黃 艷

（鐵嶺市南城子水庫有限公司，遼寧 鐵嶺 112300）

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展以及人口的增長、城鎮(zhèn)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(zhì)及生態(tài)環(huán)境的功能考慮較小，地下水過度開采致使地質(zhì)和生態(tài)環(huán)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(tài)環(huán)境受地下水數(shù)量和質(zhì)量變化所產(chǎn)生的影響，主要涉及生態(tài)和地質(zhì)環(huán)境、資源功能，其中地質(zhì)環(huán)境功能體現(xiàn)了對水文地質(zhì)的支持作用，地質(zhì)環(huán)境隨地下水的變化而變化，如地面塌陷或沉降等；生態(tài)功能體現(xiàn)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(tài)環(huán)境也會隨地下水的改變而變化；資源功能體現(xiàn)了地下水具有開采、儲存和補給條件，正常循環(huán)更新及被消耗后可有效穩(wěn)定補給的能力。

2005年水利部結(jié)合地下水的水質(zhì)狀況、水資源情況、水文地質(zhì)條件和規(guī)劃期內(nèi)水資源配置，以水文地質(zhì)單元的界線和行政區(qū)邊界為基礎(chǔ)，劃分切割地下水功能區(qū)及其基本單元，組織編制《地下水功能區(qū)劃技術(shù)大綱》，如高爽、塘蘊、朱亮等評價了內(nèi)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(qū)劃技術(shù)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(shù)及因子權(quán)重值為依托評價地下水功能；李學(xué)成、李秀明、鄧吉強等綜合利用GIS空間分析技術(shù)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(qū)劃方法簡單，以地下水主導(dǎo)功能為主，仍需深入研究相關(guān)理論基礎(chǔ)；國土資源部的理論完善，利用數(shù)學(xué)法評價區(qū)域地下水功能，但工作量大且涉及指標多。

目前，針對權(quán)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(shù)據(jù)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(jié)合主、客觀賦權(quán)法的優(yōu)點計算組合權(quán)重，通過計算權(quán)重平均值和權(quán)重結(jié)果的相對偏差反映主、客觀賦權(quán)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(fā)揮地下水功能及其科學(xué)管理提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 基本流程

依據(jù)《地下水功能評價與區(qū)劃技術(shù)要求》歸納總結(jié)地下水功能評價流程：①以水文地質(zhì)特性劃分研究區(qū)地下水系統(tǒng)評價單元；②遵循可操作性、可度量性和主導(dǎo)性等原則，結(jié)合區(qū)域?qū)嶋H情況選擇合適指標構(gòu)建地下水功能評價體系；③經(jīng)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(quán)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(qū)地下水功能等級圖。

表1 地下水功能等級劃分

1.2 權(quán)重計算

目前，比較常用的權(quán)重計算方法有組合賦權(quán)法、主觀或客觀賦權(quán)法[9]。實際上，主觀權(quán)重是一種考慮決策者知識經(jīng)驗判斷各指標重要性，以此為基礎(chǔ)賦予相應(yīng)的權(quán)重，主要包括專家調(diào)查法、層次分析法等；客觀權(quán)重是一種通過統(tǒng)計參評指標所包含的有效信息量計算的權(quán)重，又稱為信息量權(quán)重，指標差異程度越大則所包含的“分辨信息”越多，權(quán)重也就越大，主要包括熵權(quán)法、因子分析法、主成分分析法和變異系數(shù)法等。為解決單一使用主觀或客觀賦權(quán)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(quán)法的研究應(yīng)用日趨廣泛。

1.3 極差最大化法

目前，研究應(yīng)用較多的權(quán)重計算方法是主客觀組合賦權(quán)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(quán)重。采用層次分析法、熵權(quán)法作為主觀和客觀賦權(quán)法，對參評指標組合權(quán)重應(yīng)用極差最大化法進行計算。實質(zhì)上，極差最大化法就是將組合權(quán)重的上下限約束作為主、客觀賦權(quán)法計算的最大和最小權(quán)重值，其計算流程如下：

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

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

2）步驟2：組合權(quán)重區(qū)間。根據(jù)權(quán)重矩陣A可以明確組合權(quán)重a=(a1，a2，…，ak)的取值區(qū)間，代表參評指標i的組合權(quán)重。

3）步驟3：組合權(quán)重。采用極差最大化法計算各參評指標組合權(quán)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(jù)以上計算結(jié)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(yīng)用

2.1 區(qū)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(diào)兵山市、銀州區(qū)、清河區(qū)、經(jīng)濟開發(fā)區(qū)。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(qū)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(fù)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(qū)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(wǎng)格中心點文件。

2.3 構(gòu)建評價體系

根據(jù)評價區(qū)實際情況、指標篩選原則及《地下水功能評價與區(qū)劃技術(shù)要求》，合理選擇參評指標[17]。其中，資源功能一般體現(xiàn)在水質(zhì)、可利用量、儲存量和補給量等方面；生態(tài)功能體現(xiàn)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(nèi)與地下水無明顯有關(guān)的地質(zhì)環(huán)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(zhì)量與水位關(guān)聯(lián)度來反映地質(zhì)環(huán)境功能。因此，從地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)、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(guān)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(qū)劃技術(shù)要求》計算各定量指標值，結(jié)合評價區(qū)域?qū)嶋H情況和技術(shù)要求提供的分級標準確定各定性指標值。

2.4 權(quán)重分析

在評價地下水功能時，主觀賦權(quán)法一般適用于只能定性表示且缺少數(shù)據(jù)的指標，可發(fā)揮決策者的知識經(jīng)驗優(yōu)勢合理確定權(quán)重；對于定量指標可使用主、客觀兩種賦權(quán)法，其中客觀賦權(quán)法能夠合理利用參評指標所包含的數(shù)學(xué)信息計算權(quán)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(quán)法)、熵權(quán)法(客觀賦權(quán)法)和極差最大化法計算主、客觀權(quán)重和組合權(quán)重，計算組合權(quán)重時m=2、k=14，權(quán)重結(jié)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(quán)重值

由表3 可知，層次分析法計算權(quán)重最大偏差對應(yīng)的指標為C1，相對偏差絕對值處于5%～53%范圍；熵權(quán)法計算權(quán)重最大偏差對應(yīng)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(quán)重最大偏差對應(yīng)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(quán)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(quán)重更加科學(xué)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(jié)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(jié)果表明，資源功能強的區(qū)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(zhì)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(qū)域集中分布于水質(zhì)較好、水量較豐富的中部及北部亮子河沿岸，水質(zhì)可以達到Ⅱ、Ⅲ類標準，具有一定的適度開采條件；研究區(qū)的東、西兩側(cè)地下水資源功能一般，而人類活動劇烈的中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)地下水資源功能以弱、較弱為主，資源功能受人類開發(fā)利用影響從強變?nèi)?，水質(zhì)、水量軍有所減少，一般不具備大規(guī)模開采條件。

生態(tài)功能較強、強的區(qū)域集中分布于西部遼河右岸諸小河沿岸及西北部，該區(qū)域的植被覆蓋較高，這與地下水支撐生態(tài)用水密切相關(guān)，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(fā)生土地鹽漬化，應(yīng)加強地下水位控制；生態(tài)功能較弱、弱的區(qū)域集中分布于中部地區(qū)，該區(qū)域地下水埋深處于20～50m 之間，其維持生態(tài)環(huán)境功能較弱。

地質(zhì)環(huán)境功能較強、強的區(qū)域集中分布于亮子河沿岸區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诮?jīng)流區(qū)和排洪區(qū)，地下水埋深一般不超過5m，對外界具有較高的響應(yīng)程度，在排泄、補給過程種地下水位明顯變化，不具備大規(guī)模開采條件；地質(zhì)環(huán)境功能較弱及一般的區(qū)域集中分布于徑流條件較好的南部及中部，該區(qū)域?qū)購搅鲄^(qū)和補給區(qū)，對外界具有較低的響應(yīng)程度，具有一定適當開采條件。

地下水綜合功能強的區(qū)域集中分布于開采潛力較大、水質(zhì)較好、地下水資源豐富的西部地區(qū)，其地質(zhì)環(huán)境功能和資源功能強，并具有較強的生態(tài)功能；地下水綜合功能較強的區(qū)域少量分布于西北部、集中分布于西南部，該區(qū)域的情況較為復(fù)雜，地質(zhì)環(huán)境及生態(tài)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(qū)的地下水綜合功能一般，地質(zhì)環(huán)境功能一般、較強或強，生態(tài)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(zhì)環(huán)境功能弱、較弱或一般，生態(tài)功能一般或較強，資源功能較弱；中部人類活動聚集區(qū)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(qū)域所占比例為22.87%，較強及強區(qū)域所占比例為41.90%，研究區(qū)具有較高的地下水開發(fā)利用潛力。然而，在開發(fā)利用地下水時要嚴格控制水位波動幅度和開采規(guī)模，以防地下水系統(tǒng)衰退可能引起的地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)退化等一系列問題，維持地下水健全的地質(zhì)環(huán)境、生態(tài)、資源功能及其良性循環(huán)。

經(jīng)對比分析，評價結(jié)果能夠真實反映研究區(qū)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(xué)合理性，具有較強的適用性與可靠性。

3 結(jié) 論

通過比較極差最大化法(組合賦權(quán)法)、熵權(quán)法(客觀賦權(quán)法)和層次分析法(主觀賦權(quán)法)計算結(jié)果可知，極差最小化法計算的權(quán)重更加科學(xué)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(jié)果能夠真實反映淺層地下水功能，對評價指標權(quán)重計算具有較好的適用性。結(jié)合評價結(jié)果，評價區(qū)西部的地下水開采潛力較大、水質(zhì)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(huán)，應(yīng)加強對該地區(qū)地下水的開采利用控制。