基于層次分析法的上海地下水超采區劃定研究

何 曄

（1. 上海市地質調查研究院，上海 200072，2. 自然資源部地面沉降監測與防治重點實驗室，上海 200072，3. 上海地面沉降控制工程技術研究中心，上海 200072)

地下水作為水資源的重要組成部分，既是維系區域生態環境的重要自然要素，也是保障社會穩定不可替代的基礎支柱。然而全球地下水資源在氣候變化和人類活動的影響下，消耗十分嚴重。近年來隨著城市發展及生活水平的不斷提高，地下水資源的供需矛盾日益突出，而地下水超采問題也日益嚴重，已經引起了諸如地面沉降、地裂縫、水質惡化和生態環境破壞等一系列與地下水超采相關的問題[1-6]。為加強地下水資源管理，保護優質的地下水資源，實現地下水資源可持續開發利用，保障經濟社會可持續發展，需開展地下水超采區劃定工作[7-9]，全面掌握地下水超采區現狀和發展趨勢，加快推進地下水超采區治理。

地下水超采區的劃定方法也越來越趨于多樣化并日益成熟，從最開始單一的開采系數法逐步演變為水位動態法、開采系數法和引發問題法等多種方法[10]。但無論水位動態法、開采系數法還是引發問題法都無法全面反映地下水超采情況，本次利用層次分析法建立上海市地下水超采區綜合劃定框架，對水位變化、開采系數以及開采引發的問題進行綜合分析，以期為地下水超采區劃定及科學合理制定地下水資源保護措施提供依據和參考。

1 區域概況

松散巖類孔隙水是上海地區內主要的地下水類型，蘊含豐富的地下水資源，是本次地下水超采區劃定的對象。按照地質時代、水動力條件和成因類型，將第四系松散巖類孔隙含水層劃定為全新統潛水含水層和微承壓含水層（僅局部分布），上更新統第一、二承壓含水層，中更新統第三承壓含水層，下更新統第四、五承壓含水層。

上海淺層地下水資源的開發利用主要以鄉村分散的土井開采為主，目前全市淺層地下水的開采程度很低，主要為以基坑工程為主的工程建設活動的降排地下水量。全市地下水資源開發利用以深層承壓水（第二至第五承壓含水層）為主。自市區1860年開鑿第一口深井以來，深井井數及其年開采量曾一度持續增長，1965年之前，全市開采量達1.35～2.03億m3/a，達到歷史的高峰，導致市區嚴重的地面沉降災害，因此1965年后進行壓縮開采，至70年代末開采量相對穩定，80年代后，需水量猛增的跡象加劇，而且在開采層次及地域上有所變化；隨著集約化供水能力不斷增大，目前全市地下水年度開采量持續壓減，且幅度較大（如圖1）。

圖1 上海市承壓含水層地下水開采量歷年變化Fig.1 Diachronic change of groundwater extraction from confined aquifers in Shanghai

2 傳統地下水超采區劃定

根據《地下水超采區評價導則》[11]，傳統地下水超采區劃定主要采用水位動態法、開采系數法和引發問題法三種方法。數據統計分析以行政區域為單元，其中上海市區（黃浦區、靜安區、徐匯區、長寧區、虹口區、普陀區、楊浦區）由于面積較小，合并為中心城區。

2.1 水位動態法

水位動態法是以地下水水位年均下降速率為評判指標進行超采區劃定的方法。因地下水開采造成地下水水位呈持續下降趨勢劃定為一般超采區，淺層孔隙水水位年均下降速率大于1.0m/a或深層孔隙水水位年均下降速率大于2.0m/a劃定為嚴重超采區。

以上海市為例，以2016年為基準年，評價期為2001～2016年，選取了582口地下水位動態監測井，按各行政區統計水位動態變化趨勢，統計結果如表1。

表1 2001～2016年地下水水位年均變化速率統計Table 1 Statistical table of the average annual rate of change of groundwater level from 2001 to 2016

從上表可知，上海市各含水層地下水水位總體呈現上升態勢，僅局部地區地下水水位有略微下降。可知上海市各含水層無地下水位持續下降地區，根據水位動態法，全市無地下水超采區。

2.2 開采系數法

開采系數法是以地下水開采系數為判別指標進行超采區劃定的方法。地下水實際開采量超過可開采量劃定為一般超采區，若年均地下水開采系數大于1.3，則劃定為嚴重超采區。

針對上海市實際情況，淺部潛水和第一承壓含水層地下水長期來未予開發利用，年度無計劃開采指標；深部第二、三、四、五承壓含水層地下水資源豐富且水質較好，是上海市常年開發利用的主采層。為此，根據開采系數法進行地下水超采區劃定時，對于淺部潛水和第一承壓含水層不予考慮地下水超采區劃定。各行政區含水層實際開采量、可開采資源量以及開采系數如表2所示。

表2 2016年上海市第二 三 四 五含水層地下水開采系數統計表Table 2 Statistics of groundwater exploitation coefficients in the second, third, fourth and fifth aquifers in Shanghai in 2016

可知各區各含水層實際開采量均小于可開采量，故根據開采系數法，全市無地下水超采區。

2.3 引發問題法

引發問題法是以地下水開采誘發的生態與環境地質問題為評判指標進行超采區劃定的方法。上海市因地下水開采造成的生態與環境地質問題主要為地面沉降。根據引發問題法，因地下水開采引發了地面沉降則劃定為一般超采區；因地下水開采引發的年均地面沉降速率大于10mm/a劃定為嚴重超采區。

根據表3可知，2001～2016年上海市大部分區域多年平均沉降速率小于10mm/a，只有如崇明東灘新成陸區等局部區域沉降稍大，因此根據引發問題法劃定上海全市為一般超采區。

表3 上海市地面沉降速率統計表（2001～2016年）Table 3 Statistics of land subsidence rate in Shanghai (2001-2016)

2.4 傳統劃定結果分析

由上述結果可知，三種方法得出的劃定結果不盡相同，其中根據水位動態法和開采系數法，上海市無超采區，而根據引發問題法，上海全市為一般超采區。這主要是由于水位動態法和開采系數法更直接反映評價區域當下的地下水位變化和地下水超采情況，而地面沉降相對地下水位變化具有滯后性及不可逆性，上海歷史地下水超采導致的累積地面沉降仍較大，且工程建設，特別是深基坑降水引發的局部區域差異沉降仍長期存在。可知三種傳統方法側重點不一樣，故考慮采用層次分析法建立地下水超采區綜合劃定框架。

3 基于層次分析法的地下水超采區綜合劃定

3.1 層次分析法概述

層次分析法（Analytical Hierarchy Process，簡稱AHP）是美國運籌學家Saaty教授提出的一種多準則決策方法[12]，它是對一些較為復雜、較為模糊的問題做出決策的簡易方法，特別適用于那些難于完全定量分析的問題，在決策工作中有廣泛的應用。

其基本步驟主要為4步，第一步是將最終目標分解成若干層次，如目標層、準測層、資源層和指標層等；第二步是根據專家咨詢，將各層次的各元素進行反復的兩兩比較，確定其權重；第三步是收集真實數據計算各指標值，并得到最終評估系數（取值范圍為0～1）；第四步即在上述計算結果的基礎上進行最后的評估。

3.2 地下水超采區綜合劃定

（1）構建層次體系

以上海市地下水超采區劃定為例，主要分為目標層、資源層和指標層三層。本次以上海市地下水超采區劃定為最終目標，即作為層次體系的目標層；按地級行政區將地下水開采區域作為資源層；參照傳統劃定方法，選取地下水位、地下水開采和地面沉降等作為指標層。

（2）確定權重

一般來說，確定權重是一個冗長的過程，首先需要找到合適的專家組，然后對各層次元素兩兩反復比較判斷，最終得出專家組可接受的一致性結果。這一過程需綜合考慮實際的地下水需求情況、對各項指標的敏感程度、生態地質環境問題以及政策因素等，工作量大且需經費支持。本次在無法滿足前述條件情況下，采取一種較簡單方式分配資源層（Aspects）和指標層（Indicators）權重，公式如下：

其中：WA(i)為第i個資源的權重，WI(i,j)為第i個資源的第j個指標的權重，N為資源數量，Ni為第i個資源的指標數量。

上述分配權重方式，只要確定了資源、指標數量，即可得出相應權重，簡單便捷。本框架資源層共分10個資源即：中心城區、閔行區、寶山區、嘉定區、浦東新區、金山區、松江區、青浦區、奉賢區和崇明區。利用上述方式，即每區域權重為1/10，但與上海實際情況不符，故在其基礎上根據每個區域面積大小并結合《上海市地面沉降控制區范圍劃定方案》（上海市規劃和國土資源管理局、上海市水務局、上海市住房和城鄉建設管理委員會、上海市交通委員會，關于印發《上海市地面沉降控制區范圍劃定方案》的通知，滬規土資礦[2018]155號）中每個區域地面沉降防治重要程度綜合確定各區域權重。

地下水位、地下水開采和地面沉降三大指標很難判斷哪個更重要，故采取上述公式平均分配權重。

（3）計算地下水超采系數

收集真實數據并計算各指標值，最終計算地下水超采系數。系數的取值范圍一般為0～1，當一個系數為0時，即表示某指標下某資源區域地下水超采非常嚴重，為1則表示地下水超采控制的非常好，故系數值越大表示地下水超采控制的越好。最終的地下水超采系數用Ω表示，相應的各資源、各指標的系數為ΩA、ΩI。數據收集計算出的指標值（x）需無量綱化且取值范圍為0～1，ΩI為x的函數。本框架計算地下水超采系數，采用線性方程，各系數計算公式如下：

本次在參照Bui等人方法[13]的基礎上，將地下水超采系數進行分級，如表4所示。在傳統的嚴重超采區、一般超采區和非超采區之外增加了超采臨界區和開采潛力區，提高了地下水超采區劃定的精細度。

表4 地下水超采系數分級表Table 4 Scale of groundwater overexploitation Indices

（4）地下水超采綜合評估

本次三大指標為地下水位、地下水開采和地面沉降，結合上海實際含水層情況，其中地下水位細分為潛水、第一至第五承壓含水層等6個水位變化指標（崇明區一含缺失，只有5個水位變化指標），地下水開采細分為第二～第五承壓含水層等4個開采系數指標，加上1個地面沉降指標，故共有11個小指標（崇明區10個）。為使每個指標與超采系數呈正相關，定義每個含水層水位變化指標為1減去水位下降區域面積占比，每個含水層開采系數指標為1減去開采系數（當開采系數大于1時，取該指標值為0），地面沉降指標為1減去地面沉降區域面積占比。為了便于對比，指標計算所采用數據仍參照前述傳統方法，以2016年為基準年，評價期為2001～2016年。最終得出上海市地下水超采綜合評估結果如表5所示。

表5 上海市地下水超采區綜合劃定Table 5 Comprehensive delimitation of groundwater overexploitation zones in Shanghai

從上表可知，在綜合考慮地下水位、地下水開采及地面沉降的基礎上，上海市最終地下水超采系數為0.656，屬于非超采區，其結果與近年上海市壓采地下水、持續開展人工回灌，各含水層地下水位抬升且地面沉降總體趨緩可控的現狀較吻合。每個行政區除了金山區外都屬于非超采區，金山區雖然地下水幾乎沒有開采，但可能由于受鄰近省份歷史地下水開采影響，部分區域存在地下水位下降，故超采系數值稍低，為0.585，屬于超采臨界區。

4 結論和建議

本文在傳統的水位動態法、開采系數法和引發問題法對比分析的基礎上，基于層次分析法建立上海市地下水超采區綜合劃定框架，統籌考慮地下水位、地下水開采及地面沉降，綜合劃定了上海市地下水超采區。

（1）水位動態法、開采系數法可以比較好的反映評價區域當下的超采情況；由于地面沉降的滯后性、不可逆性，引發問題法更反映評價區域歷史的超采情況；而本次地下水超采綜合劃定框架，統籌考慮了三方面因素，為后續深入研究提供了參考和借鑒。

（2）本次劃定框架資源層權重分配，綜合考慮了上海行政區域面積和各區地面沉降防治重要程度的影響，較符合上海實際情況。

（3）本次僅建立了初步的劃定框架，指標層權重為平均分配，且地下水超采系數計算采用線性函數，后續可結合水資源管理標準、相關政策和專家意見重新調整權重，并根據監測數據進行計算方程擬合，建立標準的地下水超采區綜合劃定體系，使其更符合上海實際情況及政府需求。

（4）目前上海在改善地下水超采程度和控制地面沉降等方面都已取得顯著成效，但地下水位持續抬升，可能帶來一定不良效應，需因地制宜，對地下水實行更精細化、科學化管控，加強地下水采灌動態調節。