束龍倉，李姝蕾，王 松，克熱木·阿布都米吉提，魯程鵬，李硯閣，李 偉

1.河海大學水文水資源學院,南京 210098 2.山東省水文局，濟南 250002 3.南京水利科學研究院，南京 210029

0 引言

地下水水源地的安全供水風險可以認為是指地下水水源地達不到預期供水目標的概率。其風險體現(xiàn)在3個方面：一是安全供水會發(fā)生什么樣的事故；二是供水安全事故發(fā)生的可能性；三是事故的后果[1-3]。因此地下水水源地安全供水風險評價體系體現(xiàn)了地下水水源地發(fā)生供水事故、發(fā)生的可能性與事故后果的耦合。在我國北方以及其他干旱半干旱地區(qū)，地下水是主要的供水來源，但是由于人類活動的影響，許多水源地都面臨著一定程度的風險問題。目前地下水水源地存在的風險問題主要有：水量不足，地下水水位持續(xù)下降；水質(zhì)惡化，監(jiān)測管理不當；污染物種類多樣化；突發(fā)污染事故多，應急能力差等[4-9]。巖溶水是地下水的重要組成之一，其不僅是多數(shù)城鎮(zhèn)煤礦業(yè)和生活用水的水源，而且具有重要的人文內(nèi)涵[10]。但是巖溶水自身特殊的水文地質(zhì)條件使其很容易受到地表水的影響，導致水源地供水風險增加。因此，巖溶水水源地安全供水的風險評價對保障居民安全用水和保護泉水具有重要意義[11]。在全國主要的巖溶水開采地區(qū)中，海河流域的娘子關泉水源地較為典型，因此本文以娘子關泉水源地為例進行研究。

本文研究的巖溶水水源地供水風險評價是與社會、經(jīng)濟、環(huán)境、管理與政策相關聯(lián)的可持續(xù)發(fā)展問題。前人曾使用的可持續(xù)發(fā)展指標框架有壓力-狀態(tài)-響應(PSR)模型、基于經(jīng)濟學的模型、三成分模型、考慮人類-生態(tài)系統(tǒng)福利的模型、可持續(xù)發(fā)展的多資本模型等[12]。其中，PSR模型應用最為廣泛，能夠出色地反映出環(huán)境類指標之間的因果關系，但是其對于社會經(jīng)濟類指標的效果不佳[13]。驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應(DPSIR)模型是隨著對PSR模型的深入認識完善發(fā)展而來的，它包含了社會、經(jīng)濟、環(huán)境、政策4個方面，既有PSR模型的優(yōu)點，也體現(xiàn)了社會、經(jīng)濟、政策和環(huán)境的相互反饋[14]。水源地風險也包含了評價區(qū)域固有脆弱性的風險，其中，歐洲模式是由歐洲科技領域研究合作組織(COST)2003年提出的評價巖溶水含水層脆弱性的一種概念模型，包括起源、路徑和目標[15]。

評價指標篩選的方法成熟，常用的有主觀的專家調(diào)研法、層次分析法、模糊評價法，還有基于數(shù)學計算和統(tǒng)計分析的主成分分析法、回歸分析、灰色關聯(lián)度法、粗糙集方法等[16-17]。風險評價指標既包含定量指標也包含定性指標，且主觀和客觀相結合的方法能夠更為合理地確定評價指標集。本文以娘子關泉水源地為例，以DPSIR模型和歐洲模式相結合，先構建巖溶水水源地供水風險評價的綜合指標備選集；然后選取專家咨詢與實際資料相結合的綜合分析篩選方法，剔除不適合研究區(qū)的備選指標；再運用主成分分析法簡化信息重復或相近的定量指標，從而得到科學合理的適用于研究區(qū)巖溶水源地安全供水的風險評價指標體系。

1 娘子關泉水源地概況

娘子關泉水源地(圖1)位于娘子關泉域排泄區(qū)、山西省陽泉市平定縣娘子關鎮(zhèn)附近。娘子關泉域面積為7 217 km2，主要含水層為奧陶統(tǒng)灰?guī)r，主要構成含水系統(tǒng)隔水底板的是下奧陶統(tǒng)。娘子關泉水源地保護區(qū)從程家、坡底泉到葦澤關泉，面積約50 km2，由11個大泉組成，出露于奧陶系下統(tǒng)白云巖，多年平均水資源量為10.95 m3/s。娘子關泉域的地勢中部和東部低，西、南、北部高，娘子關泉水源地是最低點，娘子關泉群附近有大片泉華分布。

圖1 娘子關泉水源地示意圖Fig.1 Sketch map of the well field of Niangziguan spring

娘子關泉的主要供水城市是陽泉市，陽泉市人均水資源量為407 m3，屬于嚴重缺水城市，以煤和電等高耗水的產(chǎn)業(yè)結構為主，而地下水是陽泉市生產(chǎn)、生活、生態(tài)用水的主要來源。在近幾十年的經(jīng)濟快速發(fā)展時期，陽泉市對地下水需求增加，導致娘子關泉出現(xiàn)地下水水位持續(xù)下降、含水層疏干、水位降落漏斗持續(xù)擴大、地面沉降、泉流量減少乃至斷流等一系列水文地質(zhì)問題。含水層主要補給來源是降水入滲、河流入流，其次是煤礦排水。礦坑水和老窖水的污染導致水質(zhì)狀況下降，硬度和硫酸鹽質(zhì)量濃度較高[18-24]。

2 基于DPSIR模型的風險評價備選指標體系構建

在風險評價之前，使用指標框架的方法進行綜合評價指標的選取。使用該方法會使指標的選擇更加符合邏輯性，各指標關系更加明確，并且不容易遺漏重要的因素。

DPSIR模型中：驅動力(D)分為內(nèi)力和外力，例如水源地自然條件等內(nèi)力因素以及用水城鎮(zhèn)的社會、經(jīng)濟發(fā)展等外力因素；壓力(P)分為地下水水源地的用水壓力和污染壓力；狀態(tài)(S)表征了巖溶水源地的水質(zhì)情況、水量水位變化和巖溶水脆弱性狀況；影響(I)表示水源地的泉流量變化以及周邊環(huán)境的地質(zhì)狀況；響應(R)分為水源地保護工程的實施、水源地管理政策法規(guī)的制定等。將影響巖溶含水層脆弱性的壓力、狀態(tài)、影響等要素，根據(jù)歐洲模式分別將相關指標分類為起源、路徑、目標。

根據(jù)上述因子的屬性分析，將指標歸類，建立巖溶水源地供水風險評價備選指標體系。如表1所示。

3 風險評價指標的篩選方法與應用

表1 巖溶水源地供水風險評價備選指標集

由于指標集的指標數(shù)目眾多，涵蓋范圍廣，如果不進行篩選，直接用于風險評價，則可能出現(xiàn)選取內(nèi)涵重復的指標、加大分析計算的工作量、削弱主要影響因子在巖溶水源地風險評價中的作用等情況。因此，本文要對表1中的備選評價指標集進行篩選，得到適用于巖溶水源地的評價指標體系。

3.1 基于綜合分析的指標初選

本文專家咨詢環(huán)節(jié)咨詢了5位專家學者的意見，包括地下水、水資源管理、海河流域等方面的專家，同時結合娘子關泉水源地的水文地質(zhì)條件、開發(fā)利用現(xiàn)狀、地下水開采產(chǎn)生的環(huán)境地質(zhì)問題、指標獲取難易程度等方面進行分析，初步調(diào)整，選擇符合研究區(qū)特性的指標。考慮到娘子關泉水源地主要供水城市是山西省陽泉市，其水源地類型是巖溶水水源地，因此提出：自然條件要素中的年蒸發(fā)量、用水壓力要素中的用水比例只能體現(xiàn)該地區(qū)的主要用水類型，不能表示用水壓力大小，剔除該兩項指標；社會經(jīng)濟條件要素中的城鎮(zhèn)化率和人口增長率指標與人口密度、人均GDP指標內(nèi)容重復，后兩項指標反映了人口與面積和經(jīng)濟狀況的關系，保留后兩項指標，剔除城鎮(zhèn)化率和人口增長率指標；用水壓力要素中的單位耕地面積用水量改為農(nóng)田灌溉畝均用水量；污染壓力要素中的違章建筑與工程數(shù)目難以確切統(tǒng)計，且水源地保護區(qū)內(nèi)的違章建筑和工程已包含在水源地保護工程內(nèi)，故剔除該指標；水量要素中的工程供水能力是表現(xiàn)水源地經(jīng)過工程施工后能提供多少水量，不能體現(xiàn)水源地供水現(xiàn)狀存在的風險，剔除該指標；水量要素中的地下水開采模數(shù)、水資源利用率、人均地下水資源量指標可以被地下水開發(fā)利用取代，地下水開發(fā)利用程度是開采量與可開采量的比值，剔除該三項指標；水質(zhì)要素中的水功能區(qū)達標率指標較難獲取，一般污染物評價等級和特殊污染物評價等級更為直觀，剔除該指標；巖溶水脆弱性要素中，反映巖溶水脆弱性要素指標眾多而且過于具體，將這些指標歸為一類，即脆弱性指標；環(huán)境地質(zhì)影響要素中，因娘子關泉域存在的主要環(huán)境地質(zhì)問題有泉流量衰減、巖溶塌陷和地下水水位下降，因此環(huán)境地質(zhì)影響要素保留巖溶塌陷頻次、泉流量衰減率和地下水水位變幅，而其中地下水水位變幅與水量指標要素的水位變化重復，保留地下水水位變幅指標；工程要素中的各項指標簡化為水源地保護工程和污染物控制工程兩項指標；管理要素中各項指標簡化為法律法規(guī)體系健全水平、監(jiān)測預警機制和應急能力三項指標。

3.2 基于主成分分析的二次篩選

主成分分析原理是用少數(shù)變量去有效替代原先的多數(shù)變量，將原本許多相關性較好的變量轉化為彼此相關性很小或不相關的變量，也就是選出在解釋效果不變的基礎上，比原始變量個數(shù)少的有限個變量，即所謂主成分[25-26]。

假定有m個年份資料，每個年份有n個定量指標，則得到一個m×n的矩陣A：

1)矩陣A標準化變換得到矩陣B：

2)計算標準化矩陣B的相關系數(shù)矩陣C，然后計算C的n個特征值和特征值的單位特征向量。

3)按照特征值的大小排序計算主成分的貢獻率αj：

4)計算主成分系數(shù)矩陣D，將系數(shù)從大到小排列。其反映了指標與該主成分相關性大小，可以選取出主成分中的重要指標。

5)分別對p類指標計算相關系數(shù)，當相關系數(shù)大于0.8時我們認為指標高度相關，分析刪除冗余信息。

本文收集了山西省陽泉市娘子關泉水源地2011-- 2015年各定量指標數(shù)據(jù)，據(jù)此進行主成分分析，主要篩選指標如表2所示，篩選結果見表3。

以第一主成分為例，X12、X6、X13、X4、X9、X5、X14、X3的特征值較小或為負值，說明這些指標的貢獻極小，可以忽略不計，所以這些指標可以刪除。然后對剩余的指標進行相關分析，分別計算兩兩指標的相關系數(shù)。本文認為當相關系數(shù)>0.8時，就可以認為指標高度相關，則要判斷指標內(nèi)涵是否重復，若重復則保留更為重要、應用更為廣泛的指標。

表2 主要篩選指標表

表3 主成分的特征值

根據(jù)表4我們可以看出，X10和X11、X1和X15、X7和X2、X15和X2相關性較好。X10和X11都是表征污染壓力的指標，對于娘子關泉而言，礦坑排水對巖溶水的影響更大，因此保留礦坑排水量指標X11；X1和X15含義差別較大，兩者都保留；X15和X2指標含義有差別，因此都保留；X7和X2相關，保留地下水資源量X2。

表4 第一主成分相關系數(shù)

第二主成分，保留前5個指標X2、X12、X15、X13、X9，對其進行相關分析：X15和X2相關性較好，但指標含義差別較大，均予以保留；X12和X13相關性較好，且指標X12更為全面，因此剔除X13；其他情況指標均兩兩獨立，X9予以保留。

第三主成分，保留前4個指標X6、X12、X8、X11，對其進行相關分析，指標兩兩獨立，因此都予以保留。

第四主成分，保留前3個指標X8、X7、X4，其中X7已經(jīng)剔除，X8與X4進行相關分析，指標相互獨立，因此予以保留。

綜上，定量指標篩選結果為X1、X2、X4、X6、X8、X9、X11、X12、X15保留，X3、X5、X7、X10、X13、X14剔除。

3.3 指標篩選的合理性

為了驗證指標篩選的合理性，需要計算2011— 2015年各個年份的水源地的評分指數(shù)[27-29]。首先將指標數(shù)據(jù)標準化，然后進行因子分析，得到4個主成分特征值的貢獻率，然后計算每個年份在各因子的得分，以各因子方差貢獻率為權重對各個因子加權平均，即得到各評價年的水源地評分指數(shù)：

F=α1F1+α2F2+α3F3+α4F4。

式中，αi、Fi(i=1,2,3,4)分別代表4個主成分特征值的貢獻率和因子評分，即F=0.523 5F1+0.227 8F2+0.154 4F3+0.094 3F4。如表5所示，由于指標按照一般方法進行標準化計算，計算的評分指數(shù)越大表示水源地安全性越好，風險性越小。

表5 不同年份的各因子評分表

根據(jù)表5所示的計算結果可知，2013年因子評分最高，說明根據(jù)各指標反映出的水源地風險狀況2013年是最小的。對比2013年數(shù)據(jù)可知：2013年的年降水量、地下水資源量是2011至2015年中的最高值；人均GDP排在第二位；工業(yè)萬元增加值用水量、礦坑排水量都在均值以下；地下水開發(fā)利用程度達32%，開采量有所增加但是地下水水位有所抬升，各項指標反映的風險狀態(tài)均較小。相比其他年份，2013年的水源地風險最小的計算結果是符合實際情況的，這也驗證了指標篩選的合理性和適用性。

依據(jù)專家咨詢與實際資料相結合的綜合分析篩選和主成分分析法，最終確定地下水水源地污染風險評價指標體系如圖2所示。

3.4 與水源地達標建設指標體系的對比分析

利用上述評價指標，對娘子關泉水源地進行評價，評價結果為風險等級較小。其中風險因素得分較高的是一般污染物、特殊污染物、礦坑排水量、泉流量衰減率和巖溶水脆弱性評價。(由于篇幅限制，在此直接給出本評價體系的評價結果，權重分析環(huán)節(jié)通過層次分析法請專家打分，綜合各位專家意見。評價標準依據(jù)地方標準行業(yè)標準等相關資料確定，計算過程不在本文展開。)

本文篩選的娘子關泉水源地供水風險評價指標通過評價應用，其評價結果難以自證其適用性；因此，本文將娘子關泉水源地供水風險評價的指標和評價結果與2015年全國重要水源地達標建設的評價指標和評價結果進行對比，分析該評價指標的適用性。

本研究評價體系的每一個指標都分配了合理權重以及符合實際情況的評分標準，其能夠在一定程度體現(xiàn)水源地發(fā)生供水風險的概率大??；水源地達標建設的評價為滿分100分，分數(shù)越高，風險越小。

圖2 娘子關泉水源地供水風險評價指標Fig.2 Risk evaluation index of Niangziguan well field

水源地達標建設目標目標要求滿分得分水量供水保證率達到95%以上;流域和區(qū)域調(diào)度中,應有優(yōu)先滿足飲用水供水要求的調(diào)度配置方案,確保保證率下取水工程正常運行的水量和水位;供水設施完好,取水和輸水工程運行安全;取水口處河勢穩(wěn)定;水源地采補基本平衡,長期開采不產(chǎn)生明顯的無地質(zhì)和生態(tài)問題;建立城市應急備用水源地,制定特殊情況下的區(qū)域水資源配置和供水聯(lián)合調(diào)度方案;備用水源能夠滿足特殊情況下一定的時間內(nèi)生活用水需求,并有完備的接入自來水廠的供水配套設施3030水質(zhì)水質(zhì)滿足相應的環(huán)境質(zhì)量標準;區(qū)域綜合治理4015監(jiān)控實現(xiàn)對飲用水水源地的全方位監(jiān)控;常規(guī)性監(jiān)測和檢查性監(jiān)測相結合,形成較為完備的監(jiān)測機制;具備一定的信息管理和應急監(jiān)測能力1514管理重要飲用水水源地的管理和保護配備專職管理人員和經(jīng)費;建立水源地安全保障部門聯(lián)機機制,實行自愿共享和重大事項會商制度;完成水源地保護區(qū)劃分和邊界警示標志設置;制定相關法規(guī),建立穩(wěn)定的飲用水水源地保護資金投入機制;完善飲用水水源地監(jiān)測設施1515

本文提出的娘子關泉水源地供水風險評價指標如圖2所示，全國重要飲用水水源地達標建設指標如表6所示。對比評價指標可以看出，水源地達標建設不僅考慮了水質(zhì)和水量的安全達標，還給予了水源地監(jiān)測和管理高度的關注，這一點和本文響應指標部分的指標體系相吻合。影響(I)指標主要體現(xiàn)達標建設中地質(zhì)和生態(tài)問題，針對娘子關泉水源地則體現(xiàn)為泉流量衰減率和巖溶塌陷頻次問題；一般污染物和特殊污染物評價等級對應了達標建設的水質(zhì)應該滿足一定環(huán)境質(zhì)量標準的要求；驅動力和壓力則體現(xiàn)了影響水量和水質(zhì)要求的一些具體指標，針對娘子關泉水源地，其礦坑排水量、耗水率等體現(xiàn)了對水源地水質(zhì)的影響，地下水資源量、地下水開發(fā)利用程度、萬元GDP用水量等則體現(xiàn)了水源地水量保證的影響因素；巖溶水的脆弱性則體現(xiàn)的是水源地易污染的可能性，是區(qū)別于達標建設的評價指標，但是較能體現(xiàn)水源地安全風險的潛在因素。

達標建設評價結果中，水質(zhì)得分最低，總體等級為中等。對比兩者評價結果可知，本文的指標評價體系結果能夠體現(xiàn)水源地實際安全風險狀況，并且比達標建設指標更加全面，能夠更系統(tǒng)地評價出水源地風險因素狀況，能夠為管理者有效治理水源地提供科學的依據(jù)，具有一定的科學性、合理性和適用性。

4 結論

1)本文運用驅動力-壓力-狀態(tài)-影響-響應模型和歐洲模式的評價模型框架，在結合研究區(qū)娘子關泉水源地實際情況的基礎上構建了定量和定性指標相結合的綜合評價初選指標集，指標包含了社會、經(jīng)濟、環(huán)境、政策4個方面并充分考慮了巖溶水的脆弱性狀況，對娘子關泉巖溶水水源地供水風險的影響因子進行了全面的分析。

2)根據(jù)綜合分析篩選和主成分分析法對綜合評價初選指標集優(yōu)選，結合了主觀方法的專業(yè)和經(jīng)驗以及客觀方法科學準確的優(yōu)點篩選得到包含5個準則層19個指標的綜合評價指標集；并驗證了指標篩選的合理性，根據(jù)該評價指標能夠有效地識別水源地風險來源，更好地實現(xiàn)水源地的管理與保護。

3)本研究的不足之處在于，綜合評價指標的篩選過程中可能出現(xiàn)遺漏問題，而且本文所采用的主成分分析法分析的年份序列為5年，如果能夠通過長時間的統(tǒng)計和歸納獲取長系列資料，那么該方法的分析結果或為更加合理。

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