基于可變模糊模型的遼寧省地下水安全綜合評估研究

史玉飛

(遼寧西北供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110000)

地下水屬于遼寧省重要的供水水源之一。目前，遼寧省地下水資源開采量占總供水量的比例高達(dá)30%，這其中40%的農(nóng)業(yè)灌溉、30%的生活用水以及30%的工業(yè)用水來自地下水[1]。地下水總體水質(zhì)達(dá)標(biāo)狀況較為不理想，農(nóng)業(yè)面源污染逐步成為影響地下水水質(zhì)狀況的主要因素[2]。地下水資源的開發(fā)和利用，將會對區(qū)域地下水安全產(chǎn)生影響。地下水是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，地下水安全問題一部分是由自然環(huán)境造成，一部分是人為原因產(chǎn)生的[3]。對區(qū)域地下水安全進(jìn)行綜合評估，可以為區(qū)域地下水安全保護(hù)和可持續(xù)利用規(guī)劃提供重要的參考價值[4]。近些年來，圍繞地下水安全的研究不少，不同學(xué)者從不同角度對區(qū)域地下水安全進(jìn)行評估研究。王世界[5]基于HydroGeoSphere模型對遼河沈陽區(qū)域地下水安全進(jìn)行風(fēng)險分析，結(jié)合風(fēng)險評估成果對于沈陽地區(qū)地下水安全進(jìn)行安全風(fēng)險限值的劃定。尉意茹等[6]從理論的角度梳理了對地下水安全保障模式研究的一些要點(diǎn)，分析出一套針對不同水量、不同水位的地下水安全保障模式。李西林[7]對水利工程建設(shè)影響下的松原市地下水水源地安全進(jìn)行評價，通過構(gòu)建適合研究區(qū)地下水水源地安全綜合評價的指標(biāo)體系對10個地下水水源地進(jìn)行了地下水安全評估。艾尼瓦爾·蘇來曼[8]基于熵權(quán)云模型組合對新疆喀什地區(qū)地下水供水安全進(jìn)行評估，評估結(jié)果表明喀什地下水供水安全綜合評價值為0.094 5～0.252。區(qū)域地下水供水總體達(dá)到較安全的程度。劉革等[9]對阜陽市農(nóng)灌區(qū)淺層地下水安全開采量進(jìn)行定量評價，分析表明阜陽市多年平均淺層地下水的安全開采系數(shù)為0.469。劉博[10]對城鎮(zhèn)地下水水源地安全進(jìn)行評價研究，基于改進(jìn)的DPSIR框架建立了適用于我國城鎮(zhèn)地下水水源地安全評價體系。文章結(jié)合可變模糊模型，對遼寧省地下水安全進(jìn)行綜合評估，為遼寧省地下水保護(hù)規(guī)劃具有重要參考價值。

1 可變模糊模型對地下水安全綜合評估

可變模糊模型可綜合考慮不同指標(biāo)的組合權(quán)重，通過構(gòu)建指標(biāo)評價集對區(qū)域地下水安全進(jìn)行綜合評估，評估步驟為：

(1)建立地下水安全綜合評估指標(biāo)集合U={x1，x2，…，xn}；

(2)構(gòu)建評價目標(biāo)集合：V={y1，y2，…，yn}；

(3)對模糊評價指標(biāo)權(quán)重各評價指標(biāo)進(jìn)行構(gòu)建：

F(U)→F(V)，A→AR=B

(1)

式中，R—從評價指標(biāo)集合U到目標(biāo)集合V建立的模糊矩陣，其計算方程為

R=(rij)n×m

(2)

需要對各特征指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，歸一化方程為

(3)

(4)

對于地下水安全綜合評估值B={0.1～0.3}，為不安全狀況；B={0.3～0.5}，為較不安全狀況；B={0.5～0.7}，為較安全狀況；B={0.7～1.0}，為安全狀況。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 遼寧省地下水資源概況

遼寧省多年平均地下水資源量按照第二次水資源評價成果分為平原區(qū)地下水資源量和山丘區(qū)地下水資源量，分別為63.99億m3和67.42億m3，兩個區(qū)域地下水資源開采量分別為55.56億m3和15.91億m3。遼寧省地下水安全主要體現(xiàn)在4個方面，第一是地下水超采量多，總體超采面積不高。遼寧省地下水資源超采區(qū)主要分布在遼河平原區(qū)、遼西地區(qū)以及部分市區(qū)的主要供水水源集中地，地下水超采面積超過2000km2。第二是地下水受海水入侵問題較為突出，根據(jù)《遼寧省水資源公報》，遼寧省海水入侵面積為900km2左右，大連地區(qū)海水入侵比重最大。第三是地下水受到不同程度的污染，鐵和錳是遼寧省地下水污染超標(biāo)的兩個主要因子，根據(jù)《遼寧省水資源公報》統(tǒng)計分析，除去鐵和錳兩個指標(biāo)全省地下水水質(zhì)優(yōu)于III類水體的面積不高于45%，地下水污染形勢不容樂觀。第四是區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉用水方式比較粗放，全省農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉水平低于全國平均值，地下水資源利用率未得到顯著改善。

2.2 評估指標(biāo)體系的構(gòu)建

綜合考慮區(qū)域地下水安全影響的水量、水質(zhì)指標(biāo)，構(gòu)建區(qū)域6個評估指標(biāo)，具體指標(biāo)分別為地下水供水能力指標(biāo)(C1)、地下水開發(fā)利用效率(C2)、地下水污染化學(xué)一般指標(biāo)(C3)、地下含水層的埋深指標(biāo)(C4)、地下水面源污染指標(biāo)(C5)、地下水廢水處理指標(biāo)(C6)。

2.3 指標(biāo)歸一化處理

結(jié)合遼寧省二次水資源評價成果，結(jié)合專家賦分方法對上述指標(biāo)進(jìn)行設(shè)定，見表1，并對6種特征指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理，結(jié)果見表2。

表1 遼寧省地下水安全綜合評估特征指標(biāo)賦值結(jié)果

表2 各區(qū)域地下水安全綜合評估標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理結(jié)果

從遼寧省各市地下水安全評估的特征指標(biāo)可看出，通過對地下水供水能力、開發(fā)利用率、水質(zhì)特征、污水處理能力進(jìn)行綜合賦分，遼寧中部(鞍山、撫順、鐵嶺、沈陽、盤錦、遼陽)城市地下水供水能力和污水處理能力一般較高，但地下水開發(fā)利用率以及水質(zhì)特征指標(biāo)較低，這主要是因?yàn)檫|寧中部屬于遼寧省的工業(yè)區(qū)域，對地下水開發(fā)利用率較高；西部(阜新、錦州、朝陽、葫蘆島)城市地下水供水能力較低，但地下水開發(fā)利用率較高。而對于遼寧東南部(本溪、丹東、大連、營口)城市而言，區(qū)域由于受海水入侵影響，因此水質(zhì)特征賦值較高，而地下水開發(fā)利用率相對較低。考慮到不同指標(biāo)的衡量標(biāo)準(zhǔn)不一致，采用標(biāo)準(zhǔn)化處理方式對各地區(qū)地下水安全綜合評估特征指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，消除不同特征指標(biāo)之間由于評定標(biāo)準(zhǔn)不一致而產(chǎn)生的差異。

2.4 指標(biāo)權(quán)重計算

在進(jìn)行地下水安全特征指標(biāo)值賦值和歸一化計算后，采用信息墑權(quán)模型對各標(biāo)準(zhǔn)區(qū)不同特征指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重值的計算，分析計算結(jié)果見表3。

表3 遼寧省各市地下水安全評估指標(biāo)權(quán)重值

各評級區(qū)域指標(biāo)權(quán)重和特征評估指標(biāo)具有較好的關(guān)聯(lián)性，從指標(biāo)權(quán)重賦值可看出，遼寧東南部城市(本溪、丹東、大連、營口)由于地下水受到海水入侵的影響，因此其地下水污染指標(biāo)的權(quán)重高于其他特征指標(biāo)，而東南部城市地表水資源量均高于西部和中北部城市，故其地下水供水能力指標(biāo)權(quán)重值相對較小。遼寧中北部城市(鞍山、撫順、鐵嶺、沈陽、盤錦、遼陽)由于其地下水埋深一般較大，因此地下水資源屬于主要供水水源之一，其地下水供水能力的權(quán)重值較大，而中北部屬于遼寧省的主要工業(yè)基地，故其地下水污染指標(biāo)權(quán)重也較高，地下水埋深指標(biāo)權(quán)重低于其他特征指標(biāo)。而在遼寧西部城市(阜新、錦州、朝陽、葫蘆島)屬于遼寧省典型干旱區(qū)域，地下水供水能力指標(biāo)權(quán)重較大，近些年來，隨著遼西地下水調(diào)控措施力度的加大，遼西地區(qū)地下水埋深指標(biāo)權(quán)重一般較大。

2.5 遼寧省地下水安全綜合評估結(jié)果

在進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計算的基礎(chǔ)上，結(jié)合可變模糊模型對遼寧省各市地下水安全進(jìn)行綜合評估，評估結(jié)果見表4。

表4 遼寧省各市地下水安全綜合評估結(jié)果

從分析結(jié)果可看出，遼寧省地下水安全綜合評估指數(shù)在空間上呈現(xiàn)從中北部向東南部再向西部逐步遞減的變化分布，東南部城市(本溪、丹東、大連、營口)地下水綜合指數(shù)為0.5～0.7，處于較安全狀況，東南部屬于遼寧省水資源相對豐富的區(qū)域，但大連以及丹東地區(qū)受到海水入侵的影響，地下水水質(zhì)安全受到一定程度的影響；本溪地區(qū)由于地下水開采量高于丹東和大連地區(qū)，因此其地下水量的安全受到影響。西部城市(阜新、錦州、朝陽、葫蘆島)地下水綜合指數(shù)為0.4～0.5，處于較不安全的狀況，西部各城市屬于遼寧省水資源量較低的干旱區(qū)，區(qū)域地下水是其供水水源的重要組成部分，因此其地下水開采量明顯高于其他城市，地下水水量的不安全單一指數(shù)高于地下水水質(zhì)安全評估指數(shù)。中北部城市(鞍山、撫順、鐵嶺、沈陽、盤錦、遼陽)地下水綜合指數(shù)為0.7～0.8，總體處于安全狀況，這主要是因?yàn)檫@幾個地區(qū)地下水相比于西部城市，在總供水量的比重較低，此外，雖然中北部屬于工業(yè)基地，但是由于近些年受地下水雙控措施的調(diào)控影響，遼寧中北部地區(qū)地下水量和水質(zhì)安全保障力度得到一定程度的提升，使得中北部城市地下水安全總體情況較為良好。

3 結(jié)論

(1)各評級區(qū)域指標(biāo)權(quán)重和特征評估指標(biāo)具有較好的關(guān)聯(lián)性，遼寧東南部沿海城市地下水受到海水入侵影響，其地下水質(zhì)安全關(guān)聯(lián)指標(biāo)權(quán)重高于其他城市，而西部城市尤其是朝陽和阜新地區(qū)，地下水是其主要供水水源，受到地下水開采率的影響，地下水量安全關(guān)聯(lián)指標(biāo)權(quán)重一般較高。東部山區(qū)城市由于地表水資源量較為豐富，地下水安全狀況總體好于其他地區(qū)。

(2)遼寧省地下水安全綜合評估指數(shù)在空間上呈現(xiàn)從中北部向東南部再向西部逐步遞減的變化分布，該分布特征和地下水資源量分布具有較為密切的相關(guān)性，此外，海水入侵影響是遼寧沿海城市地下水安全影響的重要因素。