山西省典型盆地孔隙水超采年际变化模糊评价

狄 帆

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

地下水是山西的重要供水水源，由于生产生活长期超量开采和采煤的破坏，造成部分区域地下水超采严重，对水生态环境造成了不良的影响。为贯彻落实习近平总书记在黄河流域生态保护和高质量发展座谈会上提出的“加强生态环境保护、保障黄河长治久安、推进水资源节约集约利用和推动黄河流域高质量发展”重要精神，科学规划山西省“十四五”水资源保护布局，进行山西省盆地孔隙水超采区年代变化研究是十分必要的。

2011年，山西省开展的地下水超采区评价工作对2001—2010年地下水超采情况进行了评价。2011年至今，不同区域超采区变化情况是目前水资源发展保护规划亟须了解的问题。由于新一轮地下水超采区评价复核工作尚未开展，并且评价工作需要大量的人力、物力和时间，难以解决当前水生态保护高质量发展重大课题和“十四五”规划的燃眉之需，因此本文借鉴陈守煜教授的“水文水资源系统模糊识别理论”[1]，以水位变幅和降水、生产生活取水、采煤排水等指标间相关分析方法计算影响权重，对典型盆地超采区的超采变化情况进行模糊综合评价[2]。本文为全国试点山西省地下水超采区治理和山西省节约用水“十四五”规划的前期研究内容，其成果对因地制宜地实施地下水超采区综合治理具有参考意义。

1 研究区概况

山西省盆地超采区面积6396km2，占盆地区总面积的24.77%。本文选取超采比较严重的涑水河盆地、太原盆地榆太祁区和大同盆地城郊区3个典型盆地孔隙水超采区进行研究。涑水河超采区分布于永济、盐湖区、临猗、夏县、闻喜和绛县一带，为全省最大面积的孔隙水超采区，上层孔隙水为咸水，不可利用，超采主要在下层承压孔隙水含水层；榆太祁中型孔隙浅层地下水超采区分布于榆次、太谷、祁县一带；大同城郊孔隙水超采区分布于大同市城郊，包括平城区、云冈区和云州区。3个典型盆地孔隙水超采区的基本情况见表1。

表1 典型盆地孔隙水超采区情况

2 影响因子权重确定

2.1 确定影响因子

盆地区地下水超采会造成水位持续下降，年际变幅连续负值，这里以超采区水位年平均变幅为研究指标，用向量Y表示。

Y=(yj)

(1)

式中：Y为水位变幅向量；yj为第j个年度的水位变幅，j=1,2,…,n。

地下水下降是多因子作用的结果，本文选择降水、农业取水、工业取水、城乡生活及生态取水、采煤区的煤矿涌水几个比较直接的影响因子进行分析，用矩阵X表示。

X=(xij)

(2)

式中：X为影响因子矩阵；xij为第i个影响因子第j个年度的数值，i=1,2,…,m。

依据《山西省水资源公报》成果，2000—2018年3个典型盆地孔隙水超采区的地下水水位变幅、降水量、农业灌溉地下水取水量、工业地下水取水量、城乡生活地下水取水量和大同城郊盆地周边的大同煤田矿井涌水量资料见表2、表3和表4。

表2 榆太祁超采区基本情况(m=5, n=19)

续表

表3 涑水河超采区基本情况(m=5, n=19)

表4 大同城郊超采区基本情况(m=6, n=19)

2.2 计算影响因子权重

地下水位变化的影响因子包括降水、各行业地下水取水量和采煤的间接破坏等，本文构建了地下水水位变幅与影响因子之间的相关关系模型，采用式(3)计算得出的相关系数即为该因子的影响权重，结果见表5。

表5 典型盆地孔隙水超采区各因子对地下水位的影响权重(pi)

(3)

由表5可以看出，不同典型区各因子对地下水位的影响权重不同，生产、生活取用地下水对水位的影响和对超采的影响程度有所差异。

a.涑水河盆地实测水位为上层浅层咸水，故降水量影响最大。在工农业及城乡生活取用下层承压水时，会造成局部上下孔隙含水层之间水力联系，但是取水对上层咸水水位变化影响有限，对承压水超采造成的影响较大，影响由大到小排序是农业灌溉、城镇生活和工业取用地下水。

b.大同城郊孔隙水超采区，除了降水影响最大外，主要影响因子排序从大到小依次为城镇生活、农业灌溉和工业地下水取水量，边山采煤减少侧向裂隙水对盆地孔隙水的补给，也存在少量的影响。

c.太原盆地榆太祁超采区，降水对地下水位影响最大，取水对超采的影响从大到小依次为农业灌溉、城镇生活及工业地下水取水量。

3 水位变化模糊综合评价

3.1 评价体系构建

《山西省地下水超采区评价报告》中地下水超采区评价采用2001—2010年水位动态变化基础数据，为了分析2011年后水位变化及变化影响因素，本文对2001—2010年、2011—2018年、2016—2018年3个时间段的平均值和2010年、2018年2个年度值的各项指标进行了模糊综合评价，结果见表6。

表6 典型盆地超采区评价指标(zi,k)

续表

设指标矩阵为Z，则

Z=(zi,k)

(4)

式中：k为时间段排序，k=1,2,…,b，本文选取5个时间段，b=5；zi,k为第i个指标第k个时间段的数值，i=1，2，…，m。

3.2 模糊评价标准

模糊评判矩阵为3个典型超采区不同指标相对于不同模糊级别的评价标准矩阵。

S=(si,h)

(5)

式中：S为模糊评判标准矩阵；si,h为第i个指标对应于第h个模糊级别的评判标准；h为模糊评判级别序号，h=1,2,…,c，本文模糊评价分为3级，c=3，分别为轻度、中度和重度。

模糊评判标准的选择，依据《地下水超采区评价导则》(GB/T 34968—2017)的相关标准：浅层潜水和弱承压水评价期年均水位下降速率大于0m/a的区域地下水超采区；浅层承压水以评价期年均水位下降速率大于0.5m/a，孔隙水开采系数大于1.0的区域为超采区。浅层潜水和弱承压水评价期年均水位下降速率大于1.0m/a的区域为地下水严重超采区，浅层承压水评价期年均水位下降速率大于2.0m/a的区域划为下水严重超采区，开采系数大于1.3的区域为严重超采区。3个典型超采区的实测水位均为浅层潜水，除了涑水河取用承压水外，另外两个超采区取用浅层潜水。

本文将超采区划分标准取为轻度标准，严重超采区划分标准取为中度标准，超采区1.5倍的标准取为重度标准。3个典型区的模糊评判标准矩阵见表7。

表7 典型超采区模糊评判标准矩阵(si,h)

消除量纲后的模糊评判标准矩阵S′将用于后面的模糊综合评价。

S′=(s′i,h)

(6)

(7)

以上式中：S′为子系统的模糊评判标准矩阵；s′i,h为子系统i

模糊评判标准对应h级模糊级别的隶属度。

3.3 计算指标权重矩阵

本文隶属函数在陈守煜教授《水文水资源系统模糊识别理论》[1]中的隶属函数公式(6-3)和(6-4)的基础上进行改进，将原来不同级别相同的隶属函数改进为划小区间后不同级别不同的隶属函数。

对于数值越大模糊级别越优的指标，隶属度计算公式为

(8)

对于数值越小模糊级别越优的指标，隶属度计算公式为

(9)

通过式(8)、式(9)计算各个系统矩阵Z对于评判矩阵S模糊级别h的隶属度矩阵hR。

hR=(ri,k)

(10)

式中：hR为对于模糊级别h的隶属度矩阵；ri,k为第i个指标第k个因子相对于第h个模糊级别的隶属度。

涑水河区各个指标超采程度隶属于模糊级别重度、中度和轻度的计算结果见表8。大同城郊区和榆太祁区以同样计算方法得到的隶属度计算结果，因篇幅有限，这里省略，但在后面的模糊综合评价指标权重计算时采用。

表8 涑水河超采区各个指标对不同模糊级别的隶属度

归一化后的隶属度矩阵hR′将用于后面模糊综合评价中，为指标权重矩阵。

(11)

式中：r′i,k为第k个因子第i个指标的权重。

3.4 不同时段模糊综合评价

以式(7)计算的S′为模糊评判标准矩阵，对3个典型区不同时段的指标矩阵Z分别进行模糊综合评价，评价出对应模糊级别重度、中度和轻度的隶属度。

隶属度采用下式计算：

(12)

式中：uh,k为第k个因子对于模糊级别h的隶属度；d为距离参数，这里取为2；pi为影响因子权重；r′i,k为指标权重。

对3个典型盆地不同年代和年度各个指标对应模糊等级重度、中度和轻度采用式(12)进行综合评价，评价过程中考虑水位影响因子权重和指标自身的权重，得到的结果见表9和表10(其中表10去除了降水对超采的影响)。

表9 典型盆地超采区不同年代模糊综合评价(考虑降水影响)

表10 典型盆地超采区不同年代模糊综合评价(不考虑降水影响)

考虑降水和不考虑降水的3个孔隙水超采区模糊级别隶属度年际变化情况见图1～图3。

由表3～表5和表9可以看出，降水对每个超采区的超采情况变化影响较大，降水越大超采的模糊等级越轻，同样的降水水平2011年以后比2001—2010年的地下水超采情况差，其原因是农业灌溉、城镇生活和工业地下水取水量的增加。

a.涑水河区2001—2010年为降水枯水期，对模糊级别重度的隶属度较大；2011—2018年为降水相对丰水期，对模糊级别中度的隶属度较大；2016—2018年为降水相对丰水期，对模糊级别中度的隶属度较大；2010年为降水平水年，对模糊级别中度的隶属度大；2018年为降水枯水年，对模糊级别轻度的隶属度大(见图1)。

图1 涑水河孔隙水超采区模糊级别隶属度年际变化

b.大同城郊区2001—2010年为降水枯水期，对模糊级别中度的隶属度较大；2011—2018年为降水相对丰水期，对模糊级别轻度的隶属度较大；2016—2018年为降水相对丰水期，对模糊级别中度的隶属度较大；2010年为降水平水年，对模糊级别轻度的隶属度大；2018年为降水丰水年，对模糊级别中度的隶属度大(见图2)。

图2 大同城郊孔隙水超采区模糊级别隶属度年际变化

c.榆太祁区2001—2010年为降水平水期，对模糊级别轻度的隶属度较大；2011—2018年为降水相对丰水期，对模糊级别轻度的隶属度较大；2016—2018年为降水相对丰水期，对模糊级别轻度的隶属度较大；2010年为降水平水年，对模糊级别轻度的隶属度大；2018年为降水平水年，对模糊级别中度的隶属度大(见图3)。

图3 榆太祁孔隙水超采区模糊级别隶属度年际变化

从表10可以看出，在不考虑降水影响的前提下，由于生产生活取用地下水的力度增加，导致地下水超采的情况变差，尤其2016—2018年情况更不乐观。

a.涑水河区2001—2010年对模糊级别中度的隶属度较大；2011—2018年对模糊级别轻度的隶属度较大；2016—2018年对模糊级别重度的隶属度较大；2010年对模糊级别中度的隶属度大；2018年对模糊级别重度的隶属度大(见图1)。

b.大同城郊区2001—2010年对模糊级别轻度的隶属度较大；2011—2018年对模糊级别中度的隶属度较大；2016—2018年对模糊级别中度的隶属度较大；2010年对模糊级别轻度的隶属度大；2018年对模糊级别中度的隶属度大。在不考虑降水影响的前提下，由于生产生活取用地下水的力度增加，使地下水超采的情况变差，尤其2016—2018年情况更不乐观(见图2)。

c.榆太祁区2001—2010年对模糊级别轻度的隶属度较大；2011—2018年对模糊级别轻度的隶属度较大；2016—2018年对模糊级别中度的隶属度较大；2010年对模糊级别轻度的隶属度大；2018年对模糊级别中度的隶属度大(见图3)。

4 结论与建议

a.山西省典型盆地孔隙水超采区各影响因子中，对水位变幅影响最大的为降水，其余各影响因子因地下水开发利用的用途不同而各有差异。

b.考虑降水影响时，地下水超采情况随时间推移向好；不考虑降水影响时，由于取水和采煤的影响，地下水超采情况随时间推移有不同程度加重。

针对典型区孔隙水超采的影响因素，应采取综合措施保护地下水源，包括限制取用地下水的比例，加大关井压采力度，以当地地表水和跨流域调引黄河水替代地下水，实施节水行动，依据《地下水管控指标技术要求(试行)》分区制定地下水管控指标，依据《山西省人民政府办公厅关于加强地下水管理与保护工作的通知》严格落实超采区和限采区的相关规定等。