干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃體系指標權重解析

王金哲，張光輝，嚴明疆，田言亮，王 茜

（中國地質科學院水文地質環(huán)境地質研究所，石家莊 050061）

0 引 言

西北內陸平原區(qū)的自然湖泊濕地、天然植被生態(tài)和土地質量對地下水（潛水）埋藏狀況具有強烈依賴性，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、生態(tài)功能較弱，地下水開采對自然生態(tài)影響不明顯；在各盆地下游細土平原帶，尤其自然濕地分布區(qū)，地下水生態(tài)功能較強、資源功能較弱，大規(guī)模開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)保護哪個放在首位、主要影響因素有哪些、如何保護，需科學梳理判斷。因此，科學客觀地識別和圈定地下水的不同屬性主導功能區(qū)，對于西北內陸地區(qū)“水位-水量”雙控嚴格管理地下水開發(fā)利用與生態(tài)有效保護具有重要意義。

能否客觀地識別和圈定不同屬性主導功能區(qū)，關鍵在于地下水功能評價中屬性指標權重置配的合理性，該過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)濟社會屬性。區(qū)域地下水功能研究成果應用于中國經(jīng)濟社會發(fā)展中，主要集中在 2個方面：1）基于水利部下發(fā)的《地下水功能區(qū)劃分技術大綱》（2005年8月）開展的全國性地下水功能區(qū)劃[4-6]；2）基于中國地質調查局印發(fā)的《地下水功能區(qū)評價與區(qū)劃技術要求》（2006年6月）開展的華北平原、東北地區(qū)、山西六大盆地和西北地區(qū)地下水功能評價與區(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)濟社會屬性作為基礎條件加以充分考慮，但都尚未考慮新時代生態(tài)文明建設“尊重自然、順應自然和保護自然”的目標；它們適用區(qū)域性規(guī)劃應用，但難以滿足流域內高精度的地下水功能區(qū)劃，也難以扎實地支撐地下水超采治理與生態(tài)保護的“水位-水量”雙控管理的基本要求。

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

本次研究在地下水功能評價不同層次指標的權重置配上，以層次分析法原理為基礎，結合序列綜合法計算權重值，充分基于地下水系統(tǒng)自然屬性和社會屬性，將不同類型指標的序列數(shù)據(jù)展布規(guī)律作為其權重置配的重要判據(jù)，盡可能減控人為因素的影響，使之更符合西北內陸平原區(qū)地下水資源功能和相關生態(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)地下水功能評價與區(qū)劃體系，對組成其體系的層級指標權重提出具體的量化解析方法，為地下水資源合理開發(fā)和生態(tài)保護針對性管控奠定基礎。

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），地理坐標為 101°22'～104°04'E，37°07'～39°27'N，面積4.06×104km2，水資源開發(fā)利用程度高、用水矛盾集中、生態(tài)環(huán)境問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，更是處于嚴重的荒漠化狀況中，而目前民勤綠洲及整個石羊河流域的生態(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]。長期水資源短缺造成了區(qū)內生態(tài)環(huán)境質量低下的狀況，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 體系構建特征

干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃體系構建基于國家重點研發(fā)項目“我國西部特殊地貌區(qū)地下水合理開發(fā)與生態(tài)功能保護”的大量地下水-生態(tài)-土壤綜合調查、監(jiān)測和綜合研究，以石羊河流域為示范區(qū)，針對西北內陸平原區(qū)水循環(huán)過程、地表水-地下水之間頻繁轉化及地下水形成特點，以流域尺度為基本研究單元，重點考慮了驅動地下水系統(tǒng)功能變化的開采影響，將出山地表徑流水量在向中、下游輸運途徑中引用、轉化為地下水及地下水轉化為地表水等水文效應作為重要研究內容，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生態(tài)環(huán)境維持作用（功能）的關系量化識別。該體系賦予地下水功能評價指標全新的內涵，也就是與2006年提出的“區(qū)域地下水功能評價與區(qū)劃體系”[3,7]指標相比更符合西北干旱區(qū)特征，例如，針對西北盆地或流域內地下水資源補給源主要為地表河流和山前側向補給的特點，地下水補給資源占有率指標的涵義是指“評價分區(qū)地表水和地下側向流入對淺層地下水天然補給資源模數(shù)與研究區(qū)全區(qū)平均補給資源模數(shù)的比率”，而不是原來的“評價全區(qū)當?shù)孬@取補給資源模數(shù)與該系統(tǒng)全區(qū)平均補給資源模數(shù)的比率”。

在總體的層次結構上，“干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃體系”（簡稱“旱區(qū)體系”）與2006年版“區(qū)域地下水功能評價與區(qū)劃體系”基本相同；2個體系之間的不同點主要表現(xiàn)在干旱區(qū)體系要素指標不僅由原來的22個精簡為14個，而且，突出了西北內陸地區(qū)地下水循環(huán)和功能的獨特性，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際狀況，功能層由原來的地下水資源功能、生態(tài)功能和地質環(huán)境功能 3個精簡為地下水資源功能和生態(tài)功能 2個，不再考慮地下水地質環(huán)境功能，其所含的 9個要素指標也不再納入指標體系，將地下水的資源功能及生態(tài)功能作為主要評價目標；2）考慮到西北地區(qū)降水稀少、山前側向補給量大，原指標體系中“區(qū)外補給資源占有率”和“區(qū)內補給資源占有率”整合為“補給資源占有率”，將地下水的資源再生性替代為資源更新性，使指標體系更符合西北干旱區(qū)特征；3）鑒于西北內陸區(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系，地下水生態(tài)功能隸屬的屬性指標由2個增至3個，增加了“地下水對自然濕地景觀維持性”，并新增了“濕地環(huán)境與地下水關聯(lián)度”、“湖泊泉補與地下水關聯(lián)度”、“綠洲覆蓋與地下水關聯(lián)度”和“土地荒漠化與地下水關聯(lián)度”要素指標。刪減、整合后，構成了具有“1A-2B-7C-14D”結構的干旱區(qū)地下水功能評價與區(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”更適宜支撐中國西北內陸地區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃。

在“旱區(qū)體系”中，14項要素指標不完全相同于2006年版“區(qū)域地下水功能評價與區(qū)劃體系”[21]，要素指標針對西北內陸地區(qū)的水循環(huán)和地下水埋藏與功能屬性特征而設置，如表1所示。通過對比文獻[21]可見，“旱區(qū)體系”中的大部分評價指標內涵有所不同，更符合西北內陸地區(qū)地下水及其相關生態(tài)功能的自然屬性特征，奠定了客觀開展干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃的科學基礎。

2.2 體系指標權重解析方法

2.2.1 指標權重解析原理

在干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃體系中，4個層次的任何相鄰 2層的高層，為低層的準則層，由此體系中的屬性性狀層（C層）、主導功能層（B層）和系統(tǒng)目標層（A層）都具有準則的約束作用，為其約束的相鄰底層各指標提供判斷相對重要性的準則要求。不同層級指標都有評價的分級和標準，底層指標評價的分級和標準要滿足相鄰上層指標需求。要素指標層（D層）構成干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃體系的基礎支撐指標底層，全部數(shù)據(jù)來自客觀反映地下水功能某一指標的實際狀況，它的分級標準或權重依據(jù)這些指標與地下水動態(tài)之間的演 變序列規(guī)律而設置。

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

表1 干旱區(qū)地下水功能評價體系組成和要素指標內涵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價與區(qū)劃B、C、D層指標的權重分解，主要采用層次分析和序列綜合分析有機結合的方法。

首先，通過層次分析法將問題層次化。按隸屬關系將體系中相互關聯(lián)的各個要素分解為若干層次，根據(jù)問題性質和欲達到的總目標，將其分解為不同組成要素，并按照因素間的相關關聯(lián)影響以及隸屬關系組成不同層次聚集組合，從而構成一個多層次的分析結構模型[22]。以 1～9的標度對指標之間的相對重要性進行量化，見表2。

表2 指標相對重要性等級表Table 2 Rating scales of relative importantance of index

然后，采用序列綜合法確定權重[23]。將不同層次指標的量化數(shù)據(jù)進行排序，給出對應數(shù)值，而后綜合這些數(shù)值確定權重。序列綜合法定權步驟為：1）明確各指標的物理意義，統(tǒng)一度量單位后，對指標按大小值排序；2）根據(jù)排序結果，給定對應序列值并列表，在此步驟，參考層次分析法標度分級給定序列值；3）計算每一評價因子所有序列值的和，評價因子除以所有序列值的和，得到相對權重；4）相對權重歸一化后得到第i個評價因子的絕對權重。相對權重Wi計算公式為

式中N為指標序列值，i為評價因子的序號。

絕對權重Wk的計算公式為

以石羊河流域為示范區(qū)進行研究時，地下水資源功能要素指標的權重判斷基礎數(shù)據(jù)來源于黃羊、雜木、金塔等13個灌區(qū)及區(qū)內的2個荒區(qū)，屬性指標權重判斷基礎數(shù)據(jù)來源于水文地質參數(shù)分區(qū)的滲透系數(shù)、入滲系數(shù)、給水度和開采系數(shù)，其中武威盆地劃分水文地質參數(shù)分區(qū)24個，民勤盆地19個；生態(tài)功能要素指標數(shù)據(jù)來源于Landsat遙感解譯，以250 m×250 m柵格單元為評價單元，研究區(qū)共劃分為132 895個評價單元。采用上述方法，克服了層次分析法通過構建眾多判斷矩陣確定評價分區(qū)或評價單元指標權重的難題，且無需對眾多分區(qū)指標進行一致性檢驗。

2.2.2 各層指標序列值判別方法

序列值決定指標的權重大小，根據(jù)序列值來源，干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃體系指標序列值的賦值方法可分為2類，一類為要素指標，另一類為功能層和屬性層指標。

1）要素指標

按照關鍵性、關聯(lián)性和系統(tǒng)性解析權重原則，體系中D層14項要素指標的權重都是分別基于其原始基礎數(shù)據(jù)通過歸一化之后，按表3進行各指標序列值賦值。需注意的是，無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]，本次評價采用修正極值標準化方法；然后，根據(jù)表3完成指標序列值賦值；最后，采用序列綜合法的式（1）和式（2）計算各指標權重。

表3 地下水功能評價指標序列值賦值方法Table 3 Assignment method of groundwater function evaluation index sequence

2）功能層、屬性層指標

綜合指數(shù)法可以將多項不同指標轉化為可度量的指數(shù)，適合干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃體系功能層和屬性層指標狀況的評價，也可用于功能層和屬性指標權重判斷的序列值來源。

地下水功能層指標和屬性層指標分別下轄 2個及 2個以上相鄰底層指標，根據(jù)底層指標的權重和參數(shù)計算所得指數(shù)是地下水功能層指標和屬性層指標序列值賦值判定依據(jù)，是權重判斷基礎數(shù)據(jù)。綜合評價指數(shù)R的計算公式為

式中ak為評價參數(shù)的權重，Nk為評價參數(shù)，n為評價參數(shù)的個數(shù)，k為平價參數(shù)的序號。

下面以地下水綜合功能為例進行權重序列值賦值說明，本次研究中

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

式中R生為地下水生態(tài)功能綜合評價指數(shù)，Cs5、C5為地下水對自然濕地景觀維持性的權重和參數(shù)數(shù)值，Cs6、C6為地下水對天然植被綠洲維持性的權重和參數(shù)數(shù)值，Cs7、C7為地下水對農田土地質量維持性的權重和參數(shù)數(shù)值。

R資和R生構成評價區(qū)地下水綜合功能權重判斷的基礎數(shù)據(jù)，R資和R生歸一化后，根據(jù)表3進行序列值賦值，再應用式（1）和式（2）獲取各評價分區(qū)或評價單元R資和R生的絕對權重。

3 案例研究與結果分析

應用上述方法對石羊河流域的武威盆地和民勤盆地不同層次指標權重進行賦值，并通過地下水資源功能和生態(tài)功能空間評價結果進行應用驗證。

3.1 數(shù)據(jù)來源

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價成果、地下水埋深及開采數(shù)據(jù)（2000—2014年）進行地下水資源功能及相關指標權重解析。首先，按地下水資源評價分區(qū)，整理和建立地下水天然資源量、地表水和地下側向流入對淺層地下水天然補給量、可開采資源量、5～12 a逐年及年均開采量、水位埋深及變化幅度和開采程度等相關數(shù)據(jù)，歸一化后得到各要素的基礎數(shù)據(jù)。

采用武威市地質和水務部門地下水埋深長期監(jiān)測數(shù)據(jù)、核工業(yè)航測遙感中心解譯的2016年8—9月份遙感數(shù)據(jù)（Landsat數(shù)據(jù)）和項目組開展的 2017—2019年生態(tài)-土壤-地下水綜合調查資料，作為地下水生態(tài)功能及相關指標權重解析基礎數(shù)據(jù)。生態(tài)功能隸屬要素指標的兩者之間關聯(lián)度作為基礎權重判斷的基礎數(shù)據(jù)。

3.2 要素指標權重解析

3.2.1 資源功能隸屬要素指標權重解析

石羊河流域包括13個灌區(qū)和2個荒區(qū)的分區(qū)數(shù)據(jù)，具體涉及地下水資源功能的8個要素指標（表1），它們相對于相鄰有隸屬關系的高1層屬性指標為正相關關系，即要素指標性能越強，其所屬的屬性指標屬性越強。賦值序列值介于1～9之間（表3），依據(jù)標度分級概念，相對重要性越大，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權重解析結果如表4所示，其他6個指標權重解析形式相同，不再顯示。

在地下水資源功能的隸屬要素指標權重解析中，資源開采程度指標對于相鄰高1層指標的資源可用性，為負相關，即地下水資源開采程度越高，地下水可用性越差。為與地下水資源其他要素指標一致，地下水可用性數(shù)據(jù)取倒數(shù)，然后將歸一標準化值序列轉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權重解析結果Table 4 Weight analytical results of partial subordinate factor indices of groundwater resource function in Shiyang River Basin

3.2.2 生態(tài)功能隸屬要素指標權重解析

石羊河流域生態(tài)功能的要素指標包含 6個，分別為濕地環(huán)境與地下水關聯(lián)度、湖沼泉補與地下水關聯(lián)度、天然植被與地下水關聯(lián)度、綠洲覆蓋與地下水關聯(lián)度、土地荒漠化與地下水關聯(lián)度和土地鹽漬化與地下水關聯(lián)度。基于石羊河流域前期進行的不同類型生態(tài)因子與地下水位埋深之間關系分析，結合干旱區(qū)其他學者相關研究成果[25-29]，建立地下水生態(tài)功能隸屬的要素指標關系表。在各生態(tài)要素指標與地下水關聯(lián)度相關研究中，地下水位埋深為關鍵因子，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，不涉及整個石羊河流域，所以，本次僅劃分“有”和“無”2個等級，其中自然濕地（湖泊）存在的區(qū)域與地下水互為補給關系，地表徑流豐沛時，地表水補給地下水；地表徑流貧乏時，地下水補給地表水，兩者之間關系密切，賦最大值 9。“無”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)地下水位埋深對要素指標的影響狀況，將其與地下水關聯(lián)度劃分為5個等級，其中，地下水位埋深較淺、天然植被生長和覆蓋面積好的區(qū)域，地下水對天然植被的生長有較強的維持作用，權重序列值賦最大值 9，隨著地下水位埋深越來越大，地下水維持天然植被生長的能力逐漸減弱，權重序列值賦值逐漸減小；按地下水位埋深由淺至深變化對植被生長狀況“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聯(lián)度的序列值賦值方法與天然植被與地下水關聯(lián)度賦值方法相同。土壤鹽漬化程度越高，對土地質量劣變影響越嚴重，它與地下水位埋深之間呈負相關關系，即地下水位埋深越淺，土壤鹽漬化程度越高，不利于農田土地質量的維持；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，不利于農田土地質量的維持；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)功能隸屬要素指標權重解析序列值的結果，如表5所示。在表5研究基礎上，按序列綜合法解析生態(tài)功能的要素指標權重。

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

3.3 屬性指標權重解析

3.3.1 資源功能隸屬屬性指標權重解析

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

對于每個評價分區(qū)，每項指標權重的數(shù)值是該區(qū)全部指標權重總數(shù)值的分值，即為該指標在這一分區(qū)相對功能指標的權重值，如表6所示，由于評價分區(qū)較多（43個），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)說明，各評價分區(qū)地下水資源占有性、資源更新性、資源調節(jié)性和資源可用性屬性指標的權重高低取決于原始數(shù)據(jù)，原始數(shù)據(jù)較大，標準化值、權重序列值較大，權重數(shù)值相應也較大；原始數(shù)據(jù)較小，標準化值、權重序列值較小，權重數(shù)值相應也較小。

表6 石羊河流域地下水資源功能層部分屬性指標權重解析結果Table 6 Weight analytical results of partial attribute indices of groundwater resources functional layer in Shiyang River Basin

3.3.2 生態(tài)功能隸屬屬性指標權重解析

干旱區(qū)地下水生態(tài)功能的屬性（C層）指標由地下水對自然濕地景觀維持性、地下水對天然植被綠洲維持性和地下水對農田土地質量維持性組成，它們從不同角度反映不同類型生態(tài)情勢與地下水埋藏條件之間關聯(lián)狀況。地下水生態(tài)功能是這3項屬性指標的約束準則層，即地下水對自然濕地景觀維持性、地下水對天然植被綠洲維持性和地下水對農田土地質量維持性越強，評價區(qū)地下水生態(tài)功能越強，地下水位不同埋深范圍，功能層與3項屬性指標之間的關聯(lián)度不同。根據(jù)項目組在石羊河流域開展的不同類型生態(tài)情勢與地下水位埋深之間關系研究，劃分為5等級（圖3），分別賦值9、7、5、3和 1。對于每個評價分區(qū)，每項指標權重的數(shù)值是該區(qū)全部指標權重總數(shù)值的分值，然后，基于表2判斷各屬性指標權重的排序值序列，由此確定評價分區(qū)各項指標權重。

3.4 功能層權重解析

干旱區(qū)地下水功能層（B層）指標只有2個，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)地下水功能評價與區(qū)劃體系中，地下水的資源功能和生態(tài)功能在權重上同等重要，只是在不同區(qū)帶上由于它們屬性指標存在顯著差異，而決定二者的相對重要性也存在差異，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的補給性、更新性、調節(jié)性和可利用性決定區(qū)內地下水資源功能強，超50 m的地下水位埋深條件下，地下水對天然植被綠洲的維持性差，決定區(qū)內地下水生態(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。

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

基于屬性指標的權重和指數(shù)，應用綜合指數(shù)法，分別求得不同評價（水文地質參數(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），構成相對評價區(qū)地下水綜合功能權重判斷的基礎數(shù)據(jù)。為完成地下水綜合功能評價最終目標，需將 2個功能指標建立空間對應評價關系，建立統(tǒng)一的評價單元。以250 m×250 m為單元劃分標準，將地下水資源功能的評價單元統(tǒng)一剖分細化。評價單元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，賦值方法參考表2。每項功能指標權重的數(shù)值是評價單元中 2項指標權重總數(shù)值的分值，由于評價單元較多（132 895個），僅列舉權重計算值不同的部分評價單元指標，進行解析結果展示，見表7。

3.5 地下水資源功能和生態(tài)功能空間評價成果

基于上述方法判定的各層級指標權重，結合綜合指數(shù)法提供的各指標參數(shù)，得到評價區(qū)地下水資源功能和生態(tài)功能的空間評價結果。根據(jù)地下水功能評價指數(shù)，地下水資源功能和地下水生態(tài)功能的評價結果分為 5級，分別為強、較強、一般、較差和差，對應的評價指數(shù)分別為1.0～0.8、0.8～0.6、0.6～0.4、0.4～0.2和 0.2～0。西北內陸干旱區(qū)在氣候、地質構造、水文地質及生態(tài)分布、水循環(huán)轉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價結果見圖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，生態(tài)功能弱化，地下水資源功能為主導功能。該區(qū)含水層巖性為單層結構，顆粒粗大，厚度超過100 m，地下水調節(jié)空間大；接受出山河流充足補給，水源充足；地形梯度較大，垂直和水平方向循環(huán)快，水質優(yōu)良，地下水更新性和可用性強。地下水資源功能4個屬性指標的基礎值較大，以基礎值參考的權重序列值為8或9，相應屬性指標的權重也較高。地下水功能評價時，權重參數(shù)和基數(shù)數(shù)值較大，決定地下水資源功能指標的綜合指數(shù)較大，以綜合指數(shù)為權重參考基礎的權重相應就高，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有直接聯(lián)系，根據(jù)表1，區(qū)內權重序列值為1，地下水功能評價時，地下水生態(tài)功能指標權重較低，介于0.10～0.11。

表7 石羊河流域地下水功能層部分指標權重解析結果Table 7 Weight analytical results of partial groundwater function layer indices in Shiyang River Basin

細土平原綠洲帶，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為主，少部分區(qū)域為生態(tài)功能較強。該區(qū)含水層巖性為潛水-承壓水多層結構，顆粒由粗到細，地下水調節(jié)空間相對變小；接受來自上游區(qū)地下水補給，以及河道和當?shù)厍喔鹊臐B漏補給，有一定的水源補給能力，同時也為地下水主要開采區(qū)；地形變緩，地下水以水平徑流為主，部分地區(qū)水質受農業(yè)區(qū)化肥農藥或水位下降幅度過大影響有所變化。地下水功能評價時，地下水資源功能指標權重較上游區(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)境與地下水關聯(lián)度、湖沼泉補與地下水關聯(lián)度指標權重序列值分別賦值9，地下水功能評價時，地下水生態(tài)功能權重較高，分別為0.85和0.81；其他地區(qū)權重0.29～0.51。

圖4 石羊河流域地下水功能評價結果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，顆粒更為細小，地下水調節(jié)能力差；中游區(qū)極大消耗后的余量水源補給荒漠區(qū)，水源補給能力差；地形平緩，地下水徑流滯緩，地下水位埋深淺，蒸發(fā)強烈，水質礦化度高，地下水更新性和可用性差。地下水功能評價時，地下水資源功能指標權重較低，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)境與地下水關聯(lián)度、天然植被與地下水關聯(lián)度和綠洲覆蓋與地下水關聯(lián)度指標的權重序列值分別賦值9，地下水功能評價時，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)功能權重0.27～0.71。

上述分析說明，地下水資源功能強的區(qū)域，功能指標權重相應也高，反之亦然，主要由區(qū)內與地下水屬性相關的水文地質要素決定；地下水生態(tài)功能強的區(qū)域，生態(tài)功能指標權重相應也大，反之亦然，由區(qū)內地下水位埋深條件決定。總體來看，山前沖洪積扇區(qū)，地下水資源功能強、指標權重高，生態(tài)功能權重低。中部細土平原綠洲帶，除石羊河濕地保護區(qū)和沖洪積扇緣泉水溢出帶地下水生態(tài)功能強、指標權重高外，其他地區(qū)地下水資源功能一般，指標權重相對應不高。下游荒漠區(qū)，尾閭湖青土湖區(qū)和東部天然植被保護區(qū)地下水生態(tài)功能強、指標權重高，其他地區(qū)地下水生態(tài)功能一般或較差、指標權重較低；整個下游荒漠區(qū)都表現(xiàn)出地下水資源功能差、指標權重低的特征。通過遙感方法核查和地下水-生態(tài)-土壤綜合調查，石羊河流域地下水功能評價結果符合不同區(qū)位地下水本質特征，也符合地下水生態(tài)功能實際狀況。由此說明，本次干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃體系指標權重判定時，從要素指標-屬性指標-主導功能指標-系統(tǒng)目標，基于工作區(qū)不同區(qū)位的地下水資源本質屬性和生態(tài)功能與地下水關聯(lián)性為基礎的功能評價結果不失真實性，權重評判方法合理可行。

4 結 論

1）針對西北內陸平原區(qū)自然濕地和天然植被對地下水埋藏狀況具有強烈依賴性的特點，繼承性構建了適合干旱區(qū)地下水功能評價與區(qū)劃指標體系，與2006版相比，賦予了該體系指標不同的內涵；在由2006年版的22項要素指標精簡為14項的同時，增設了“自然濕地景觀維持性”屬性指標和“濕地環(huán)境與地下水關聯(lián)度”、“綠洲覆蓋與地下水關聯(lián)度”及“土地荒漠化與地下水關聯(lián)度”等要素指標體系。

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

3）石羊河流域地下水資源功能和生態(tài)功能的評價結果與實際狀況相吻合，證明以層次分析法和序列綜合法相結合、依據(jù)不同類型指標的序列數(shù)據(jù)展布規(guī)律作為權重置配主要判據(jù)的權重置配方法合理可行，可為西北內陸地下水合理開發(fā)與生態(tài)保護針對性管控提供支撐。