上海市深井健康状况评估方法研究

傅旭升，罗济稳，蔡 盛

（1.上海市供水管理事务中心，上海 200081；2.上海市岩土地质研究院有限公司，上海 200072）

目前国内外尚未报道专门针对地下水深井进行系统性健康状况评估的案例。中国水资源分布不均，还存在水质问题，因而地下水开采由来已久。由于早期地下水过度开采，导致许多大城市地面沉降频繁发生，并逐步向中小城市蔓延。20世纪末至21世纪初，为控制地面沉降，又新建一批专灌井及应急（兼回灌）深井，近十几年来随着环境保护日益重视，又建设了一批水质监测井。至此，地下水深井建设规模已相当庞大，而如何管理和维护这些深井，对深井进行健康状况评估，成为当下较为紧迫需要解决的问题。

本次针对目前国内深井现状，以长三角最为典型的上海市为例开展深井健康状况评估方法研究，为后续工作的展开提供技术参考。

上海位于长江入海口，属长江三角洲平原，第四系沉积厚度大，地下水资源丰富，历史上因地下水大量开采，引发了严重的地面沉降问题。为此，在控制地下水开采的同时，开展地下水人工回灌，对地面沉降防治起到了积极作用[1]。

地下水的开采与回灌，都是通过深井实现的，从20世纪60年代至今，上海市建成使用的地下水开采井、回灌井、应急供水井、民防战备井及各类地下水监测井达二三千口，目前仍在使用的也有数百口。为有效利用各类深井，并进行精细化管理，提高深井运行效率和延长深井使用寿命，迫切需要对现有深井开展健康评估。

1 评估方法确定

1.1 评估方法分析

根据历年来的工作经验及地下水深井的实际情况，地下水深井评估涉及的评价指标繁多，既有量化指标又有非量化指标，如何将不同类别的单因素评价指标对深井评估的影响进行有效综合，从而达到对地下水深井全面评估显得尤为重要。

多因素综合评价中对某对象进行评价时一般依据多个属性，将综合评价值假定为各属性的线性组合。因此，合理确定线性组合系数，即各属性权重，是进行多因素综合评价的前提。各属性权重的确定需要用到数据列自身的信息以及数据列的相互关系。数据列自身包含的信息越多则该属性权重越大，反之其权重越小[2]。

如表1所示，不同方法对同一套数据赋予权重其结果并非一致，同一种方法对同一套数据赋予权重处理过程不同其结果也存在不同。因此，深井健康状况多因素综合评价中，合理指标体系的构建和合理指标权重方法的选择是得出合理研究结论的关键，权重的确定直接影响数据结果进而影响研究结论。

表1 多因素综合评价中多属性权重赋值方法分类Table 1 The classification of multi-attribute weight assignment methods in multi factor comprehensive evaluation

1.2 评估方法选取

深井健康状况评估（以下简称“评估”）是整个地下水深井工程至关重要的组成部分，而评估方法优选又是地下水深井评估的重要环节之一，评估方法选择是否得当，对评估能否达到预期效果有决定性影响。而评估方法的选择受多种因素的影响，总结为四大类，即初始状态技术因素、维护保养技术因素、管理因素和经济因素。

通过上述分析，本次评估方法选择层次分析法（AHP）[3-4]与模糊综合评价法（FCE）[5-7]相结合的方法。

2 评估因子分析

根据上海市已有地下水深井及历年来的工作经验及资料收集和归纳总结，再通过咨询行业专家意见，本次评估包括四大类，即初始状态技术指标、维护保养技术指标、管理指标和经济指标，总计15个评估因子，详见表2所示。

表2 深井健康状况评估因子选取Table 2 Selection of evaluation factors for deep well health

3 深井健康评估

3.1 构建判断矩阵

（1）构建一级矩阵A-B

构建层次A-B判断矩阵如下：

将判断矩阵每一列正规化的矩阵按行相加及按行归一化：

采用MATLAB软件计算A*WA结果如下：

再进一步计算得：

CI = (λmax-n) / (n-1) =0.043。

根据层次分析法相关表格可查得RI对应取值为0.89，

CR = CI / RI = 0.048 < 0.1

因为CR＜0.10，所以判断矩阵A满足一致性，说明权重分配是合理的。各项指标权重分配如表3。

表3 深井健康状况评估一级评价权重分析Table 3 The weight analysis of first level evaluation of deep well health status evaluation

（2）构建二级矩阵B-C

同理可计算得到二级矩阵B-C权重如表4。

表4 深井健康状况评估二级评价权重分析Table 4 The weight analysis of two level evaluation of deep well health status evaluation

3.2 构建评估指标隶属矩阵

根据评估方法，可得到隶属矩阵如表5所示。

表5 深井评估等级及指标隶属度Table 5 The grade and index membership degree of deep well evaluation

3.3 二级模糊评价

根据相关公式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 一级模糊评价

由此可得本次深井健康评估模糊评价效果A，结果为：模糊评价效果A=0.534,深井健康评估为优秀；模糊评价效果A=0.314,深井健康评估为良好；模糊评价效果A=0.152,深井健康评估为合格；模糊评价效果A=0,深井健康评估为差。

3.5 综合评估

（1）综合评估因素集

综合评估因素集即指标体系，根据深井健康状况评估技术要求，地下深井工程进行综合评估时，需在初始状态技术指标、维护保养技术指标、管理指标、经济指标四方面进行评估，具体评估指标如表2所示。

（2）综合评估评语集

地下水深井工程综合评估评语集V，在本文中分为优秀（V1）、良好（V2）、合格（V3）、差（V4）四个等级，采用百分制将四个等级进行量化表示：

深井评估相关标准及含义详见表6，评价结果指标如表7。

表6 深井健康状况评估标准及含义Table 6 The evaluation criteria and meaning after deep well health status evaluation

该方法存在一个隶属度等级评价确定与实际应用中不相适应的问题，若直接套用该方法，例如某口井完全符合Ⅰ级优秀等级，按照前述流程及表7隶属度等级计算结果如下：

表7 深井健康状况评估指标等级评价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、合格和差级别分别为25.12分、9.88分和0分。

计算结果与日常分级（表6）不一致，故需要对隶属度等级评价进行优化调整，使之与日常使用的评估等级一致，优化后的隶属度等级如表7右侧所示。

通过该优化后的计算可得：优秀100~80分、良好80~65分、合格65~50分、差50分以下，与日常使用分值划分一致，认为该优化是可行的。

4 深井案例分析

4.1 基本情况

上海第五承压含水层某应急供水深井，同时也是一座回灌井。其地处青浦区，所处含水层为早更新世早期中段（Q1

1-2）河流相沉积。在大盈—香花桥—方家窑—徐泾一线以南因基岩隆起，含水层缺失，该线以北地区含水层发育较好，其顶面埋深为242~245 m，厚约15~20 m。岩性为灰色、褐黄色细中砂，富水性在赵屯、华新、凤溪一带较好，单井涌水量为1000~3000 m3/d，其他地区小于100 m3/d。区内水质均为矿化度小于1g/L的淡水。

4.2 案例评估

（1）初始状态技术指标评估

该回灌深井井深为270 m，管径Φ325 mm，地层岩性为灰色细中砂—灰色细砂—灰色黏土夹砂。野外凿井施工于2014年3月19日开始，2014年4月1日完成抽水试验，历时14天，并顺利通过验收。

该深井成井质量较好，成井材质为较耐用的铸铁管，滤水管为缠铜丝滤水管，井管完好程度无毛刺，符合相关要求。洗井后水路畅通，浑浊度小于1/20万，静水位-29.7 m，动水位-37.3 m，出水量Q=105 m3/h，降深7.6 m，单位涌水量13.8 m3/h·m，沉渣小于0.20 m，各项指标均满足成井过程的质量控制要求。

（2）维护保养技术指标评估

该深井成井至今已有7年，有专人进行深井保护，至今未出现过大的破损或损坏，水质为淡水。水位呈现逐年上升趋势，至2021年静水位上升到-14.40 m，各年度水位上升情况如表8所示。该回灌井年度最大可回灌量整体较好，呈现整体缓慢降低的趋势，符合深井回灌变化规律。而根据图1地下水位变化趋势图可知，上海市整体地下水位在近十几年来一直处于上升趋势，与某回灌深井区域地下水位变化趋势基本吻合。

表8 某回灌深井各年度地下水位与回灌量Table 8 The groundwater level and recharge amount of a reinjection deep well

图1 上海市历年地下水各含水层水位变化趋势图Fig.1 The water level change trend of groundwater aquifers in Shanghai over the years

（3）管理指标评估

该井因地下水微生物及物理化学反应[8-9]，对深井泵造成一定的腐蚀作用，故进行过两次深井泵的更换，目前采灌设备状况运行正常，每年均对该深井进行维护保养，对老旧破损电线等相关附属设备进行更换。由于上海市整个区域地下水位的连年上升，地下水回灌总量有所下降，但是回灌功能一直得到保持，各年度回灌信息均有相应资料记录和管理，符合相关要求。

（4）经济指标评估

该井位于青浦某基地培训中心内，目前该基地周边环境未发现有危险源存在，对环境影响小，在可控范围内。作为地面沉降防治设施之一，该深井利用率较高，每年均有不定量的回灌指标要求，均能正常回灌，未发现明显故障问题，作为长期投资项目，该深井目前运行、维护等各项指标均符合相关规范要求。

4.3 评估结果

通过各评估因子符合性检验，得出该基地培训中心深井基本符合各项指标要求，各指标符合性参照表7，C1~C8、C11~C15的隶属度均为1.000，属I级的优，C8~C9两项的隶属度均为0.700，属II级的良。

因此，依据上海市深井健康状况评估方法进行综合评价，该深井健康状况达到良好以上，评价结果F为：

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

综合评价结果表明，本次深井健康状况评估达到了“优秀”等级，即该深井在成井初始状态技术指标、维护保养技术指标、管理指标及经济指标等各方面措施相对到位，运行效果较好，与实际情况基本一致，表明该模型在地下水深井评估中具有较好的适用性，评估结果可作为地下水深井维护保养及相关处理的技术依据，有利于地下水深井资源的优化配置。

5 结论与建议

5.1 结论

（1）根据本次选取的评估方法及评估因子，对地下水深井的评估是切实可行的，可以作为上海市深井健康状况评估的参考依据。

（2）采用该模型进行深井健康状况评估减少了人为主观性，使模型更加符合客观实际。

（3）通过具体实例对建立的基于模糊数学与层次分析的多因素综合评判模型进行了检验，结果证明该方法是合理的、可行的，选出的最优评估方法是与实际相吻合的，评估结果可作为深井健康状况评估的技术依据。

（4）从所采用的多因子评估方法特性而言，该方法不仅对上海深井健康状况评估有效，对其它深井或类似多因子模糊评估均有一定的借鉴和指导作用。

5.2 建议

为加强精细化管理，提升深井维护的运行效率和延长深井使用寿命，通过本次对上海市深井健康状况评估方法研究，提出如下二点建议：

（1）地下水深井应定期进行一次全面的健康状况评估，为深井的维护保养或进一步处理提供动态依据。

（2）对初始状态技术指标、维护保养技术指标、管理要求及经济合理性均较差的地下水深井，建议委托有资质的单位进行进一步的处理维护或封填。