上海市深井健康狀況評估方法研究

傅旭升，羅濟穩，蔡 盛

（1.上海市供水管理事務中心，上海 200081；2.上海市巖土地質研究院有限公司，上海 200072）

目前國內外尚未報道專門針對地下水深井進行系統性健康狀況評估的案例。中國水資源分布不均，還存在水質問題，因而地下水開采由來已久。由于早期地下水過度開采，導致許多大城市地面沉降頻繁發生，并逐步向中小城市蔓延。20世紀末至21世紀初，為控制地面沉降，又新建一批專灌井及應急（兼回灌）深井，近十幾年來隨著環境保護日益重視，又建設了一批水質監測井。至此，地下水深井建設規模已相當龐大，而如何管理和維護這些深井，對深井進行健康狀況評估，成為當下較為緊迫需要解決的問題。

本次針對目前國內深井現狀，以長三角最為典型的上海市為例開展深井健康狀況評估方法研究，為后續工作的展開提供技術參考。

上海位于長江入?？?，屬長江三角洲平原，第四系沉積厚度大，地下水資源豐富，歷史上因地下水大量開采，引發了嚴重的地面沉降問題。為此，在控制地下水開采的同時，開展地下水人工回灌，對地面沉降防治起到了積極作用[1]。

地下水的開采與回灌，都是通過深井實現的，從20世紀60年代至今，上海市建成使用的地下水開采井、回灌井、應急供水井、民防戰備井及各類地下水監測井達二三千口，目前仍在使用的也有數百口。為有效利用各類深井，并進行精細化管理，提高深井運行效率和延長深井使用壽命，迫切需要對現有深井開展健康評估。

1 評估方法確定

1.1 評估方法分析

根據歷年來的工作經驗及地下水深井的實際情況，地下水深井評估涉及的評價指標繁多，既有量化指標又有非量化指標，如何將不同類別的單因素評價指標對深井評估的影響進行有效綜合，從而達到對地下水深井全面評估顯得尤為重要。

多因素綜合評價中對某對象進行評價時一般依據多個屬性，將綜合評價值假定為各屬性的線性組合。因此，合理確定線性組合系數，即各屬性權重，是進行多因素綜合評價的前提。各屬性權重的確定需要用到數據列自身的信息以及數據列的相互關系。數據列自身包含的信息越多則該屬性權重越大，反之其權重越小[2]。

如表1所示，不同方法對同一套數據賦予權重其結果并非一致，同一種方法對同一套數據賦予權重處理過程不同其結果也存在不同。因此，深井健康狀況多因素綜合評價中，合理指標體系的構建和合理指標權重方法的選擇是得出合理研究結論的關鍵，權重的確定直接影響數據結果進而影響研究結論。

表1 多因素綜合評價中多屬性權重賦值方法分類Table 1 The classification of multi-attribute weight assignment methods in multi factor comprehensive evaluation

1.2 評估方法選取

深井健康狀況評估（以下簡稱“評估”）是整個地下水深井工程至關重要的組成部分，而評估方法優選又是地下水深井評估的重要環節之一，評估方法選擇是否得當，對評估能否達到預期效果有決定性影響。而評估方法的選擇受多種因素的影響，總結為四大類，即初始狀態技術因素、維護保養技術因素、管理因素和經濟因素。

通過上述分析，本次評估方法選擇層次分析法（AHP）[3-4]與模糊綜合評價法（FCE）[5-7]相結合的方法。

2 評估因子分析

根據上海市已有地下水深井及歷年來的工作經驗及資料收集和歸納總結，再通過咨詢行業專家意見，本次評估包括四大類，即初始狀態技術指標、維護保養技術指標、管理指標和經濟指標，總計15個評估因子，詳見表2所示。

表2 深井健康狀況評估因子選取Table 2 Selection of evaluation factors for deep well health

3 深井健康評估

3.1 構建判斷矩陣

（1）構建一級矩陣A-B

構建層次A-B判斷矩陣如下：

將判斷矩陣每一列正規化的矩陣按行相加及按行歸一化：

采用MATLAB軟件計算A*WA結果如下：

再進一步計算得：

CI = (λmax-n) / (n-1) =0.043。

根據層次分析法相關表格可查得RI對應取值為0.89，

CR = CI / RI = 0.048 < 0.1

因為CR＜0.10，所以判斷矩陣A滿足一致性，說明權重分配是合理的。各項指標權重分配如表3。

表3 深井健康狀況評估一級評價權重分析Table 3 The weight analysis of first level evaluation of deep well health status evaluation

（2）構建二級矩陣B-C

同理可計算得到二級矩陣B-C權重如表4。

表4 深井健康狀況評估二級評價權重分析Table 4 The weight analysis of two level evaluation of deep well health status evaluation

3.2 構建評估指標隸屬矩陣

根據評估方法，可得到隸屬矩陣如表5所示。

表5 深井評估等級及指標隸屬度Table 5 The grade and index membership degree of deep well evaluation

3.3 二級模糊評價

根據相關公式S=W?R，可得：

S1=[0.548 0.295 0.157 0]

S2=[0.547 0.315 0.138 0]

S3=[0.497 0.319 0.184 0]

S4=[0.545 0.305 0.150 0]

3.4 一級模糊評價

由此可得本次深井健康評估模糊評價效果A，結果為：模糊評價效果A=0.534,深井健康評估為優秀；模糊評價效果A=0.314,深井健康評估為良好；模糊評價效果A=0.152,深井健康評估為合格；模糊評價效果A=0,深井健康評估為差。

3.5 綜合評估

（1）綜合評估因素集

綜合評估因素集即指標體系，根據深井健康狀況評估技術要求，地下深井工程進行綜合評估時，需在初始狀態技術指標、維護保養技術指標、管理指標、經濟指標四方面進行評估，具體評估指標如表2所示。

（2）綜合評估評語集

地下水深井工程綜合評估評語集V，在本文中分為優秀（V1）、良好（V2）、合格（V3）、差（V4）四個等級，采用百分制將四個等級進行量化表示：

深井評估相關標準及含義詳見表6，評價結果指標如表7。

表6 深井健康狀況評估標準及含義Table 6 The evaluation criteria and meaning after deep well health status evaluation

該方法存在一個隸屬度等級評價確定與實際應用中不相適應的問題，若直接套用該方法，例如某口井完全符合Ⅰ級優秀等級，按照前述流程及表7隸屬度等級計算結果如下：

表7 深井健康狀況評估指標等級評價Table 7 Grade evaluation of deep well health status evaluation indexes

F=A·V=[0.534 0 0 0]·[100 80 65 50]=53.40 分

同理可得良、合格和差級別分別為25.12分、9.88分和0分。

計算結果與日常分級（表6）不一致，故需要對隸屬度等級評價進行優化調整，使之與日常使用的評估等級一致，優化后的隸屬度等級如表7右側所示。

通過該優化后的計算可得：優秀100~80分、良好80~65分、合格65~50分、差50分以下，與日常使用分值劃分一致，認為該優化是可行的。

4 深井案例分析

4.1 基本情況

上海第五承壓含水層某應急供水深井，同時也是一座回灌井。其地處青浦區，所處含水層為早更新世早期中段（Q1

1-2）河流相沉積。在大盈—香花橋—方家窯—徐涇一線以南因基巖隆起，含水層缺失，該線以北地區含水層發育較好，其頂面埋深為242~245 m，厚約15~20 m。巖性為灰色、褐黃色細中砂，富水性在趙屯、華新、鳳溪一帶較好，單井涌水量為1000~3000 m3/d，其他地區小于100 m3/d。區內水質均為礦化度小于1g/L的淡水。

4.2 案例評估

（1）初始狀態技術指標評估

該回灌深井井深為270 m，管徑Φ325 mm，地層巖性為灰色細中砂—灰色細砂—灰色黏土夾砂。野外鑿井施工于2014年3月19日開始，2014年4月1日完成抽水試驗，歷時14天，并順利通過驗收。

該深井成井質量較好，成井材質為較耐用的鑄鐵管，濾水管為纏銅絲濾水管，井管完好程度無毛刺，符合相關要求。洗井后水路暢通，渾濁度小于1/20萬，靜水位-29.7 m，動水位-37.3 m，出水量Q=105 m3/h，降深7.6 m，單位涌水量13.8 m3/h·m，沉渣小于0.20 m，各項指標均滿足成井過程的質量控制要求。

（2）維護保養技術指標評估

該深井成井至今已有7年，有專人進行深井保護，至今未出現過大的破損或損壞，水質為淡水。水位呈現逐年上升趨勢，至2021年靜水位上升到-14.40 m，各年度水位上升情況如表8所示。該回灌井年度最大可回灌量整體較好，呈現整體緩慢降低的趨勢，符合深井回灌變化規律。而根據圖1地下水位變化趨勢圖可知，上海市整體地下水位在近十幾年來一直處于上升趨勢，與某回灌深井區域地下水位變化趨勢基本吻合。

表8 某回灌深井各年度地下水位與回灌量Table 8 The groundwater level and recharge amount of a reinjection deep well

圖1 上海市歷年地下水各含水層水位變化趨勢圖Fig.1 The water level change trend of groundwater aquifers in Shanghai over the years

（3）管理指標評估

該井因地下水微生物及物理化學反應[8-9]，對深井泵造成一定的腐蝕作用，故進行過兩次深井泵的更換，目前采灌設備狀況運行正常，每年均對該深井進行維護保養，對老舊破損電線等相關附屬設備進行更換。由于上海市整個區域地下水位的連年上升，地下水回灌總量有所下降，但是回灌功能一直得到保持，各年度回灌信息均有相應資料記錄和管理，符合相關要求。

（4）經濟指標評估

該井位于青浦某基地培訓中心內，目前該基地周邊環境未發現有危險源存在，對環境影響小，在可控范圍內。作為地面沉降防治設施之一，該深井利用率較高，每年均有不定量的回灌指標要求，均能正?；毓?，未發現明顯故障問題，作為長期投資項目，該深井目前運行、維護等各項指標均符合相關規范要求。

4.3 評估結果

通過各評估因子符合性檢驗，得出該基地培訓中心深井基本符合各項指標要求，各指標符合性參照表7，C1~C8、C11~C15的隸屬度均為1.000，屬I級的優，C8~C9兩項的隸屬度均為0.700，屬II級的良。

因此，依據上海市深井健康狀況評估方法進行綜合評價，該深井健康狀況達到良好以上，評價結果F為：

F=AT·V=[0.784 0.151 0 0]·[100 80 60]=90.48 ＞ 80

綜合評價結果表明，本次深井健康狀況評估達到了“優秀”等級，即該深井在成井初始狀態技術指標、維護保養技術指標、管理指標及經濟指標等各方面措施相對到位，運行效果較好，與實際情況基本一致，表明該模型在地下水深井評估中具有較好的適用性，評估結果可作為地下水深井維護保養及相關處理的技術依據，有利于地下水深井資源的優化配置。

5 結論與建議

5.1 結論

（1）根據本次選取的評估方法及評估因子，對地下水深井的評估是切實可行的，可以作為上海市深井健康狀況評估的參考依據。

（2）采用該模型進行深井健康狀況評估減少了人為主觀性，使模型更加符合客觀實際。

（3）通過具體實例對建立的基于模糊數學與層次分析的多因素綜合評判模型進行了檢驗，結果證明該方法是合理的、可行的，選出的最優評估方法是與實際相吻合的，評估結果可作為深井健康狀況評估的技術依據。

（4）從所采用的多因子評估方法特性而言，該方法不僅對上海深井健康狀況評估有效，對其它深井或類似多因子模糊評估均有一定的借鑒和指導作用。

5.2 建議

為加強精細化管理，提升深井維護的運行效率和延長深井使用壽命，通過本次對上海市深井健康狀況評估方法研究，提出如下二點建議：

（1）地下水深井應定期進行一次全面的健康狀況評估，為深井的維護保養或進一步處理提供動態依據。

（2）對初始狀態技術指標、維護保養技術指標、管理要求及經濟合理性均較差的地下水深井，建議委托有資質的單位進行進一步的處理維護或封填。