基于层次分析法对扬州市深层地下水资源评价

王红梅，黄 勇，王丽丽

(1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210098；2.江苏省水文水资源勘测局 扬州分局，江苏 扬州225002)

基于层次分析法对扬州市深层地下水资源评价

王红梅1，黄 勇1，王丽丽2

(1.河海大学 地球科学与工程学院，江苏 南京210098；2.江苏省水文水资源勘测局 扬州分局，江苏 扬州225002)

针对我国目前缺少有效评价城市地下水资源脆弱性的问题，本文以扬州市规划区(广陵区、邗江区)为例进行地下水资源脆弱性评价探讨，结合其地下水资源的特性、水文和地质资料，选取了13个指标构建地下水资源脆弱性评价指标体系，运用层次分析法确定指标权重并进行一致性分析。结果表明，扬州城市规划区深层地下水脆弱性等级为Ⅱ-Ⅲ级，地下水资源相对丰富。

地下水资源；脆弱性；指标体系；层次分析法；扬州市

水资源脆弱性研究源于20世纪60年代法国Albinet和Marget提出的地下水资源脆弱性概念，是度量水资源安全的重要标准，也是作为制约水资源安全的基础性问题[1]。邹君等[2]针对衡阳盆地利用综合指数法进行了地表水资源的脆弱性及其评价分析；匡洋等[3]以河海流域为研究对象，利用主成分分析法进行了河海流域水资源脆弱性理论及评价；孔庆轩等[4]利用DRASTIC模型，对黑河市浅层地下水进行了地下水脆弱性评价。总体来说，国内地下水资源脆弱性研究还处于初步阶段，近年来人们对地下水脆弱性研究主要集中在地下水污染方面，而针对城市地下水资源量的脆弱性方面极少，因而本文结合扬州规划区的特点对其地下水资源脆弱性进行分析评价。

1 研究区概况

随着近年来地方经济建设的飞速发展，扬州市替代水源工程的全面实施，地下水资源管理工作的日益加强，规划区地下水资源的开采利用发生了较大变化，其水位动态亦产生了明显的起伏回落。扬州市漏斗中心在扬州毛纺厂(现通裕一纺)附近，呈轴向北东向延伸，漏斗面积近10km2[5]。因此，在扬州规划区开展深层地下水资源脆弱性评价，对预测将来地下水资源安全变动走向，探求地下水资源安全的过程和关键性要素具有十分重要的意义。

1.1 研究区位置

研究范围为扬州市所辖的广陵区、邗江区(以下简称扬州城市规划区)，总面积约1 021km2，属于长江中下游平原和江淮平原，地势平缓，地处亚热带湿润气候区，季风显著，四季分明，年平均气温14.8℃。扬州城市规划区南濒长江，东依江都区，西邻仪征市，北接高邮市，地跨北纬32°13′～32°40′，东经119°16′～119°34′，区内淮河流域面积866km2、长江流域面积155km2。根据扬州雨量站降水量资料，多年平均降水量1 031.6mm，最大年降水量1 576.7mm(1954年)，常年蒸发量为700～1 000mm。研究区内承压含水层埋藏深度较大，不易接受大气降水补给，在天然状态下来自古淮河、古长江河道上游地区地下水径流补给，消耗于人工开采和地下径流排泄。

1.2 水文地质条件

研究区内按含水介质性质分松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两大类，以松散岩类孔隙水分布最广泛，水量最丰富，为扬州市区主要供水开采层，而基岩水被不同程度掩埋，仅在局部地区有少量开采。因此本次区内评价对象为松散岩类孔隙水，不涉及基岩裂隙水。按含水层的埋藏条件和成因时代可分为潜水和第Ⅰ承压、第Ⅱ承压、第Ⅲ承压和第Ⅳ承压水五个含水层组。由于主要开采第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅲ承压含水层，因此本文研究的深层地下水主要是以上3个承压含水层。

第Ⅰ承压含水层组：该含水层组分布在蒋王镇—扬州一线沿岸抵长江地区，由第四系上更新统(Q3)古长江冲击砂层构成，在北部地区存在含水层缺失情况。含水层顶板埋深24.4～56.0m，向东南倾斜，砂层厚度14.0～74.0m，水位埋深2～3m。富水性受古长江河道控制，新坝—红桥一带为古长江主泓线区，含水岩性为含砾粗砂、含砾中粗砂，砂层厚度达56m，单井涌水量由3 000～4 000m3/d，从新坝至扬州方巷含水层厚度逐渐变薄，含水介质颗粒逐渐变细，单井涌水量由3 000～4 000m3/d逐渐向小于500m3/d过度，扬州市区西北部为漫滩边缘区，含水岩性为粉细砂组合，单井涌水量小于500m3/d。沿江一带与潜水含水层之间水力联系密切。

第Ⅱ承压含水层组：该含水层组分布于甘泉(祝庄)—扬州市区(城南)—霍桥—红桥(北)一线以北地区，主要由第四系中更新统(Q2)古淮河支叉河到冲击砂层构成，南部地区含水区含水层缺失严重。含水层顶板埋深70.0～90.0m，砂层厚度8.0～56.0m，富水性受古河道控制；赤岸—黄珏—弯头一线为古河道，含水岩性为中粗砂，砂层厚度35.0～56.0m，单井涌水量2 000～3 000m3/d；古河道以南由漫滩向边缘过渡，岩性由中细砂向细砂渐变，含水层逐渐变薄，单井涌水量由1 000～2 000m3/d向小于500m3/d过渡。

第Ⅲ承压含水层组：该含水层组分布于甘泉—酒甸一线以北，由第四系下更新统(Q1)淮河古河道冲击砂层构成，南部地区含水层缺失严重。含水层顶板埋深110.0～140.0m，砂层厚度10.0～35.0m，为单层含水层结构。富水性受岩性和砂层厚度控制，滨湖—黄珏一带为古河道摆动区，含水岩性为中粗砂，砂层厚度25.0～35.0m，单井涌水量2 000～3 000m3/d。漫滩区含水岩性为中细砂、边缘地区为细粉砂，单井涌水量由1 000～2 000m3/d向小于单井涌水量500m3/d变化。该层组在区内北部的乡镇已开发利用，水位埋深15.0～20.0m。

目前，第Ⅱ和第Ⅲ承压含水层为扬州市区地下水的主采层，分布在城区东北部，大致分布在岗区以南，瘦西湖以东，北河下以北。顶板埋深一般在70～90m。自西到东，自南到北，含水砂层逐渐变厚，东边电厂一带最厚，含水层厚度达60m左右。这两个含水层之间的隔水层较薄，有些地方不足1m，实际成井过程中，某些地区这两层相互连通，同时开采两个层位地下水，具体见图1扬州市水文地质剖面图。

2 地下水开采现状

根据2004～2014年《扬州市水资源公报》中地下水开采资料，分开采量、开采用途和主采层统计分析近十年地下水开采情况。至2014年底，区内有承压含水层取水井104眼，地下水开采量403×104m3，均用于工业。

2.1 地下水开采量

2004年至2006年，区内深层地下水开采量基本在1 400×104m3左右，分别用于工业和生活；2007年区内区域供水工程全面实施通水，地下水不作生活用途，2007年至2014年开采量稳步下降，由664×104m3降至403×104m3。根据2014年地下水开采利用调查结果显示，区内2014年地下水总开采量403.4×104m3，日均开采量1.1×104m3。各区由于水文地质条件及社会经济发展状况等不同，地下水开发利用强度也存在较大差异。总体而言，区内开采井在广陵区分布密度最大，达0.2眼/km2，开采强度明显高于邗江区；全区平均开采井密度约0.1眼/km2，开采模数为0.41×104m3/(a·km2)。

2.2 地下水用途

2004年至2006年区内深层地下水用于工业和生活。乡镇水厂取用地下水作为生活用途，而随着区域供水工程的实施，乡镇地下水厂取水量逐年减少，2007年区域供水工程全面通水，区内水厂水源由地下水全部改为地表水，地下水不作为生活用途，目前地下水仅用于特殊行业的工业用水。

3 地下水资源脆弱性评价

地下水资源系统错综复杂，相互间产生作用，选出的主要指标的评价因子应具备科学性、完整性、主导性、独立性和动态性。按地下水资源脆弱性形成因素，确立的脆弱性指标分为自然、人为、承载三大类。

3.1 指标的选取

以下指标都是针对承压含水层而言，自然脆弱性方面选取干旱指数(x1)、年平均降雨量(x2)、隔水顶板厚度(x3)、含水层厚度(x4)、贮水系数(x5)和渗透系数(x6)6个指标。x1说明了气候干旱程度，其值是年蒸发能力和年降水量的比值;x2与地表水的补给有直接关系，都侧面反映出是否会大量开采地下水的可能；x3、x4和x5反映了扬州市区地下水资源的丰富程度，主要体现含水层储水蓄水能力；x6代表土的渗透性强弱的定量指标。本文通过对3个含水层井进行抽水试验或注水试验取得渗透系数，范围是9.10×10-4～3.25×10-1cm/s，基于渗透系数所得到的注水系数为1.22×10-3～6.42×10-2。

人为脆弱性方面选取人均地下水资源量(x7)、地下水开发利用率(x8)、地下水占用水比例(x9)和植被覆盖率(x10)4个指标。x7是通过Feflow软件进行数值模拟计算取得，3个承压含水层可开采地下水资源量共1 288.61×104m3/a，城市规划区人口以2003年计约为118.59万，则人均地下水资源量为10.86m3/a。x8和x9反映了人类活动影响下地下水资源的配置和开发利用程度[6]。x10在一定程度上与防止水土流失有关，地表枯枝落叶层对水土有保持作用，地下根系可提高土壤抗冲性。

承载脆弱性方面选取人口密度(x11)、人口增长速度(x12)和工业万元产值用水量(x13)3个指标。这三个指标主要从人类社会对水的需求的角度反映人类社会活动给水资源系统带来的压力。

表1 地下水资源脆弱性评价指标

3.2 评价指标分级标准

对评价指标采用常用的5级100分制划分等级，根据评价区域各评价单元指标的现状值进行评分(表1)。指标采用等间距分级方法确定分级临界值，即先确定各指标数值的极差，将其除以5得到分级的级差，然后确定分级临界值，具体详见曹茂林的层次分析法确定评价指标权重及Excel计算[7]。在江苏省或者全国范围内考虑各指标数值的极值分布，进而确定各指标的极差。

3.3 权重与一致性计算

(1)构建判断矩阵。判断矩阵是一个正交矩阵，左上至右下对角线位置上的元素为1，其两侧对称位置上的元素互为倒数，其中xij>0，xii=1，xij=1/xji(其中i，j=1，2，…，n)。本次研究n=13，根据九级标度法进行78次比较，其构造矩阵见下面公式(1)。

(1)

(3)一致性检验。当一致性指标CI<0.1时认为层次排序结果符合一致性要求；当CI>0.1时，需要重新调整各指标的权重取值，直到获取一致性为止。式中CI可以用式(2)计算

CI=(λmax-n)/(n-1)=(14.069 4-13)/(13-1)=0.089 1

(2)

式中：λmax为最大特征根，n为判断矩阵阶数，表2为重复计算1 000次得出的RI值[7]。一致性检验是通过一致性指标CI与平均随机一致性指标RI之比求出随机一致性比率CR，即

CR=CI/RI=0.089 1/1.56=0.057 1<0.1

因此地下水资源脆弱度(V)采用综合指数加权求和模型计算，即

(3)

式中，fi为各评价指标原始数据经过分级打分所得的数值; wi为各因子相对地表水资源脆弱性的权重系数; n为指标数，本文n=13; vi为各个指标在脆弱度中所占分值，根据地下水脆弱性评价指标体系V越大，脆弱度就越高；反之，脆弱度就越低，数值大小保持在0～100之间(表2)。

4 结果分析与评价

采用加权几何平均综合排序向量法计算得到指标层各评价因子相对于地下水资源脆弱性的权重，各因子的权重计算结果见表3。在众多评价指标中，地下水开发利用率和地下水占用水比例最大，达到34.10%，人为脆弱性占56.33%，对规划区脆弱性影响最大。由式(3)可以计算地下水资源脆弱度(V)的值(表4)。从表中可以看出，邗江区脆弱度为40.34，属于等级Ⅲ，表明地下水资源容易贫乏。广陵区脆弱度为34.50，属于等级Ⅱ，表明地下水资源丰富。

表2 地下水脆弱性评价指标

5 结论

利用AHP法确定了深层地下水评价因子的相对权重，其中人为脆弱性权重为0.563 4，自然脆弱性权重为0.258 5，承载脆弱性权重为0.178 1，表明扬州市地下水资源利用方面的人为合理调控行为在降低水资源脆弱性方面的作用比较大；扬州市邗江区的脆弱性属于等级Ⅲ，表明地

表3 评价因子权重

表4 地下水脆弱性分区

下地下水资源容易贫乏；广陵区的的脆弱性属于等级Ⅱ，表明水资源丰富。

[1]DOERFLIGERN,JEANNINPY,ZWAHLENF.WatervulnerabilityassessmentinKarstenvironments:anewmethodofdefiningprotectionareasusingamulti-attributeapproachandGIStools[J].EnvironmentalGeology,1999，39(2)：165-176.

[2]邹 君，刘兰芳，田亚平，等.地表水资源的脆弱性及其评价初探[J].资源科学，2007，29(1)：92-98.

[3]匡 洋，夏 军，张利平，等.海河流域水资源脆弱性理论及评价[J].水资源研究，2012(1)：320-325.

[4]黄友波，郑冬燕，夏 军，等.黑河地区水资源脆弱性及其生态问题分析[J].水资源与水工程学报，2004，15(1)：32-37.

[5]张成元，赵苇航.扬州市区深层地下水资源及其开发利用[J].扬州师院学报，1991，11(4)：58-64.

[6]李章林，贾仁甫，邓 勇，等.扬州市水资源开发利用现状及管理对策[J].江苏水利，2015(5)：34-36.

[7]曹茂林.层次分析法确定评价指标权重及Excel计算[J].江苏科技信息，2012(2)：39-40.

(责任编辑 王利君)

Evaluation of deep groundwater resources Yangzhou based on AHP

WANGHongmei1，HUANGYong1，WANGLili2

(1.SchoolofEarthScienceandEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.HydrologyandWaterResourcesSurveyBureauofJiangsuProvince,Yangzhou225002,China)

Vulnerabilityofgroundwaterresourcesisthebasisforregionalwaterresourcesplanningandmanagement.Inviewofthecurrentlackofeffectiveevaluationofgroundwaterresources,thegroundwaterresourceswasevaluatedbytakingtheYangzhouCityPlanningArea(Guangling,HanjiangDistrict)asexample.Basedonthecharacteristicsofgroundwaterresources,hydrologicalandgeologicaldata,thirteenindexeswereselectedastheassessmentindexsystem,AndtheAHPwasusedtodeterminetheindexweightandfinishtheconsistencyanalysis.TheresultsshowedthatthegroundwatervulnerabilitygradeofYangzhouurbanplanningareaisⅡ-Ⅲ,thegroundwaterresourcesarerelativelyrich.

groundwaterresources;vulnerability;indexsystem;AnalyticHierarchyProcess;Yangzhou

1673-9469(2016)04-067-05doi:10.3969/j.issn.1673-9469.2016.04.015

2016-07-13

国家重点实验室专项经费资助项目(20145027312)

王红梅(1991-)，女，安徽马鞍山人，硕士，研究方向为水文地质。

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