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展和環境保護中發揮著非常重要的作用，對其進行客觀準確的評價是地下水資源合理開發利用和保護的科學依據。目前，在大多數研究中，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]。它們的優點在于將定性和定量相結合，為決策者提供了對復雜問題進行量化、計算、分析的手段，是十分有效的系統分析和科學決策方法[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。

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STARR實驗室研發的一種評價方法。其不僅具備將定性與定量相結合的特點，還可將消極因素與積極因素都直觀地體現出來。在應用過程中，它還可與空間信息結合，融入地理信息系統，與其他相關信息進行整合處理。該校利用SAVEE方法在森林管理、景觀生態學研究、野生動植物管理、資源規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方法應用于海島空間價值評價研究，認為SAVEE評價法簡單易用，便于與GIS軟件相結合，使評價更加真實可靠。

本文對SAVEE評價方法進行了介紹和分析，并將該方法應用于海島淺層地下水開采適宜性評價研究，希望能為相關領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、數值標準化和結果迭加3個步驟。首先，選取適當的評價因子，并根據其影響的特點和強度，構建相應的標準化方程；然后，將評價因子的相應數值代入標準化方程；最后，將計算結果通過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果。

1.1 數據準備和因子選取

根據評價對象特點和評價目的，收集相關數據資料并選取適宜的評價因子，建立備選因子集。評價因子應保證相應數據的可獲取性和有效性，從而保證評價結果的有效性。

1.2 數據的標準化

SAVEE方法所輸入的數據需進行標準化處理，就是將所有數據通過直接定義或方程計算轉換成在（-1，1）之間的數值。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。定性描述和定量數值的轉化可依據圖1所示進行。但定義時需注意避免把某個因子的影響價值設置為1或-1，因為這會導致某個因子的影響過于巨大而掩蓋了其他因子的影響，這時可采用設置某一因子的重要性系數k來實現。

圖1 定量數值與定性描述之間的轉化

SAVEE評價法常用的標準化方程有標準化方程 I，I＇和 II，II＇。在將數據代入方程進行標準化之前，需要根據客觀實際情況設置數據的最大值A，如最遠距離、最大深度等。最大值需根據所獲得的數據確定或根據實際設置。x為所評價對象的實際值。

標準化方程I為：

標準化方程I＇為：

標準化方程II為：

標準化方程II＇為：

根據A和x的定義，A＞0，0≤x≤A。

選擇標準化方程時，需要對因子的性質進行分析。圖2中繪制了4個標準化方程評價因子值V隨x變化的趨勢（圖中假設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準化方程I；隨x值增加而影響愈加強烈的消極因子可使用標準化方程II＇；隨x增加影響增強的積極因子可使用標準化方程I＇，隨x增加影響減弱的積極因子可使用標準化方程II。

圖2 標準化方程曲線圖,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，將EMYCIN公式所定義的可信度迭加運算轉化為影響因子的迭加運算。這樣，可利用概率論中關于可信度的推斷和結論，使本方法的結論更接近于專家的判斷[10]。

假設A，B兩個因子經標準化后分值為VA和VB，A和B在評價體系中重要性系數分別為kA和kB（0＜kA＜1，0＜kB＜1），迭加因子IA=VA×kA和IB=VB×kB，則SAVEE迭加運算的表達式如下：

多個因子疊加運算可按圖3進行：

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的因子很多，本例僅為說明SAVEE方法的具體應用，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，對于生態環境因素，位彬等[11]在對南長山島植物物種的研究中發現，南長山島開發多年，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系不顯著，因此，本案例中不直接將生態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是收集到的實測數據或根據數據進行的推斷，在實際應用中，可采取調查統計或者根據專家意見咨詢得出。

（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，如大部分海島這樣本身面積較小的區域，水資源調度難度較小，其影響程度可歸為一般，設其重要性系數為0.5。因此，其標準化方程如下：

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，在臨近岸線的地區大規模長時間超采地下水會導致海水入侵，破壞周邊生態環境。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到供水要求，在離岸線較近的區域，距岸線越近，礦化度升高幅度越大。由于礦化度升高導致地下水利用難度增加，同時考慮到其對生態環境影響，本影響因子對地下水開發利用影響較大，其重要性系數設為0.75。因此，其標準化方程如下：

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，超過當地補給量的長期過度開采會造成地下水降落漏斗，在破壞當地環境的同時，也有引發地質災害的可能。深層地下水一般比淺層地下水補給更為困難，也更應得到保護。因此，綜合考慮利用難度和環境影響，將地下水埋藏深度D的影響程度定為強烈，重要性系數設為0.75。因此，其公式可采用標準化方程II＇。

式中：A為地下淡水埋藏最大深度，根據以往研究，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的一個代表性指標。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過處理可直接利用，可直接設定H=0；礦化度在500～1 000 mg/L之間時，已對直接飲用產生不利影響，設定H=-0.25；當礦化度在1 000～3 000 mg/L時，地下水已不宜飲用，但可用于農業，設定H=-0.5；當礦化度高于3 000 mg/L時，地下水需經過水處理裝置的淡化后方可利用，因此設定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鍵性因素之一，其影響程度可定為強烈，其重要性系數設為0.75。當島上水文地質資料較為齊全時，可采用如下標準化方程進行計算：

當含水層富水性采用定性表述時，其取值可采用：強富水：0.75；富水：0.5；弱富水：0.25；貧水：0。

2.3 數據標準化

根據當地地下水分布情況，設置3個開采井位置，通過SAVEE方法，比較3個水井位置的優劣。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。圖中紅色區域為主要用水區域。

（1）水井位置與利用地點間距離S

圖5中紅色區域為住宅、碼頭、企業等分布位置。W1井設置在北部用水區以內，因此與用水區間距取值為0 m；W2井與附近的3個用水區平均距離340 m；W3設置在距離兩個用水區平均590 m。通過標準化方程計算可得，相應的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 南長山島用水區分布及設置水井位置圖

（3）地下淡水埋藏深度D

根據龐忠和等[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

根據龐忠和等[12]的研究，島上除少數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境的研究中也顯示，島上部分區域由于開采強度大、時間長，發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為-0.250。

（5）富水性Q

據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，結果見表1。

2.5 評價結果

經過計算后，3個井的得分分別為W1總分0.272，W2總分 0.323，W3總分-0.077。評價結果均不高，W3為負值，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較遠并且富水性較差，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，在與用水區距離和地下水埋藏深度兩個指標上得分較高，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附近的用水區內，在其他值不變的情況下，其S值可達到0.500，總分可增加至0.441，進一步增加地下水開采的適宜性。

本次評價結果與龐忠和、張志忠等的研究以及在當地鉆探的結果相符，說明將SAVEE方法應用于海島地下水開采適宜性評價是可行的。

3 結論

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向的數值加以表征，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標準化，并通過計算合并，最終得出量化的評價結果。該方法可與空間信息結合并借助地理信息系統進行分析，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用空間。