)果對于表示開發(fā)潛力一般的p2等級也有一定隸屬度，這其中原因來自多個方面：其一是規(guī)劃中將建設(shè)的海水淡化工程對緩解該區(qū)域的缺水局面有較大作用；其二是當(dāng)?shù)匾烟岢鲞M行引水工程的前期研究工作，一定程度上影響了對海底淡水開發(fā)的需求；其三是目前的“嵊泗一號”、“嵊泗二號”鉆探井位于海上，若不能在島陸區(qū)域進行開采，則施工的難度會減小深層地下淡水開發(fā)的競爭優(yōu)勢。

4 結(jié)論

（1） 海島深層地下水的評價是深層地下水勘探開發(fā)的基礎(chǔ)。目前，對我國海島深層地下水的研究處于初級階段，尚無針對海島深層地下水評價的成熟方法。本文運用模糊綜合評價法嘗試建立海島深層地下淡水開發(fā)潛力評價方法，并利用嵊泗泗礁山島數(shù)據(jù)對模型進行了驗證。

（2） 海島深層地下淡水開發(fā)潛力評價受到多種因素的影響，并且影響因素具有模糊性，因此應(yīng)正確選擇評價因子并利用合理的方法加以評價。本模型的評價因子覆蓋了自然、社會和工程3 個方面，評價方法為模糊綜合評價法，充分考慮了評價的輸入條件與輸出結(jié)果間的關(guān)系，評價結(jié)果直觀、準(zhǔn)確。

（3） 嵊泗泗礁山島位于我國長江口外海區(qū)與杭州灣的會合處，從地層條件分析，長江口外的古河道中應(yīng)有含淡水層。從實際來看，該地區(qū)已經(jīng)成功勘探出儲量可觀的深層地下淡水。通過對評價結(jié)果的分析，我們發(fā)現(xiàn)雖然當(dāng)?shù)厣顚拥叵碌_發(fā)潛力巨大，但由于已有的工程手段緩解了島上的供水矛盾，并且海上鉆探施工難度較大，這都在一定程度上影響了深層地下淡水的開發(fā)潛力。

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