基于层次分析法的上海地下水超采区划定研究

何 晔

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072，2. 自然资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072，3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072)

地下水作为水资源的重要组成部分，既是维系区域生态环境的重要自然要素，也是保障社会稳定不可替代的基础支柱。然而全球地下水资源在气候变化和人类活动的影响下，消耗十分严重。近年来随着城市发展及生活水平的不断提高，地下水资源的供需矛盾日益突出，而地下水超采问题也日益严重，已经引起了诸如地面沉降、地裂缝、水质恶化和生态环境破坏等一系列与地下水超采相关的问题[1-6]。为加强地下水资源管理，保护优质的地下水资源，实现地下水资源可持续开发利用，保障经济社会可持续发展，需开展地下水超采区划定工作[7-9]，全面掌握地下水超采区现状和发展趋势，加快推进地下水超采区治理。

地下水超采区的划定方法也越来越趋于多样化并日益成熟，从最开始单一的开采系数法逐步演变为水位动态法、开采系数法和引发问题法等多种方法[10]。但无论水位动态法、开采系数法还是引发问题法都无法全面反映地下水超采情况，本次利用层次分析法建立上海市地下水超采区综合划定框架，对水位变化、开采系数以及开采引发的问题进行综合分析，以期为地下水超采区划定及科学合理制定地下水资源保护措施提供依据和参考。

1 区域概况

松散岩类孔隙水是上海地区内主要的地下水类型，蕴含丰富的地下水资源，是本次地下水超采区划定的对象。按照地质时代、水动力条件和成因类型，将第四系松散岩类孔隙含水层划定为全新统潜水含水层和微承压含水层（仅局部分布），上更新统第一、二承压含水层，中更新统第三承压含水层，下更新统第四、五承压含水层。

上海浅层地下水资源的开发利用主要以乡村分散的土井开采为主，目前全市浅层地下水的开采程度很低，主要为以基坑工程为主的工程建设活动的降排地下水量。全市地下水资源开发利用以深层承压水（第二至第五承压含水层）为主。自市区1860年开凿第一口深井以来，深井井数及其年开采量曾一度持续增长，1965年之前，全市开采量达1.35～2.03亿m3/a，达到历史的高峰，导致市区严重的地面沉降灾害，因此1965年后进行压缩开采，至70年代末开采量相对稳定，80年代后，需水量猛增的迹象加剧，而且在开采层次及地域上有所变化；随着集约化供水能力不断增大，目前全市地下水年度开采量持续压减，且幅度较大（如图1）。

图1 上海市承压含水层地下水开采量历年变化Fig.1 Diachronic change of groundwater extraction from confined aquifers in Shanghai

2 传统地下水超采区划定

根据《地下水超采区评价导则》[11]，传统地下水超采区划定主要采用水位动态法、开采系数法和引发问题法三种方法。数据统计分析以行政区域为单元，其中上海市区（黄浦区、静安区、徐汇区、长宁区、虹口区、普陀区、杨浦区）由于面积较小，合并为中心城区。

2.1 水位动态法

水位动态法是以地下水水位年均下降速率为评判指标进行超采区划定的方法。因地下水开采造成地下水水位呈持续下降趋势划定为一般超采区，浅层孔隙水水位年均下降速率大于1.0m/a或深层孔隙水水位年均下降速率大于2.0m/a划定为严重超采区。

以上海市为例，以2016年为基准年，评价期为2001～2016年，选取了582口地下水位动态监测井，按各行政区统计水位动态变化趋势，统计结果如表1。

表1 2001～2016年地下水水位年均变化速率统计Table 1 Statistical table of the average annual rate of change of groundwater level from 2001 to 2016

从上表可知，上海市各含水层地下水水位总体呈现上升态势，仅局部地区地下水水位有略微下降。可知上海市各含水层无地下水位持续下降地区，根据水位动态法，全市无地下水超采区。

2.2 开采系数法

开采系数法是以地下水开采系数为判别指标进行超采区划定的方法。地下水实际开采量超过可开采量划定为一般超采区，若年均地下水开采系数大于1.3，则划定为严重超采区。

针对上海市实际情况，浅部潜水和第一承压含水层地下水长期来未予开发利用，年度无计划开采指标；深部第二、三、四、五承压含水层地下水资源丰富且水质较好，是上海市常年开发利用的主采层。为此，根据开采系数法进行地下水超采区划定时，对于浅部潜水和第一承压含水层不予考虑地下水超采区划定。各行政区含水层实际开采量、可开采资源量以及开采系数如表2所示。

表2 2016年上海市第二 三 四 五含水层地下水开采系数统计表Table 2 Statistics of groundwater exploitation coefficients in the second, third, fourth and fifth aquifers in Shanghai in 2016

可知各区各含水层实际开采量均小于可开采量，故根据开采系数法，全市无地下水超采区。

2.3 引发问题法

引发问题法是以地下水开采诱发的生态与环境地质问题为评判指标进行超采区划定的方法。上海市因地下水开采造成的生态与环境地质问题主要为地面沉降。根据引发问题法，因地下水开采引发了地面沉降则划定为一般超采区；因地下水开采引发的年均地面沉降速率大于10mm/a划定为严重超采区。

根据表3可知，2001～2016年上海市大部分区域多年平均沉降速率小于10mm/a，只有如崇明东滩新成陆区等局部区域沉降稍大，因此根据引发问题法划定上海全市为一般超采区。

表3 上海市地面沉降速率统计表（2001～2016年）Table 3 Statistics of land subsidence rate in Shanghai (2001-2016)

2.4 传统划定结果分析

由上述结果可知，三种方法得出的划定结果不尽相同，其中根据水位动态法和开采系数法，上海市无超采区，而根据引发问题法，上海全市为一般超采区。这主要是由于水位动态法和开采系数法更直接反映评价区域当下的地下水位变化和地下水超采情况，而地面沉降相对地下水位变化具有滞后性及不可逆性，上海历史地下水超采导致的累积地面沉降仍较大，且工程建设，特别是深基坑降水引发的局部区域差异沉降仍长期存在。可知三种传统方法侧重点不一样，故考虑采用层次分析法建立地下水超采区综合划定框架。

3 基于层次分析法的地下水超采区综合划定

3.1 层次分析法概述

层次分析法（Analytical Hierarchy Process，简称AHP）是美国运筹学家Saaty教授提出的一种多准则决策方法[12]，它是对一些较为复杂、较为模糊的问题做出决策的简易方法，特别适用于那些难于完全定量分析的问题，在决策工作中有广泛的应用。

其基本步骤主要为4步，第一步是将最终目标分解成若干层次，如目标层、准测层、资源层和指标层等；第二步是根据专家咨询，将各层次的各元素进行反复的两两比较，确定其权重；第三步是收集真实数据计算各指标值，并得到最终评估系数（取值范围为0～1）；第四步即在上述计算结果的基础上进行最后的评估。

3.2 地下水超采区综合划定

（1）构建层次体系

以上海市地下水超采区划定为例，主要分为目标层、资源层和指标层三层。本次以上海市地下水超采区划定为最终目标，即作为层次体系的目标层；按地级行政区将地下水开采区域作为资源层；参照传统划定方法，选取地下水位、地下水开采和地面沉降等作为指标层。

（2）确定权重

一般来说，确定权重是一个冗长的过程，首先需要找到合适的专家组，然后对各层次元素两两反复比较判断，最终得出专家组可接受的一致性结果。这一过程需综合考虑实际的地下水需求情况、对各项指标的敏感程度、生态地质环境问题以及政策因素等，工作量大且需经费支持。本次在无法满足前述条件情况下，采取一种较简单方式分配资源层（Aspects）和指标层（Indicators）权重，公式如下：

其中：WA(i)为第i个资源的权重，WI(i,j)为第i个资源的第j个指标的权重，N为资源数量，Ni为第i个资源的指标数量。

上述分配权重方式，只要确定了资源、指标数量，即可得出相应权重，简单便捷。本框架资源层共分10个资源即：中心城区、闵行区、宝山区、嘉定区、浦东新区、金山区、松江区、青浦区、奉贤区和崇明区。利用上述方式，即每区域权重为1/10，但与上海实际情况不符，故在其基础上根据每个区域面积大小并结合《上海市地面沉降控制区范围划定方案》（上海市规划和国土资源管理局、上海市水务局、上海市住房和城乡建设管理委员会、上海市交通委员会，关于印发《上海市地面沉降控制区范围划定方案》的通知，沪规土资矿[2018]155号）中每个区域地面沉降防治重要程度综合确定各区域权重。

地下水位、地下水开采和地面沉降三大指标很难判断哪个更重要，故采取上述公式平均分配权重。

（3）计算地下水超采系数

收集真实数据并计算各指标值，最终计算地下水超采系数。系数的取值范围一般为0～1，当一个系数为0时，即表示某指标下某资源区域地下水超采非常严重，为1则表示地下水超采控制的非常好，故系数值越大表示地下水超采控制的越好。最终的地下水超采系数用Ω表示，相应的各资源、各指标的系数为ΩA、ΩI。数据收集计算出的指标值（x）需无量纲化且取值范围为0～1，ΩI为x的函数。本框架计算地下水超采系数，采用线性方程，各系数计算公式如下：

本次在参照Bui等人方法[13]的基础上，将地下水超采系数进行分级，如表4所示。在传统的严重超采区、一般超采区和非超采区之外增加了超采临界区和开采潜力区，提高了地下水超采区划定的精细度。

表4 地下水超采系数分级表Table 4 Scale of groundwater overexploitation Indices

（4）地下水超采综合评估

本次三大指标为地下水位、地下水开采和地面沉降，结合上海实际含水层情况，其中地下水位细分为潜水、第一至第五承压含水层等6个水位变化指标（崇明区一含缺失，只有5个水位变化指标），地下水开采细分为第二～第五承压含水层等4个开采系数指标，加上1个地面沉降指标，故共有11个小指标（崇明区10个）。为使每个指标与超采系数呈正相关，定义每个含水层水位变化指标为1减去水位下降区域面积占比，每个含水层开采系数指标为1减去开采系数（当开采系数大于1时，取该指标值为0），地面沉降指标为1减去地面沉降区域面积占比。为了便于对比，指标计算所采用数据仍参照前述传统方法，以2016年为基准年，评价期为2001～2016年。最终得出上海市地下水超采综合评估结果如表5所示。

表5 上海市地下水超采区综合划定Table 5 Comprehensive delimitation of groundwater overexploitation zones in Shanghai

从上表可知，在综合考虑地下水位、地下水开采及地面沉降的基础上，上海市最终地下水超采系数为0.656，属于非超采区，其结果与近年上海市压采地下水、持续开展人工回灌，各含水层地下水位抬升且地面沉降总体趋缓可控的现状较吻合。每个行政区除了金山区外都属于非超采区，金山区虽然地下水几乎没有开采，但可能由于受邻近省份历史地下水开采影响，部分区域存在地下水位下降，故超采系数值稍低，为0.585，属于超采临界区。

4 结论和建议

本文在传统的水位动态法、开采系数法和引发问题法对比分析的基础上，基于层次分析法建立上海市地下水超采区综合划定框架，统筹考虑地下水位、地下水开采及地面沉降，综合划定了上海市地下水超采区。

（1）水位动态法、开采系数法可以比较好的反映评价区域当下的超采情况；由于地面沉降的滞后性、不可逆性，引发问题法更反映评价区域历史的超采情况；而本次地下水超采综合划定框架，统筹考虑了三方面因素，为后续深入研究提供了参考和借鉴。

（2）本次划定框架资源层权重分配，综合考虑了上海行政区域面积和各区地面沉降防治重要程度的影响，较符合上海实际情况。

（3）本次仅建立了初步的划定框架，指标层权重为平均分配，且地下水超采系数计算采用线性函数，后续可结合水资源管理标准、相关政策和专家意见重新调整权重，并根据监测数据进行计算方程拟合，建立标准的地下水超采区综合划定体系，使其更符合上海实际情况及政府需求。

（4）目前上海在改善地下水超采程度和控制地面沉降等方面都已取得显著成效，但地下水位持续抬升，可能带来一定不良效应，需因地制宜，对地下水实行更精细化、科学化管控，加强地下水采灌动态调节。