基于可变模糊模型的辽宁省地下水安全综合评估研究

史玉飞

(辽宁西北供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110000)

地下水属于辽宁省重要的供水水源之一。目前，辽宁省地下水资源开采量占总供水量的比例高达30%，这其中40%的农业灌溉、30%的生活用水以及30%的工业用水来自地下水[1]。地下水总体水质达标状况较为不理想，农业面源污染逐步成为影响地下水水质状况的主要因素[2]。地下水资源的开发和利用，将会对区域地下水安全产生影响。地下水是一个非常复杂的系统，地下水安全问题一部分是由自然环境造成，一部分是人为原因产生的[3]。对区域地下水安全进行综合评估，可以为区域地下水安全保护和可持续利用规划提供重要的参考价值[4]。近些年来，围绕地下水安全的研究不少，不同学者从不同角度对区域地下水安全进行评估研究。王世界[5]基于HydroGeoSphere模型对辽河沈阳区域地下水安全进行风险分析，结合风险评估成果对于沈阳地区地下水安全进行安全风险限值的划定。尉意茹等[6]从理论的角度梳理了对地下水安全保障模式研究的一些要点，分析出一套针对不同水量、不同水位的地下水安全保障模式。李西林[7]对水利工程建设影响下的松原市地下水水源地安全进行评价，通过构建适合研究区地下水水源地安全综合评价的指标体系对10个地下水水源地进行了地下水安全评估。艾尼瓦尔·苏来曼[8]基于熵权云模型组合对新疆喀什地区地下水供水安全进行评估，评估结果表明喀什地下水供水安全综合评价值为0.094 5～0.252。区域地下水供水总体达到较安全的程度。刘革等[9]对阜阳市农灌区浅层地下水安全开采量进行定量评价，分析表明阜阳市多年平均浅层地下水的安全开采系数为0.469。刘博[10]对城镇地下水水源地安全进行评价研究，基于改进的DPSIR框架建立了适用于我国城镇地下水水源地安全评价体系。文章结合可变模糊模型，对辽宁省地下水安全进行综合评估，为辽宁省地下水保护规划具有重要参考价值。

1 可变模糊模型对地下水安全综合评估

可变模糊模型可综合考虑不同指标的组合权重，通过构建指标评价集对区域地下水安全进行综合评估，评估步骤为：

(1)建立地下水安全综合评估指标集合U={x1，x2，…，xn}；

(2)构建评价目标集合：V={y1，y2，…，yn}；

(3)对模糊评价指标权重各评价指标进行构建：

F(U)→F(V)，A→AR=B

(1)

式中，R—从评价指标集合U到目标集合V建立的模糊矩阵，其计算方程为

R=(rij)n×m

(2)

需要对各特征指标进行归一化处理，归一化方程为

(3)

(4)

对于地下水安全综合评估值B={0.1～0.3}，为不安全状况；B={0.3～0.5}，为较不安全状况；B={0.5～0.7}，为较安全状况；B={0.7～1.0}，为安全状况。

2 实例应用

2.1 辽宁省地下水资源概况

辽宁省多年平均地下水资源量按照第二次水资源评价成果分为平原区地下水资源量和山丘区地下水资源量，分别为63.99亿m3和67.42亿m3，两个区域地下水资源开采量分别为55.56亿m3和15.91亿m3。辽宁省地下水安全主要体现在4个方面，第一是地下水超采量多，总体超采面积不高。辽宁省地下水资源超采区主要分布在辽河平原区、辽西地区以及部分市区的主要供水水源集中地，地下水超采面积超过2000km2。第二是地下水受海水入侵问题较为突出，根据《辽宁省水资源公报》，辽宁省海水入侵面积为900km2左右，大连地区海水入侵比重最大。第三是地下水受到不同程度的污染，铁和锰是辽宁省地下水污染超标的两个主要因子，根据《辽宁省水资源公报》统计分析，除去铁和锰两个指标全省地下水水质优于III类水体的面积不高于45%，地下水污染形势不容乐观。第四是区域农业灌溉用水方式比较粗放，全省农业节水灌溉水平低于全国平均值，地下水资源利用率未得到显著改善。

2.2 评估指标体系的构建

综合考虑区域地下水安全影响的水量、水质指标，构建区域6个评估指标，具体指标分别为地下水供水能力指标(C1)、地下水开发利用效率(C2)、地下水污染化学一般指标(C3)、地下含水层的埋深指标(C4)、地下水面源污染指标(C5)、地下水废水处理指标(C6)。

2.3 指标归一化处理

结合辽宁省二次水资源评价成果，结合专家赋分方法对上述指标进行设定，见表1，并对6种特征指标进行标准归一化处理，结果见表2。

表1 辽宁省地下水安全综合评估特征指标赋值结果

表2 各区域地下水安全综合评估标准归一化处理结果

从辽宁省各市地下水安全评估的特征指标可看出，通过对地下水供水能力、开发利用率、水质特征、污水处理能力进行综合赋分，辽宁中部(鞍山、抚顺、铁岭、沈阳、盘锦、辽阳)城市地下水供水能力和污水处理能力一般较高，但地下水开发利用率以及水质特征指标较低，这主要是因为辽宁中部属于辽宁省的工业区域，对地下水开发利用率较高；西部(阜新、锦州、朝阳、葫芦岛)城市地下水供水能力较低，但地下水开发利用率较高。而对于辽宁东南部(本溪、丹东、大连、营口)城市而言，区域由于受海水入侵影响，因此水质特征赋值较高，而地下水开发利用率相对较低。考虑到不同指标的衡量标准不一致，采用标准化处理方式对各地区地下水安全综合评估特征指标进行标准化处理，消除不同特征指标之间由于评定标准不一致而产生的差异。

2.4 指标权重计算

在进行地下水安全特征指标值赋值和归一化计算后，采用信息墒权模型对各标准区不同特征指标进行权重值的计算，分析计算结果见表3。

表3 辽宁省各市地下水安全评估指标权重值

各评级区域指标权重和特征评估指标具有较好的关联性，从指标权重赋值可看出，辽宁东南部城市(本溪、丹东、大连、营口)由于地下水受到海水入侵的影响，因此其地下水污染指标的权重高于其他特征指标，而东南部城市地表水资源量均高于西部和中北部城市，故其地下水供水能力指标权重值相对较小。辽宁中北部城市(鞍山、抚顺、铁岭、沈阳、盘锦、辽阳)由于其地下水埋深一般较大，因此地下水资源属于主要供水水源之一，其地下水供水能力的权重值较大，而中北部属于辽宁省的主要工业基地，故其地下水污染指标权重也较高，地下水埋深指标权重低于其他特征指标。而在辽宁西部城市(阜新、锦州、朝阳、葫芦岛)属于辽宁省典型干旱区域，地下水供水能力指标权重较大，近些年来，随着辽西地下水调控措施力度的加大，辽西地区地下水埋深指标权重一般较大。

2.5 辽宁省地下水安全综合评估结果

在进行指标权重计算的基础上，结合可变模糊模型对辽宁省各市地下水安全进行综合评估，评估结果见表4。

表4 辽宁省各市地下水安全综合评估结果

从分析结果可看出，辽宁省地下水安全综合评估指数在空间上呈现从中北部向东南部再向西部逐步递减的变化分布，东南部城市(本溪、丹东、大连、营口)地下水综合指数为0.5～0.7，处于较安全状况，东南部属于辽宁省水资源相对丰富的区域，但大连以及丹东地区受到海水入侵的影响，地下水水质安全受到一定程度的影响；本溪地区由于地下水开采量高于丹东和大连地区，因此其地下水量的安全受到影响。西部城市(阜新、锦州、朝阳、葫芦岛)地下水综合指数为0.4～0.5，处于较不安全的状况，西部各城市属于辽宁省水资源量较低的干旱区，区域地下水是其供水水源的重要组成部分，因此其地下水开采量明显高于其他城市，地下水水量的不安全单一指数高于地下水水质安全评估指数。中北部城市(鞍山、抚顺、铁岭、沈阳、盘锦、辽阳)地下水综合指数为0.7～0.8，总体处于安全状况，这主要是因为这几个地区地下水相比于西部城市，在总供水量的比重较低，此外，虽然中北部属于工业基地，但是由于近些年受地下水双控措施的调控影响，辽宁中北部地区地下水量和水质安全保障力度得到一定程度的提升，使得中北部城市地下水安全总体情况较为良好。

3 结论

(1)各评级区域指标权重和特征评估指标具有较好的关联性，辽宁东南部沿海城市地下水受到海水入侵影响，其地下水质安全关联指标权重高于其他城市，而西部城市尤其是朝阳和阜新地区，地下水是其主要供水水源，受到地下水开采率的影响，地下水量安全关联指标权重一般较高。东部山区城市由于地表水资源量较为丰富，地下水安全状况总体好于其他地区。

(2)辽宁省地下水安全综合评估指数在空间上呈现从中北部向东南部再向西部逐步递减的变化分布，该分布特征和地下水资源量分布具有较为密切的相关性，此外，海水入侵影响是辽宁沿海城市地下水安全影响的重要因素。