鐵嶺市地下水功能綜合評價

黃 艷

（鐵嶺市南城子水庫有限公司，遼寧 鐵嶺 112300）

隨著經濟的快速發展以及人口的增長、城鎮化的快速推進，地下水的資源供給功能越來越引起人們的重視，而對地下水支撐地質及生態環境的功能考慮較小，地下水過度開采致使地質和生態環境等一系列問題日趨突出[1]。地下水功能是指人類社會及生態環境受地下水數量和質量變化所產生的影響，主要涉及生態和地質環境、資源功能，其中地質環境功能體現了對水文地質的支持作用，地質環境隨地下水的變化而變化，如地面塌陷或沉降等；生態功能體現了地下水維持地表觀賞性名泉、濕地、植被、湖泊的作用，地表生態環境也會隨地下水的改變而變化；資源功能體現了地下水具有開采、儲存和補給條件，正常循環更新及被消耗后可有效穩定補給的能力。

2005年水利部結合地下水的水質狀況、水資源情況、水文地質條件和規劃期內水資源配置，以水文地質單元的界線和行政區邊界為基礎，劃分切割地下水功能區及其基本單元，組織編制《地下水功能區劃技術大綱》，如高爽、塘蘊、朱亮等評價了內蒙古松遼流域、吐魯番市及神木縣地下水功能；2006年國土資源部詳細論述了地下水功能評價的標準、研究對象等，組織編制《地下水功能評價與區劃技術要求》，如張光輝等充分考慮地下水實際情況選擇合適的評價因子和方法，以空間分析技術及因子權重值為依托評價地下水功能；李學成、李秀明、鄧吉強等綜合利用GIS空間分析技術和層次分析法評價雞西市、遼河平原、柴達木盆地的地下水功能[2-8]。因此，國土資源部和水利部的方法存在一定差異，水利部門的區劃方法簡單，以地下水主導功能為主，仍需深入研究相關理論基礎；國土資源部的理論完善，利用數學法評價區域地下水功能，但工作量大且涉及指標多。

目前，針對權重計算方法及地下水功能評價效果的研究較少，為充分利用指標數據信息以及兼顧指標重要性的判斷，文章利用極差最大化法有效結合主、客觀賦權法的優點計算組合權重，通過計算權重平均值和權重結果的相對偏差反映主、客觀賦權法和極差最大化法的準確性，通過評價鐵嶺市地下水功能驗證極差最大化法的適用性及可行性，旨在為充分發揮地下水功能及其科學管理提供參考依據。

1 研究方法

1.1 基本流程

依據《地下水功能評價與區劃技術要求》歸納總結地下水功能評價流程：①以水文地質特性劃分研究區地下水系統評價單元；②遵循可操作性、可度量性和主導性等原則，結合區域實際情況選擇合適指標構建地下水功能評價體系；③經歸一化及無量綱化處理，計算各評價單元指標值；④計算指標權重和綜合評價值，并按照等級標準劃分評價等級，功能評價等級如表1；⑤采用Arc GIS 軟件和各單元評價等級，繪制生成研究區地下水功能等級圖。

表1 地下水功能等級劃分

1.2 權重計算

目前，比較常用的權重計算方法有組合賦權法、主觀或客觀賦權法[9]。實際上，主觀權重是一種考慮決策者知識經驗判斷各指標重要性，以此為基礎賦予相應的權重，主要包括專家調查法、層次分析法等；客觀權重是一種通過統計參評指標所包含的有效信息量計算的權重，又稱為信息量權重，指標差異程度越大則所包含的“分辨信息”越多，權重也就越大，主要包括熵權法、因子分析法、主成分分析法和變異系數法等。為解決單一使用主觀或客觀賦權法存在的不足，客觀修正主觀法、極差最大化法、乘法和加法合成法等組合賦權法的研究應用日趨廣泛。

1.3 極差最大化法

目前，研究應用較多的權重計算方法是主客觀組合賦權法，因具有計算簡便、物理意義明確等特點，文章擬利用極差最大化法計算組合權重。采用層次分析法、熵權法作為主觀和客觀賦權法，對參評指標組合權重應用極差最大化法進行計算。實質上，極差最大化法就是將組合權重的上下限約束作為主、客觀賦權法計算的最大和最小權重值，其計算流程如下：

1）步驟1：單一賦權法。對k個參評指標利用m種賦權法進行計算，從而構造權重矩陣A：

式中：aij為參評指標i用第j種賦權法計算的權重，其中i=1，2，…，k；j=1，2，…，m。

2）步驟2：組合權重區間。根據權重矩陣A可以明確組合權重a=(a1，a2，…，ak)的取值區間，代表參評指標i的組合權重。

3）步驟3：組合權重。采用極差最大化法計算各參評指標組合權重，即：

式中：s2、xi、ˉx 為綜合評價值方差、參評指標i的初始值和平均值。

步驟4：綜合評價值。根據以上計算結果，利用下式計算評價各單元地下水功能，即：

式中：xin、Rn為評價單元n種參評指標i的初始值及其綜合評價值。

2 實例應用

2.1 區域概況

鐵嶺市位于遼寧省北部，松遼平原中段，地處E123°27′～125°06′，N41°59′～ 43°23′之間，總面積12985km2，轄鐵嶺縣、開原市、昌圖縣、西豐縣、調兵山市、銀州區、清河區、經濟開發區。鐵嶺市地勢大體是東高中低、北高南低、西部稍高地貌輪廓，中山地丘陵占40%，平原占45%，河流及其他約占15%，以遼河平原淺層地下水分布區域作為評價范圍。2021年，全市水資源總量28.40億m3，比多年平均值25.59億m3多11.0%，其中地表水19.58億m3，地下水13.12億m3，重復計算量4.30億m3。2021年降水量785.8mm，折合水量102.04億m3。平原區地下水位有所上升，增幅最高達到3.33m，相較于上一年上升1.37m，相較于多年平均上升0.19m。當前，鐵嶺市面臨著水污染日趨嚴重、地下水超采、供需矛盾家具、用水需求增長即水資源衰減等一系列水問題。

2.2 單元劃分

將評價范圍利用Arc GIS 軟件劃分成分辨率2km×2km 的基本單元，可以劃分成515 個基本單元，評價指標值的載體取網格中心點文件。

2.3 構建評價體系

根據評價區實際情況、指標篩選原則及《地下水功能評價與區劃技術要求》，合理選擇參評指標[17]。其中，資源功能一般體現在水質、可利用量、儲存量和補給量等方面；生態功能體現在潛水礦化度、潛水水位埋深及表層土類型等方面，考慮到評價范圍內與地下水無明顯有關的地質環境問題，選擇地下水補給變率與水位變化比指標和地下水質量與水位關聯度來反映地質環境功能。因此，從地質環境、生態、資源等角度選擇14 項典型指標，并考慮各功能層、屬性層與各項指標的從屬關系建立地下水功能評價體系，如表2 所示。

表2 地下水功能評價體系

其中，參照《地下水功能評價與區劃技術要求》計算各定量指標值，結合評價區域實際情況和技術要求提供的分級標準確定各定性指標值。

2.4 權重分析

在評價地下水功能時，主觀賦權法一般適用于只能定性表示且缺少數據的指標，可發揮決策者的知識經驗優勢合理確定權重；對于定量指標可使用主、客觀兩種賦權法，其中客觀賦權法能夠合理利用參評指標所包含的數學信息計算權重。考慮到研究選取的指標能夠定量計算，故利用1～9 標度層次分析法(主觀賦權法)、熵權法(客觀賦權法)和極差最大化法計算主、客觀權重和組合權重，計算組合權重時m=2、k=14，權重結果如表3 所示。

表3 不同功能分級所占比率

表3 各參評指標權重值

由表3 可知，層次分析法計算權重最大偏差對應的指標為C1，相對偏差絕對值處于5%～53%范圍；熵權法計算權重最大偏差對應的指標為C7，相對偏差絕對值處于1%～100%范圍；極差最大化法計算權重最大偏差對應的指標為C7，相對偏差絕對值處于4%～50%范圍。因此，極差最大化法的累計偏差值最小，權重相對偏差絕對值范圍最小。所以，采用極差最大化法計算的權重更加科學合理，更能夠保證地下水功能評價的準確度與合理性。

2.5 評價結果

對各單元地下水功能按照前文所述方法和流程進行計算評價，然后向各單元點輸入綜合功能及各功能評價值，并按分級標準合理劃分等級，計算不同功能分級的面積占比，如表3 所示。

結果表明，資源功能強的區域集中分布于開采程度較低、水量豐富的南部及西部，南部的水質較好整體達到Ⅱ類水標準，具有較好的降雨入滲補給條件，具有良好的集中開采條件；資源功能較強的區域集中分布于水質較好、水量較豐富的中部及北部亮子河沿岸，水質可以達到Ⅱ、Ⅲ類標準，具有一定的適度開采條件；研究區的東、西兩側地下水資源功能一般，而人類活動劇烈的中部鄉鎮區地下水資源功能以弱、較弱為主，資源功能受人類開發利用影響從強變弱，水質、水量軍有所減少，一般不具備大規模開采條件。

生態功能較強、強的區域集中分布于西部遼河右岸諸小河沿岸及西北部，該區域的植被覆蓋較高，這與地下水支撐生態用水密切相關，另外遼河右岸諸小河沿岸地下水埋深處于0～5m 之間，埋深較淺易發生土地鹽漬化，應加強地下水位控制；生態功能較弱、弱的區域集中分布于中部地區，該區域地下水埋深處于20～50m 之間，其維持生態環境功能較弱。

地質環境功能較強、強的區域集中分布于亮子河沿岸區域，該區域屬于經流區和排洪區，地下水埋深一般不超過5m，對外界具有較高的響應程度，在排泄、補給過程種地下水位明顯變化，不具備大規模開采條件；地質環境功能較弱及一般的區域集中分布于徑流條件較好的南部及中部，該區域屬徑流區和補給區，對外界具有較低的響應程度，具有一定適當開采條件。

地下水綜合功能強的區域集中分布于開采潛力較大、水質較好、地下水資源豐富的西部地區，其地質環境功能和資源功能強，并具有較強的生態功能；地下水綜合功能較強的區域少量分布于西北部、集中分布于西南部，該區域的情況較為復雜，地質環境及生態功能較弱、一般、較強均有分布，資源功能較強或較強；中部地區的地下水綜合功能一般，地質環境功能一般、較強或強，生態功能較弱或一般，資源功能一般；東部亮子河沿岸及北部的地下水綜合功能較弱，地質環境功能弱、較弱或一般，生態功能一般或較強，資源功能較弱；中部人類活動聚集區的地下水綜合功能弱。

總體而言，鐵嶺市地下水功能整體較好，其中弱及較弱區域所占比例為22.87%，較強及強區域所占比例為41.90%，研究區具有較高的地下水開發利用潛力。然而，在開發利用地下水時要嚴格控制水位波動幅度和開采規模，以防地下水系統衰退可能引起的地質環境、生態退化等一系列問題，維持地下水健全的地質環境、生態、資源功能及其良性循環。

經對比分析，評價結果能夠真實反映研究區地下水實際情況，極差最大化法保證了地下水功能評價的科學合理性，具有較強的適用性與可靠性。

3 結 論

通過比較極差最大化法(組合賦權法)、熵權法(客觀賦權法)和層次分析法(主觀賦權法)計算結果可知，極差最小化法計算的權重更加科學合理，相對偏差明顯小于其它兩種方法。

在鐵嶺市地下水功能評價中引入極差最大化法，評價結果能夠真實反映淺層地下水功能，對評價指標權重計算具有較好的適用性。結合評價結果，評價區西部的地下水開采潛力較大、水質較好，地下水較豐富，綜合功能達到“強”等級；西南部地下水具備一定的適度開采條件，綜合功能達到“較強”等級；中部地下水資源功能較弱，為維持健全的地下水功能及地下水的良性循環，應加強對該地區地下水的開采利用控制。