晋中市平原区地下水采补系统状态评价

袁秋梅

（山西省晋中市榆次区水利局 山西晋中 030600）

地下水资源是重要的供水水源之一，地下水开采应在可开采量允许范围内满足经济社会对地下水的需求。地下水采补系统状态评价是揭示经济社会系统与地下水系统之间需求与供给之间的结构性特征，这种特征反映了经济社会系统和地下水系统之间既适应又矛盾的关系，两者相互影响，相互制约。

地下水作为晋中市的重要供水水源，在城乡生活用水、农田灌溉、工业生产与环境等方面要求发挥着重要作用。近年来随着经济的迅速发展，用水需求不断增加和采煤的破坏，晋中市地下水出现了超采和濒临断流的情况。由于有的区域开发利用地下水布局不合理，致使一些区域地下水位逐年下降，形成了以城市水源地和农灌井片为中心的较大范围的地下水降落漏斗，并由此引发了地面沉降、地裂缝、水井枯竭、泉水衰减或断流、水质恶化等多种环境地质问题。

根据2010年全国性的地下水超采区校定结果，晋中市超采区面积达972 km2。部分区域地下水位大幅度下降，同时在榆次源涡及介休义棠、义安等处，局部出现了地面沉降。

通过对晋中市地下水采补系统状态评价，可为地下水的开发利用提供依据，通过保护地下水资源，合理利用地下水资源，可逐步实现地下水采补平衡。因此，对晋中市地下水采补系统状态评价是具有现实意义的。

1 研究区域

本文以晋中市榆次区、太谷县、祁县、平遥县和介休市5个县（市、区）的盆地平原区为研究区域（以下简称晋中市平原区），面积为2219 km2，地下水资源量为28577万m3/a（1956—2000年），地下水可开采量为 25697万 m3/a。

2 评价指标体系及标准

晋中市平原区地下水采补系统由大气降水、地表径流、人工开采地下水、土地利用、地下水水位、水量和水质等性状及地下水系统状态变化引起水资源供给能力和环境等方面变化诸因素组成，是地下水采补状态评价的主体。

地下水采补系统状态评价，是在区域水资源禀赋条件、地下水资源特征、保护程度、开发利用情况以及工农业生产、人民生活和生态环境对地下水资源的需求程度等供需诸方面综合分析的基础上，经过多个因素分析评价而得出结论。因此，从水资源条件、生态环境、水资源管理和社会经济等方面，构建了晋中市平原区地下水采补系统状态评价指标体系。

地下水采补系统状态评价指标体系中各个指标的量纲不同，其评价的标准也不同，需确定不同指标各采补状态判断级别的指标标准值，将各指标与其标准值相比较，合成一个综合评价结果。指标标准值是衡量人们对指标值满意程度的标准，反映一定时期人们对被评价对象某一方面发展水平的要求，这种要求是客观可能性与主观期望的综合。在地下水采补系统状态评价指标体系中，指标标准值首先体现保证“可持续性发展”这个总的要求。

地下水采补系统状态评价标准满足：1）反映地下水采补系统的优劣，特别是能够衡量水资源环境功能的变化；2）反映地下水采补系统状态程度和受影响的范围，尽可能定量化；3）能用于地下水采补系统均衡建设与保护行为方式，具有可操作性。

在地下水采补系统状态评价指标体系中，参考国内外相关标准及研究成果，结合研究区的水资源条件及社会经济发展状况制定各指标的分级标准（阈值）[1][2]，将每个指标相应地划分为均衡状态、一般状态、危险状态、高危状态4个判断级别，见表1。

表1 晋中市地下水采补系统状态评价指标体系及指标标准

地下水采补系统状态评价等级与评价指标判断级别相对应，1对应1级，属于均衡状态，指地下水采补关系处于均衡状态，地下水资源及其环境系统与社会、经济健康协调高效发展；2对应2级，属于一般状态，指地下水采补关系趋向失衡状态，地下水资源及其环境系统与社会、经济健康协调发展，满意程度一般；3对应3级，属于危险状态，指地下水采补关系处于失衡状态，地下水资源及其环境系统不能与社会、经济协调发展，已威胁到社会、经济的可持续发展；4对应4级，属于高危状态，指地下水采补关系失衡严重，地下水资源及其环境系统全面恶化，已严重阻碍了社会、经济的可持续发展。地下水采补系统状态为3级或4级时，必须采取相应的措施，使地下水采补关系逐渐向2级、1级转化。

3 评价指标因素

评价指标根据晋中市平原区地下水采补系统的特点及指标体系建立的准则，从指标实际物理意义出发，通过分析指标间的关系，选择能体现地下水采补系统内涵、发展状态及发展过程的因素为指标，利用晋中市2001-2012年资料，按年度建立地下水采补系统指标原始评价集，见表2。

表2 晋中市评价指标特征值

4 评价过程

采用模糊可变评价模型[3][4]对晋中市地下水采补系统状态进行评价。

1）建立晋中市地下水采补系统指标特征值矩阵X

式中：i=1，2，…25，为指标序号；

j=1，2，…，12，为年份序号。

2）按照4个级别进行评价，且1级优于2级，2级优于3级，4级最差。参照表1的分级标准，确定各级别指标标准值区间矩阵Iab

式中：h=1，2，3，4，为评价等级。

3）根据矩阵Iab中各级指标标准值区间两侧相邻区间的上下限值确定范围值区间矩阵Icd

4）根据矩阵Iab，按照物理分析和实际情况确定吸引域区间［aih，bih］中相对差异度等于1的点值矩阵M

5）确定各级别的指标相对隶属度矩阵Uh

（1）计算相对差异度

当 xij落在 Mih值的左侧，即 xij

当 xij落在 Mih值的右侧，即 xij>Mih，采用式（2）计算：

（2）计算相对隶属度μA（xij）h

得到各级别的指标相对隶属度矩阵Uh

以j=6对h=1为例求解指标相对隶属度μA（xi6）1。

由矩阵X得j=6的现状指标特征值向量：

x6=（274.9，2508.9，506.6，71.8，0，12461.1，16.5，4.8，2.9，41.6，122.4，66.7，52.1，7.9，0.1，-0.7，43.5，0.3，160.0，3.0，60.5，221.8，64.4，0，2.4）T

由矩阵Iab、Icd和M得h=1的相应向量分别为：

当 i=13 时，x13，6=52.1，而 a13，1=0，b13，1=60，c13，1=0，d13，1=70，M13，1=0，x13，6在 M13，1的右侧，且 x13，6∈[M13，1，b13，1]，选用公式DA（x13，6）1=（x13，6-b13，1）/（M13，1-b13，1）进行计算，得DA（x13，6）1=0.13，则μA（x13，6）1=（1+DA）x13，6）1）/2=0.5654。

同理，可得 j=6，i=1，2，…，25 对 1 级地下水采补系统状态的指标相对隶属度向量

[u1]6=（0，0，0.0755，0，0，0，0.5814，0.3026，0.0268，0，0，0，0.5654，0，0，0，0.1911，0.9375，0，0，0，0.9179，0，0，0）T。

同理可得到 j=1，2，…，12，对级别 h=1，2，3，4 的指标相对隶属度矩阵。

式中α为模型优化准则参数，α=1为最小一乘方准则，α=2为最小二乘方准则；p为距离参数，p=1为海明距离，p=2为欧氏距离；wi为指标权重。

指标权重采用层次分析法确定。首先根据评价指标体系，以目标层和各准则层构造成1个判断矩阵，以各准则层和其相应的指标层构造成5个判断矩阵，然后遵循层次分析原理，依据1～9比例标度法，结合有关专家的意见，对各准则和各指标的重要性程度进行赋值。

以准则层地下水开发状态和指标层地下水开采率、地下水供给率、地下水采补率构造成的判断矩阵为例说明赋值过程。

地下水开采率与地下水供给率相比，认为地下水开采率对于地下水开发状态的重要性程度比地下水供给率稍微重要，赋值为3；地下水开采率与地下水采补率相比，认为地下水采补率对于地下水开发状态的重要性比地下水开采率重要，重要程度介于同样重要和稍微重要之间，赋值为1/2；地下水供给率与地下水采补率相比，认为地下水采补率对于地下水开发状态的重要性比地下水供给率重要，重要程度介于稍微重要和明显重要之间，赋值为1/4。再根据判断矩阵的性质aji=1/aij，则赋值结果见表3。

表3 层次分析标度法赋值表

经计算，判断矩阵的最大特征根为3.018，判断矩阵指标的非归一化权向量为 W′=（0.961，0.368，1.671），则指标的归一 化 权 向 量 为 W=（0.3202，0.1226，0.5571）。一致性检验结果为0.016，小于0.1，判断矩阵具有满意的一致性。

各判断矩阵的归一化权向量分别为：

W1=（0.3822，0.1760，0.3229，0.0882，0.0307）

W2=（0.0872，0.0872，0.5364，0.2395，0.0497）

W3=（0.5299，0.2558，0.0322，0.1037，0.0783）

W4=（0.3202，0.1226，0.5571）

W5=（0.3518，0.2752，0.1063，0.1053，0.0974，0.0301，0.034）

W6=（0.3899，0.3613，0.0538，0.0946，0.1004）

一致性检验结果，准则层对目标层为0.076，评价指标对水资源状态准则层为0.095，对经济社会发展状态准则层为0.091，对地下水开发状态准则层为0.016，对地下水环境状态准则层为0.060，对水利、环境管理状态准则层为0.089，均小于0.1，判断矩阵具有满意的一致性。各准则和各指标权值见表1。

各级别的综合相对隶属度见表4。

表4 晋中市地下水采补系统状态级别综合相对隶属度表

7）确定综合相对隶属度矩阵U

由式（3）可得到非归一化的综合相对隶属度矩阵：U′=（ju′h），将其归一化处理得到综合相对隶属度矩阵

（8）计算各级别特征值向量H：

据此进行综合评价分析。

5 评价成果

根据模糊可变评价模型对晋中市2001-2012年逐年进行地下水采补系统状态进行评价，评价结果见表5。

对表5进行整理，得到晋中市2001-2012年地下水采补系统状态评价级别成果表，见表6。

表6中地下水采补状态评价级别统计表明：晋中市多年地下水采补处于危险状态至一般状态，向一般状态转化。这一分析说明了，近几年加强水资源优化配置、实施关井压采行动收到了初步效果。

目前，晋中市地下水总体开发利用程度较高，未来地下水资源开发利用潜力有限。本文利用模糊可变模型计算的结果与地下水开采的实际相符，证实了评价结果的合理性。因此，对地下水的开发利用需要严格审批，实行地下水取用水总量控制及水位动态监测，实施关井压采，优先取用地表水，充分利用非传统水源，严格控制地下水，加强对地下水资源的节约及保护。

表5 晋中市地下水采补系统状态评价结果

表6 晋中市2001—2012年地下水采补系统状态评价级别成果表

6 结论

本文从地下水采补系统的主体出发，建立了晋中市地下水采补系统评价指标体系，应用模糊可变评价模型，对晋中市的地下水采补系统状态进行了评价分析，分析表明，晋中市多年地下水采补处于危险状态至一般状态，向一般状态转化。

晋中市水资源供需矛盾比较严重，地下水资源开发利用已经达到相当规模，大水网规划的实施以及全面落实中央一号文件精神，实施最严格的水资源管理制度、加强地下水管理与保护等促进了地下水保护的措施，但地下水局部超采仍然严重，模型评价结果与实际相符，从而证实了评价结果的合理性。晋中市今后应进一步实施挖潜、节流等一系列保护地下水的工程与非工程措施，继续采取关井压采、超采区加倍征收水资源费、地下水源逐步用其他水源置换、依法严格控制审批新井、涵养地下水源等措施，还应采取鼓励改用中水，优先取用地表水、积极推进跨流域调水及综合治理等措施，以实现水资源的可持续利用，达到人水和谐的目的。