基于層次分析法對揚州市深層地下水資源評價

王紅梅，黃 勇，王麗麗

(1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京210098；2.江蘇省水文水資源勘測局 揚州分局，江蘇 揚州225002)

基于層次分析法對揚州市深層地下水資源評價

王紅梅1，黃 勇1，王麗麗2

(1.河海大學 地球科學與工程學院，江蘇 南京210098；2.江蘇省水文水資源勘測局 揚州分局，江蘇 揚州225002)

針對我國目前缺少有效評價城市地下水資源脆弱性的問題，本文以揚州市規劃區(廣陵區、邗江區)為例進行地下水資源脆弱性評價探討，結合其地下水資源的特性、水文和地質資料，選取了13個指標構建地下水資源脆弱性評價指標體系，運用層次分析法確定指標權重并進行一致性分析。結果表明，揚州城市規劃區深層地下水脆弱性等級為Ⅱ-Ⅲ級，地下水資源相對豐富。

地下水資源；脆弱性；指標體系；層次分析法；揚州市

水資源脆弱性研究源于20世紀60年代法國Albinet和Marget提出的地下水資源脆弱性概念，是度量水資源安全的重要標準，也是作為制約水資源安全的基礎性問題[1]。鄒君等[2]針對衡陽盆地利用綜合指數法進行了地表水資源的脆弱性及其評價分析；匡洋等[3]以河海流域為研究對象，利用主成分分析法進行了河海流域水資源脆弱性理論及評價；孔慶軒等[4]利用DRASTIC模型，對黑河市淺層地下水進行了地下水脆弱性評價。總體來說，國內地下水資源脆弱性研究還處于初步階段，近年來人們對地下水脆弱性研究主要集中在地下水污染方面，而針對城市地下水資源量的脆弱性方面極少，因而本文結合揚州規劃區的特點對其地下水資源脆弱性進行分析評價。

1 研究區概況

隨著近年來地方經濟建設的飛速發展，揚州市替代水源工程的全面實施，地下水資源管理工作的日益加強，規劃區地下水資源的開采利用發生了較大變化，其水位動態亦產生了明顯的起伏回落。揚州市漏斗中心在揚州毛紡廠(現通裕一紡)附近，呈軸向北東向延伸，漏斗面積近10km2[5]。因此，在揚州規劃區開展深層地下水資源脆弱性評價，對預測將來地下水資源安全變動走向，探求地下水資源安全的過程和關鍵性要素具有十分重要的意義。

1.1 研究區位置

研究范圍為揚州市所轄的廣陵區、邗江區(以下簡稱揚州城市規劃區)，總面積約1 021km2，屬于長江中下游平原和江淮平原，地勢平緩，地處亞熱帶濕潤氣候區，季風顯著，四季分明，年平均氣溫14.8℃。揚州城市規劃區南瀕長江，東依江都區，西鄰儀征市，北接高郵市，地跨北緯32°13′～32°40′，東經119°16′～119°34′，區內淮河流域面積866km2、長江流域面積155km2。根據揚州雨量站降水量資料，多年平均降水量1 031.6mm，最大年降水量1 576.7mm(1954年)，常年蒸發量為700～1 000mm。研究區內承壓含水層埋藏深度較大，不易接受大氣降水補給，在天然狀態下來自古淮河、古長江河道上游地區地下水徑流補給，消耗于人工開采和地下徑流排泄。

1.2 水文地質條件

研究區內按含水介質性質分松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩大類，以松散巖類孔隙水分布最廣泛，水量最豐富，為揚州市區主要供水開采層，而基巖水被不同程度掩埋，僅在局部地區有少量開采。因此本次區內評價對象為松散巖類孔隙水，不涉及基巖裂隙水。按含水層的埋藏條件和成因時代可分為潛水和第Ⅰ承壓、第Ⅱ承壓、第Ⅲ承壓和第Ⅳ承壓水五個含水層組。由于主要開采第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅲ承壓含水層，因此本文研究的深層地下水主要是以上3個承壓含水層。

第Ⅰ承壓含水層組：該含水層組分布在蔣王鎮—揚州一線沿岸抵長江地區，由第四系上更新統(Q3)古長江沖擊砂層構成，在北部地區存在含水層缺失情況。含水層頂板埋深24.4～56.0m，向東南傾斜，砂層厚度14.0～74.0m，水位埋深2～3m。富水性受古長江河道控制，新壩—紅橋一帶為古長江主泓線區，含水巖性為含礫粗砂、含礫中粗砂，砂層厚度達56m，單井涌水量由3 000～4 000m3/d，從新壩至揚州方巷含水層厚度逐漸變薄，含水介質顆粒逐漸變細，單井涌水量由3 000～4 000m3/d逐漸向小于500m3/d過度，揚州市區西北部為漫灘邊緣區，含水巖性為粉細砂組合，單井涌水量小于500m3/d。沿江一帶與潛水含水層之間水力聯系密切。

第Ⅱ承壓含水層組：該含水層組分布于甘泉(祝莊)—揚州市區(城南)—霍橋—紅橋(北)一線以北地區，主要由第四系中更新統(Q2)古淮河支叉河到沖擊砂層構成，南部地區含水區含水層缺失嚴重。含水層頂板埋深70.0～90.0m，砂層厚度8.0～56.0m，富水性受古河道控制；赤岸—黃玨—彎頭一線為古河道，含水巖性為中粗砂，砂層厚度35.0～56.0m，單井涌水量2 000～3 000m3/d；古河道以南由漫灘向邊緣過渡，巖性由中細砂向細砂漸變，含水層逐漸變薄，單井涌水量由1 000～2 000m3/d向小于500m3/d過渡。

第Ⅲ承壓含水層組：該含水層組分布于甘泉—酒甸一線以北，由第四系下更新統(Q1)淮河古河道沖擊砂層構成，南部地區含水層缺失嚴重。含水層頂板埋深110.0～140.0m，砂層厚度10.0～35.0m，為單層含水層結構。富水性受巖性和砂層厚度控制，濱湖—黃玨一帶為古河道擺動區，含水巖性為中粗砂，砂層厚度25.0～35.0m，單井涌水量2 000～3 000m3/d。漫灘區含水巖性為中細砂、邊緣地區為細粉砂，單井涌水量由1 000～2 000m3/d向小于單井涌水量500m3/d變化。該層組在區內北部的鄉鎮已開發利用，水位埋深15.0～20.0m。

目前，第Ⅱ和第Ⅲ承壓含水層為揚州市區地下水的主采層，分布在城區東北部，大致分布在崗區以南，瘦西湖以東，北河下以北。頂板埋深一般在70～90m。自西到東，自南到北，含水砂層逐漸變厚，東邊電廠一帶最厚，含水層厚度達60m左右。這兩個含水層之間的隔水層較薄，有些地方不足1m，實際成井過程中，某些地區這兩層相互連通，同時開采兩個層位地下水，具體見圖1揚州市水文地質剖面圖。

2 地下水開采現狀

根據2004～2014年《揚州市水資源公報》中地下水開采資料，分開采量、開采用途和主采層統計分析近十年地下水開采情況。至2014年底，區內有承壓含水層取水井104眼，地下水開采量403×104m3，均用于工業。

2.1 地下水開采量

2004年至2006年，區內深層地下水開采量基本在1 400×104m3左右，分別用于工業和生活；2007年區內區域供水工程全面實施通水，地下水不作生活用途，2007年至2014年開采量穩步下降，由664×104m3降至403×104m3。根據2014年地下水開采利用調查結果顯示，區內2014年地下水總開采量403.4×104m3，日均開采量1.1×104m3。各區由于水文地質條件及社會經濟發展狀況等不同，地下水開發利用強度也存在較大差異。總體而言，區內開采井在廣陵區分布密度最大，達0.2眼/km2，開采強度明顯高于邗江區；全區平均開采井密度約0.1眼/km2，開采模數為0.41×104m3/(a·km2)。

2.2 地下水用途

2004年至2006年區內深層地下水用于工業和生活。鄉鎮水廠取用地下水作為生活用途，而隨著區域供水工程的實施，鄉鎮地下水廠取水量逐年減少，2007年區域供水工程全面通水，區內水廠水源由地下水全部改為地表水，地下水不作為生活用途，目前地下水僅用于特殊行業的工業用水。

3 地下水資源脆弱性評價

地下水資源系統錯綜復雜，相互間產生作用，選出的主要指標的評價因子應具備科學性、完整性、主導性、獨立性和動態性。按地下水資源脆弱性形成因素，確立的脆弱性指標分為自然、人為、承載三大類。

3.1 指標的選取

以下指標都是針對承壓含水層而言，自然脆弱性方面選取干旱指數(x1)、年平均降雨量(x2)、隔水頂板厚度(x3)、含水層厚度(x4)、貯水系數(x5)和滲透系數(x6)6個指標。x1說明了氣候干旱程度，其值是年蒸發能力和年降水量的比值;x2與地表水的補給有直接關系，都側面反映出是否會大量開采地下水的可能；x3、x4和x5反映了揚州市區地下水資源的豐富程度，主要體現含水層儲水蓄水能力；x6代表土的滲透性強弱的定量指標。本文通過對3個含水層井進行抽水試驗或注水試驗取得滲透系數，范圍是9.10×10-4～3.25×10-1cm/s，基于滲透系數所得到的注水系數為1.22×10-3～6.42×10-2。

人為脆弱性方面選取人均地下水資源量(x7)、地下水開發利用率(x8)、地下水占用水比例(x9)和植被覆蓋率(x10)4個指標。x7是通過Feflow軟件進行數值模擬計算取得，3個承壓含水層可開采地下水資源量共1 288.61×104m3/a，城市規劃區人口以2003年計約為118.59萬，則人均地下水資源量為10.86m3/a。x8和x9反映了人類活動影響下地下水資源的配置和開發利用程度[6]。x10在一定程度上與防止水土流失有關，地表枯枝落葉層對水土有保持作用，地下根系可提高土壤抗沖性。

承載脆弱性方面選取人口密度(x11)、人口增長速度(x12)和工業萬元產值用水量(x13)3個指標。這三個指標主要從人類社會對水的需求的角度反映人類社會活動給水資源系統帶來的壓力。

表1 地下水資源脆弱性評價指標

3.2 評價指標分級標準

對評價指標采用常用的5級100分制劃分等級，根據評價區域各評價單元指標的現狀值進行評分(表1)。指標采用等間距分級方法確定分級臨界值，即先確定各指標數值的極差，將其除以5得到分級的級差，然后確定分級臨界值，具體詳見曹茂林的層次分析法確定評價指標權重及Excel計算[7]。在江蘇省或者全國范圍內考慮各指標數值的極值分布，進而確定各指標的極差。

3.3 權重與一致性計算

(1)構建判斷矩陣。判斷矩陣是一個正交矩陣，左上至右下對角線位置上的元素為1，其兩側對稱位置上的元素互為倒數，其中xij>0，xii=1，xij=1/xji(其中i，j=1，2，…，n)。本次研究n=13，根據九級標度法進行78次比較，其構造矩陣見下面公式(1)。

(1)

(3)一致性檢驗。當一致性指標CI<0.1時認為層次排序結果符合一致性要求；當CI>0.1時，需要重新調整各指標的權重取值，直到獲取一致性為止。式中CI可以用式(2)計算

CI=(λmax-n)/(n-1)=(14.069 4-13)/(13-1)=0.089 1

(2)

式中：λmax為最大特征根，n為判斷矩陣階數，表2為重復計算1 000次得出的RI值[7]。一致性檢驗是通過一致性指標CI與平均隨機一致性指標RI之比求出隨機一致性比率CR，即

CR=CI/RI=0.089 1/1.56=0.057 1<0.1

因此地下水資源脆弱度(V)采用綜合指數加權求和模型計算，即

(3)

式中，fi為各評價指標原始數據經過分級打分所得的數值; wi為各因子相對地表水資源脆弱性的權重系數; n為指標數，本文n=13; vi為各個指標在脆弱度中所占分值，根據地下水脆弱性評價指標體系V越大，脆弱度就越高；反之，脆弱度就越低，數值大小保持在0～100之間(表2)。

4 結果分析與評價

采用加權幾何平均綜合排序向量法計算得到指標層各評價因子相對于地下水資源脆弱性的權重，各因子的權重計算結果見表3。在眾多評價指標中，地下水開發利用率和地下水占用水比例最大，達到34.10%，人為脆弱性占56.33%，對規劃區脆弱性影響最大。由式(3)可以計算地下水資源脆弱度(V)的值(表4)。從表中可以看出，邗江區脆弱度為40.34，屬于等級Ⅲ，表明地下水資源容易貧乏。廣陵區脆弱度為34.50，屬于等級Ⅱ，表明地下水資源豐富。

表2 地下水脆弱性評價指標

5 結論

利用AHP法確定了深層地下水評價因子的相對權重，其中人為脆弱性權重為0.563 4，自然脆弱性權重為0.258 5，承載脆弱性權重為0.178 1，表明揚州市地下水資源利用方面的人為合理調控行為在降低水資源脆弱性方面的作用比較大；揚州市邗江區的脆弱性屬于等級Ⅲ，表明地

表3 評價因子權重

表4 地下水脆弱性分區

下地下水資源容易貧乏；廣陵區的的脆弱性屬于等級Ⅱ，表明水資源豐富。

[1]DOERFLIGERN,JEANNINPY,ZWAHLENF.WatervulnerabilityassessmentinKarstenvironments:anewmethodofdefiningprotectionareasusingamulti-attributeapproachandGIStools[J].EnvironmentalGeology,1999，39(2)：165-176.

[2]鄒 君，劉蘭芳，田亞平，等.地表水資源的脆弱性及其評價初探[J].資源科學，2007，29(1)：92-98.

[3]匡 洋，夏 軍，張利平，等.海河流域水資源脆弱性理論及評價[J].水資源研究，2012(1)：320-325.

[4]黃友波，鄭冬燕，夏 軍，等.黑河地區水資源脆弱性及其生態問題分析[J].水資源與水工程學報，2004，15(1)：32-37.

[5]張成元，趙葦航.揚州市區深層地下水資源及其開發利用[J].揚州師院學報，1991，11(4)：58-64.

[6]李章林，賈仁甫，鄧 勇，等.揚州市水資源開發利用現狀及管理對策[J].江蘇水利，2015(5)：34-36.

[7]曹茂林.層次分析法確定評價指標權重及Excel計算[J].江蘇科技信息，2012(2)：39-40.

(責任編輯 王利君)

Evaluation of deep groundwater resources Yangzhou based on AHP

WANGHongmei1，HUANGYong1，WANGLili2

(1.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.HydrologyandWaterResourcesSurveyBureauofJiangsuProvince,Yangzhou225002,China)

Vulnerabilityofgroundwaterresourcesisthebasisforregionalwaterresourcesplanningandmanagement.Inviewofthecurrentlackofeffectiveevaluationofgroundwaterresources,thegroundwaterresourceswasevaluatedbytakingtheYangzhouCityPlanningArea(Guangling,HanjiangDistrict)asexample.Basedonthecharacteristicsofgroundwaterresources,hydrologicalandgeologicaldata,thirteenindexeswereselectedastheassessmentindexsystem,AndtheAHPwasusedtodeterminetheindexweightandfinishtheconsistencyanalysis.TheresultsshowedthatthegroundwatervulnerabilitygradeofYangzhouurbanplanningareaisⅡ-Ⅲ,thegroundwaterresourcesarerelativelyrich.

groundwaterresources;vulnerability;indexsystem;AnalyticHierarchyProcess;Yangzhou

1673-9469(2016)04-067-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.015

2016-07-13

國家重點實驗室專項經費資助項目(20145027312)

王紅梅(1991-)，女，安徽馬鞍山人，碩士，研究方向為水文地質。

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