傅旭升，羅濟(jì)穩(wěn)，蔡 盛

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

目前國(guó)內(nèi)外尚未報(bào)道專門針對(duì)地下水深井進(jìn)行系統(tǒng)性健康狀況評(píng)估的案例。中國(guó)水資源分布不均，還存在水質(zhì)問(wèn)題，因而地下水開采由來(lái)已久。由于早期地下水過(guò)度開采，導(dǎo)致許多大城市地面沉降頻繁發(fā)生，并逐步向中小城市蔓延。20世紀(jì)末至21世紀(jì)初，為控制地面沉降，又新建一批專灌井及應(yīng)急（兼回灌）深井，近十幾年來(lái)隨著環(huán)境保護(hù)日益重視，又建設(shè)了一批水質(zhì)監(jiān)測(cè)井。至此，地下水深井建設(shè)規(guī)模已相當(dāng)龐大，而如何管理和維護(hù)這些深井，對(duì)深井進(jìn)行健康狀況評(píng)估，成為當(dāng)下較為緊迫需要解決的問(wèn)題。

本次針對(duì)目前國(guó)內(nèi)深井現(xiàn)狀，以長(zhǎng)三角最為典型的上海市為例開展深井健康狀況評(píng)估方法研究，為后續(xù)工作的展開提供技術(shù)參考。

上海位于長(zhǎng)江入?？冢瑢匍L(zhǎng)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(fā)了嚴(yán)重的地面沉降問(wèn)題。為此，在控制地下水開采的同時(shí)，開展地下水人工回灌，對(duì)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(guò)深井實(shí)現(xiàn)的，從20世紀(jì)60年代至今，上海市建成使用的地下水開采井、回灌井、應(yīng)急供水井、民防戰(zhàn)備井及各類地下水監(jiān)測(cè)井達(dá)二三千口，目前仍在使用的也有數(shù)百口。為有效利用各類深井，并進(jìn)行精細(xì)化管理，提高深井運(yùn)行效率和延長(zhǎng)深井使用壽命，迫切需要對(duì)現(xiàn)有深井開展健康評(píng)估。

1 評(píng)估方法確定

1.1 評(píng)估方法分析

根據(jù)歷年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)及地下水深井的實(shí)際情況，地下水深井評(píng)估涉及的評(píng)價(jià)指標(biāo)繁多，既有量化指標(biāo)又有非量化指標(biāo)，如何將不同類別的單因素評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)深井評(píng)估的影響進(jìn)行有效綜合，從而達(dá)到對(duì)地下水深井全面評(píng)估顯得尤為重要。

多因素綜合評(píng)價(jià)中對(duì)某對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)一般依據(jù)多個(gè)屬性，將綜合評(píng)價(jià)值假定為各屬性的線性組合。因此，合理確定線性組合系數(shù)，即各屬性權(quán)重，是進(jìn)行多因素綜合評(píng)價(jià)的前提。各屬性權(quán)重的確定需要用到數(shù)據(jù)列自身的信息以及數(shù)據(jù)列的相互關(guān)系。數(shù)據(jù)列自身包含的信息越多則該屬性權(quán)重越大，反之其權(quán)重越小[2]。

如表1所示，不同方法對(duì)同一套數(shù)據(jù)賦予權(quán)重其結(jié)果并非一致，同一種方法對(duì)同一套數(shù)據(jù)賦予權(quán)重處理過(guò)程不同其結(jié)果也存在不同。因此，深井健康狀況多因素綜合評(píng)價(jià)中，合理指標(biāo)體系的構(gòu)建和合理指標(biāo)權(quán)重方法的選擇是得出合理研究結(jié)論的關(guān)鍵，權(quán)重的確定直接影響數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)而影響研究結(jié)論。

表1 多因素綜合評(píng)價(jià)中多屬性權(quán)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(píng)估方法選取

深井健康狀況評(píng)估（以下簡(jiǎn)稱“評(píng)估”）是整個(gè)地下水深井工程至關(guān)重要的組成部分，而評(píng)估方法優(yōu)選又是地下水深井評(píng)估的重要環(huán)節(jié)之一，評(píng)估方法選擇是否得當(dāng)，對(duì)評(píng)估能否達(dá)到預(yù)期效果有決定性影響。而評(píng)估方法的選擇受多種因素的影響，總結(jié)為四大類，即初始狀態(tài)技術(shù)因素、維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)因素、管理因素和經(jīng)濟(jì)因素。

通過(guò)上述分析，本次評(píng)估方法選擇層次分析法（AHP）[3-4]與模糊綜合評(píng)價(jià)法（FCE）[5-7]相結(jié)合的方法。

2 評(píng)估因子分析

根據(jù)上海市已有地下水深井及歷年來(lái)的工作經(jīng)驗(yàn)及資料收集和歸納總結(jié)，再通過(guò)咨詢行業(yè)專家意見(jiàn)，本次評(píng)估包括四大類，即初始狀態(tài)技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)指標(biāo)、管理指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，總計(jì)15個(gè)評(píng)估因子，詳見(jiàn)表2所示。

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

3 深井健康評(píng)估

3.1 構(gòu)建判斷矩陣

（1）構(gòu)建一級(jí)矩陣A-B

構(gòu)建層次A-B判斷矩陣如下：

將判斷矩陣每一列正規(guī)化的矩陣按行相加及按行歸一化：

采用MATLAB軟件計(jì)算A*WA結(jié)果如下：

再進(jìn)一步計(jì)算得：

CI = (λmax-n) / (n-1) =0.043。

根據(jù)層次分析法相關(guān)表格可查得RI對(duì)應(yīng)取值為0.89，

CR = CI / RI = 0.048 < 0.1

因?yàn)镃R＜0.10，所以判斷矩陣A滿足一致性，說(shuō)明權(quán)重分配是合理的。各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重分配如表3。

表3 深井健康狀況評(píng)估一級(jí)評(píng)價(jià)權(quán)重分析Table 3 The weight analysis of first level evaluation of deep well health status evaluation

（2）構(gòu)建二級(jí)矩陣B-C

同理可計(jì)算得到二級(jí)矩陣B-C權(quán)重如表4。

表4 深井健康狀況評(píng)估二級(jí)評(píng)價(jià)權(quán)重分析Table 4 The weight analysis of two level evaluation of deep well health status evaluation

3.2 構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)隸屬矩陣

根據(jù)評(píng)估方法，可得到隸屬矩陣如表5所示。

表5 深井評(píng)估等級(jí)及指標(biāo)隸屬度Table 5 The grade and index membership degree of deep well evaluation

3.3 二級(jí)模糊評(píng)價(jià)

根據(jù)相關(guān)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(jí)模糊評(píng)價(jià)

由此可得本次深井健康評(píng)估模糊評(píng)價(jià)效果A，結(jié)果為：模糊評(píng)價(jià)效果A=0.534,深井健康評(píng)估為優(yōu)秀；模糊評(píng)價(jià)效果A=0.314,深井健康評(píng)估為良好；模糊評(píng)價(jià)效果A=0.152,深井健康評(píng)估為合格；模糊評(píng)價(jià)效果A=0,深井健康評(píng)估為差。

3.5 綜合評(píng)估

（1）綜合評(píng)估因素集

綜合評(píng)估因素集即指標(biāo)體系，根據(jù)深井健康狀況評(píng)估技術(shù)要求，地下深井工程進(jìn)行綜合評(píng)估時(shí)，需在初始狀態(tài)技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)指標(biāo)、管理指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)四方面進(jìn)行評(píng)估，具體評(píng)估指標(biāo)如表2所示。

（2）綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集

地下水深井工程綜合評(píng)估評(píng)語(yǔ)集V，在本文中分為優(yōu)秀（V1）、良好（V2）、合格（V3）、差（V4）四個(gè)等級(jí)，采用百分制將四個(gè)等級(jí)進(jìn)行量化表示：

深井評(píng)估相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及含義詳見(jiàn)表6，評(píng)價(jià)結(jié)果指標(biāo)如表7。

表6 深井健康狀況評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)及含義Table 6 The evaluation criteria and meaning after deep well health status evaluation

該方法存在一個(gè)隸屬度等級(jí)評(píng)價(jià)確定與實(shí)際應(yīng)用中不相適應(yīng)的問(wèn)題，若直接套用該方法，例如某口井完全符合Ⅰ級(jí)優(yōu)秀等級(jí)，按照前述流程及表7隸屬度等級(jí)計(jì)算結(jié)果如下：

表7 深井健康狀況評(píng)估指標(biāo)等級(jí)評(píng)價(jià)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(jí)別分別為25.12分、9.88分和0分。

計(jì)算結(jié)果與日常分級(jí)（表6）不一致，故需要對(duì)隸屬度等級(jí)評(píng)價(jià)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使之與日常使用的評(píng)估等級(jí)一致，優(yōu)化后的隸屬度等級(jí)如表7右側(cè)所示。

通過(guò)該優(yōu)化后的計(jì)算可得：優(yōu)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(rèn)為該優(yōu)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(yīng)急供水深井，同時(shí)也是一座回灌井。其地處青浦區(qū)，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(qū)含水層發(fā)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(xì)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(qū)小于100 m3/d。區(qū)內(nèi)水質(zhì)均為礦化度小于1g/L的淡水。

4.2 案例評(píng)估

（1）初始狀態(tài)技術(shù)指標(biāo)評(píng)估

該回灌深井井深為270 m，管徑Φ325 mm，地層巖性為灰色細(xì)中砂—灰色細(xì)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(yàn)，歷時(shí)14天，并順利通過(guò)驗(yàn)收。

該深井成井質(zhì)量較好，成井材質(zhì)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(wú)毛刺，符合相關(guān)要求。洗井后水路暢通，渾濁度小于1/20萬(wàn)，靜水位-29.7 m，動(dòng)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(xiàng)指標(biāo)均滿足成井過(guò)程的質(zhì)量控制要求。

（2）維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)指標(biāo)評(píng)估

該深井成井至今已有7年，有專人進(jìn)行深井保護(hù)，至今未出現(xiàn)過(guò)大的破損或損壞，水質(zhì)為淡水。水位呈現(xiàn)逐年上升趨勢(shì)，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(xiàn)整體緩慢降低的趨勢(shì)，符合深井回灌變化規(guī)律。而根據(jù)圖1地下水位變化趨勢(shì)圖可知，上海市整體地下水位在近十幾年來(lái)一直處于上升趨勢(shì)，與某回灌深井區(qū)域地下水位變化趨勢(shì)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(shì)圖Fig.1 The water level change trend of groundwater aquifers in Shanghai over the years

（3）管理指標(biāo)評(píng)估

該井因地下水微生物及物理化學(xué)反應(yīng)[8-9]，對(duì)深井泵造成一定的腐蝕作用，故進(jìn)行過(guò)兩次深井泵的更換，目前采灌設(shè)備狀況運(yùn)行正常，每年均對(duì)該深井進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)老舊破損電線等相關(guān)附屬設(shè)備進(jìn)行更換。由于上海市整個(gè)區(qū)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(yīng)資料記錄和管理，符合相關(guān)要求。

（4）經(jīng)濟(jì)指標(biāo)評(píng)估

該井位于青浦某基地培訓(xùn)中心內(nèi)，目前該基地周邊環(huán)境未發(fā)現(xiàn)有危險(xiǎn)源存在，對(duì)環(huán)境影響小，在可控范圍內(nèi)。作為地面沉降防治設(shè)施之一，該深井利用率較高，每年均有不定量的回灌指標(biāo)要求，均能正?；毓啵窗l(fā)現(xiàn)明顯故障問(wèn)題，作為長(zhǎng)期投資項(xiàng)目，該深井目前運(yùn)行、維護(hù)等各項(xiàng)指標(biāo)均符合相關(guān)規(guī)范要求。

4.3 評(píng)估結(jié)果

通過(guò)各評(píng)估因子符合性檢驗(yàn)，得出該基地培訓(xùn)中心深井基本符合各項(xiàng)指標(biāo)要求，各指標(biāo)符合性參照表7，C1~C8、C11~C15的隸屬度均為1.000，屬I級(jí)的優(yōu)，C8~C9兩項(xiàng)的隸屬度均為0.700，屬II級(jí)的良。

因此，依據(jù)上海市深井健康狀況評(píng)估方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，該深井健康狀況達(dá)到良好以上，評(píng)價(jià)結(jié)果F為：

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

綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，本次深井健康狀況評(píng)估達(dá)到了“優(yōu)秀”等級(jí)，即該深井在成井初始狀態(tài)技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)指標(biāo)、管理指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)等各方面措施相對(duì)到位，運(yùn)行效果較好，與實(shí)際情況基本一致，表明該模型在地下水深井評(píng)估中具有較好的適用性，評(píng)估結(jié)果可作為地下水深井維護(hù)保養(yǎng)及相關(guān)處理的技術(shù)依據(jù)，有利于地下水深井資源的優(yōu)化配置。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

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

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

（3）通過(guò)具體實(shí)例對(duì)建立的基于模糊數(shù)學(xué)與層次分析的多因素綜合評(píng)判模型進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果證明該方法是合理的、可行的，選出的最優(yōu)評(píng)估方法是與實(shí)際相吻合的，評(píng)估結(jié)果可作為深井健康狀況評(píng)估的技術(shù)依據(jù)。

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

5.2 建議

為加強(qiáng)精細(xì)化管理，提升深井維護(hù)的運(yùn)行效率和延長(zhǎng)深井使用壽命，通過(guò)本次對(duì)上海市深井健康狀況評(píng)估方法研究，提出如下二點(diǎn)建議：

（1）地下水深井應(yīng)定期進(jìn)行一次全面的健康狀況評(píng)估，為深井的維護(hù)保養(yǎng)或進(jìn)一步處理提供動(dòng)態(tài)依據(jù)。

（2）對(duì)初始狀態(tài)技術(shù)指標(biāo)、維護(hù)保養(yǎng)技術(shù)指標(biāo)、管理要求及經(jīng)濟(jì)合理性均較差的地下水深井，建議委托有資質(zhì)的單位進(jìn)行進(jìn)一步的處理維護(hù)或封填。