山西省典型盆地孔隙水超采年際變化模糊評價

狄 帆

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

地下水是山西的重要供水水源，由于生產生活長期超量開采和采煤的破壞，造成部分區域地下水超采嚴重，對水生態環境造成了不良的影響。為貫徹落實習近平總書記在黃河流域生態保護和高質量發展座談會上提出的“加強生態環境保護、保障黃河長治久安、推進水資源節約集約利用和推動黃河流域高質量發展”重要精神，科學規劃山西省“十四五”水資源保護布局，進行山西省盆地孔隙水超采區年代變化研究是十分必要的。

2011年，山西省開展的地下水超采區評價工作對2001—2010年地下水超采情況進行了評價。2011年至今，不同區域超采區變化情況是目前水資源發展保護規劃亟須了解的問題。由于新一輪地下水超采區評價復核工作尚未開展，并且評價工作需要大量的人力、物力和時間，難以解決當前水生態保護高質量發展重大課題和“十四五”規劃的燃眉之需，因此本文借鑒陳守煜教授的“水文水資源系統模糊識別理論”[1]，以水位變幅和降水、生產生活取水、采煤排水等指標間相關分析方法計算影響權重，對典型盆地超采區的超采變化情況進行模糊綜合評價[2]。本文為全國試點山西省地下水超采區治理和山西省節約用水“十四五”規劃的前期研究內容，其成果對因地制宜地實施地下水超采區綜合治理具有參考意義。

1 研究區概況

山西省盆地超采區面積6396km2，占盆地區總面積的24.77%。本文選取超采比較嚴重的涑水河盆地、太原盆地榆太祁區和大同盆地城郊區3個典型盆地孔隙水超采區進行研究。涑水河超采區分布于永濟、鹽湖區、臨猗、夏縣、聞喜和絳縣一帶，為全省最大面積的孔隙水超采區，上層孔隙水為咸水，不可利用，超采主要在下層承壓孔隙水含水層；榆太祁中型孔隙淺層地下水超采區分布于榆次、太谷、祁縣一帶；大同城郊孔隙水超采區分布于大同市城郊，包括平城區、云岡區和云州區。3個典型盆地孔隙水超采區的基本情況見表1。

表1 典型盆地孔隙水超采區情況

2 影響因子權重確定

2.1 確定影響因子

盆地區地下水超采會造成水位持續下降，年際變幅連續負值，這里以超采區水位年平均變幅為研究指標，用向量Y表示。

Y=(yj)

(1)

式中：Y為水位變幅向量；yj為第j個年度的水位變幅，j=1,2,…,n。

地下水下降是多因子作用的結果，本文選擇降水、農業取水、工業取水、城鄉生活及生態取水、采煤區的煤礦涌水幾個比較直接的影響因子進行分析，用矩陣X表示。

X=(xij)

(2)

式中：X為影響因子矩陣；xij為第i個影響因子第j個年度的數值，i=1,2,…,m。

依據《山西省水資源公報》成果，2000—2018年3個典型盆地孔隙水超采區的地下水水位變幅、降水量、農業灌溉地下水取水量、工業地下水取水量、城鄉生活地下水取水量和大同城郊盆地周邊的大同煤田礦井涌水量資料見表2、表3和表4。

表2 榆太祁超采區基本情況(m=5, n=19)

續表

表3 涑水河超采區基本情況(m=5, n=19)

表4 大同城郊超采區基本情況(m=6, n=19)

2.2 計算影響因子權重

地下水位變化的影響因子包括降水、各行業地下水取水量和采煤的間接破壞等，本文構建了地下水水位變幅與影響因子之間的相關關系模型，采用式(3)計算得出的相關系數即為該因子的影響權重，結果見表5。

表5 典型盆地孔隙水超采區各因子對地下水位的影響權重(pi)

(3)

由表5可以看出，不同典型區各因子對地下水位的影響權重不同，生產、生活取用地下水對水位的影響和對超采的影響程度有所差異。

a.涑水河盆地實測水位為上層淺層咸水，故降水量影響最大。在工農業及城鄉生活取用下層承壓水時，會造成局部上下孔隙含水層之間水力聯系，但是取水對上層咸水水位變化影響有限，對承壓水超采造成的影響較大，影響由大到小排序是農業灌溉、城鎮生活和工業取用地下水。

b.大同城郊孔隙水超采區，除了降水影響最大外，主要影響因子排序從大到小依次為城鎮生活、農業灌溉和工業地下水取水量，邊山采煤減少側向裂隙水對盆地孔隙水的補給，也存在少量的影響。

c.太原盆地榆太祁超采區，降水對地下水位影響最大，取水對超采的影響從大到小依次為農業灌溉、城鎮生活及工業地下水取水量。

3 水位變化模糊綜合評價

3.1 評價體系構建

《山西省地下水超采區評價報告》中地下水超采區評價采用2001—2010年水位動態變化基礎數據，為了分析2011年后水位變化及變化影響因素，本文對2001—2010年、2011—2018年、2016—2018年3個時間段的平均值和2010年、2018年2個年度值的各項指標進行了模糊綜合評價，結果見表6。

表6 典型盆地超采區評價指標(zi,k)

續表

設指標矩陣為Z，則

Z=(zi,k)

(4)

式中：k為時間段排序，k=1,2,…,b，本文選取5個時間段，b=5；zi,k為第i個指標第k個時間段的數值，i=1，2，…，m。

3.2 模糊評價標準

模糊評判矩陣為3個典型超采區不同指標相對于不同模糊級別的評價標準矩陣。

S=(si,h)

(5)

式中：S為模糊評判標準矩陣；si,h為第i個指標對應于第h個模糊級別的評判標準；h為模糊評判級別序號，h=1,2,…,c，本文模糊評價分為3級，c=3，分別為輕度、中度和重度。

模糊評判標準的選擇，依據《地下水超采區評價導則》(GB/T 34968—2017)的相關標準：淺層潛水和弱承壓水評價期年均水位下降速率大于0m/a的區域地下水超采區；淺層承壓水以評價期年均水位下降速率大于0.5m/a，孔隙水開采系數大于1.0的區域為超采區。淺層潛水和弱承壓水評價期年均水位下降速率大于1.0m/a的區域為地下水嚴重超采區，淺層承壓水評價期年均水位下降速率大于2.0m/a的區域劃為下水嚴重超采區，開采系數大于1.3的區域為嚴重超采區。3個典型超采區的實測水位均為淺層潛水，除了涑水河取用承壓水外，另外兩個超采區取用淺層潛水。

本文將超采區劃分標準取為輕度標準，嚴重超采區劃分標準取為中度標準，超采區1.5倍的標準取為重度標準。3個典型區的模糊評判標準矩陣見表7。

表7 典型超采區模糊評判標準矩陣(si,h)

消除量綱后的模糊評判標準矩陣S′將用于后面的模糊綜合評價。

S′=(s′i,h)

(6)

(7)

以上式中：S′為子系統的模糊評判標準矩陣；s′i,h為子系統i

模糊評判標準對應h級模糊級別的隸屬度。

3.3 計算指標權重矩陣

本文隸屬函數在陳守煜教授《水文水資源系統模糊識別理論》[1]中的隸屬函數公式(6-3)和(6-4)的基礎上進行改進，將原來不同級別相同的隸屬函數改進為劃小區間后不同級別不同的隸屬函數。

對于數值越大模糊級別越優的指標，隸屬度計算公式為

(8)

對于數值越小模糊級別越優的指標，隸屬度計算公式為

(9)

通過式(8)、式(9)計算各個系統矩陣Z對于評判矩陣S模糊級別h的隸屬度矩陣hR。

hR=(ri,k)

(10)

式中：hR為對于模糊級別h的隸屬度矩陣；ri,k為第i個指標第k個因子相對于第h個模糊級別的隸屬度。

涑水河區各個指標超采程度隸屬于模糊級別重度、中度和輕度的計算結果見表8。大同城郊區和榆太祁區以同樣計算方法得到的隸屬度計算結果，因篇幅有限，這里省略，但在后面的模糊綜合評價指標權重計算時采用。

表8 涑水河超采區各個指標對不同模糊級別的隸屬度

歸一化后的隸屬度矩陣hR′將用于后面模糊綜合評價中，為指標權重矩陣。

(11)

式中：r′i,k為第k個因子第i個指標的權重。

3.4 不同時段模糊綜合評價

以式(7)計算的S′為模糊評判標準矩陣，對3個典型區不同時段的指標矩陣Z分別進行模糊綜合評價，評價出對應模糊級別重度、中度和輕度的隸屬度。

隸屬度采用下式計算：

(12)

式中：uh,k為第k個因子對于模糊級別h的隸屬度；d為距離參數，這里取為2；pi為影響因子權重；r′i,k為指標權重。

對3個典型盆地不同年代和年度各個指標對應模糊等級重度、中度和輕度采用式(12)進行綜合評價，評價過程中考慮水位影響因子權重和指標自身的權重，得到的結果見表9和表10(其中表10去除了降水對超采的影響)。

表9 典型盆地超采區不同年代模糊綜合評價(考慮降水影響)

表10 典型盆地超采區不同年代模糊綜合評價(不考慮降水影響)

考慮降水和不考慮降水的3個孔隙水超采區模糊級別隸屬度年際變化情況見圖1～圖3。

由表3～表5和表9可以看出，降水對每個超采區的超采情況變化影響較大，降水越大超采的模糊等級越輕，同樣的降水水平2011年以后比2001—2010年的地下水超采情況差，其原因是農業灌溉、城鎮生活和工業地下水取水量的增加。

a.涑水河區2001—2010年為降水枯水期，對模糊級別重度的隸屬度較大；2011—2018年為降水相對豐水期，對模糊級別中度的隸屬度較大；2016—2018年為降水相對豐水期，對模糊級別中度的隸屬度較大；2010年為降水平水年，對模糊級別中度的隸屬度大；2018年為降水枯水年，對模糊級別輕度的隸屬度大(見圖1)。

圖1 涑水河孔隙水超采區模糊級別隸屬度年際變化

b.大同城郊區2001—2010年為降水枯水期，對模糊級別中度的隸屬度較大；2011—2018年為降水相對豐水期，對模糊級別輕度的隸屬度較大；2016—2018年為降水相對豐水期，對模糊級別中度的隸屬度較大；2010年為降水平水年，對模糊級別輕度的隸屬度大；2018年為降水豐水年，對模糊級別中度的隸屬度大(見圖2)。

圖2 大同城郊孔隙水超采區模糊級別隸屬度年際變化

c.榆太祁區2001—2010年為降水平水期，對模糊級別輕度的隸屬度較大；2011—2018年為降水相對豐水期，對模糊級別輕度的隸屬度較大；2016—2018年為降水相對豐水期，對模糊級別輕度的隸屬度較大；2010年為降水平水年，對模糊級別輕度的隸屬度大；2018年為降水平水年，對模糊級別中度的隸屬度大(見圖3)。

圖3 榆太祁孔隙水超采區模糊級別隸屬度年際變化

從表10可以看出，在不考慮降水影響的前提下，由于生產生活取用地下水的力度增加，導致地下水超采的情況變差，尤其2016—2018年情況更不樂觀。

a.涑水河區2001—2010年對模糊級別中度的隸屬度較大；2011—2018年對模糊級別輕度的隸屬度較大；2016—2018年對模糊級別重度的隸屬度較大；2010年對模糊級別中度的隸屬度大；2018年對模糊級別重度的隸屬度大(見圖1)。

b.大同城郊區2001—2010年對模糊級別輕度的隸屬度較大；2011—2018年對模糊級別中度的隸屬度較大；2016—2018年對模糊級別中度的隸屬度較大；2010年對模糊級別輕度的隸屬度大；2018年對模糊級別中度的隸屬度大。在不考慮降水影響的前提下，由于生產生活取用地下水的力度增加，使地下水超采的情況變差，尤其2016—2018年情況更不樂觀(見圖2)。

c.榆太祁區2001—2010年對模糊級別輕度的隸屬度較大；2011—2018年對模糊級別輕度的隸屬度較大；2016—2018年對模糊級別中度的隸屬度較大；2010年對模糊級別輕度的隸屬度大；2018年對模糊級別中度的隸屬度大(見圖3)。

4 結論與建議

a.山西省典型盆地孔隙水超采區各影響因子中，對水位變幅影響最大的為降水，其余各影響因子因地下水開發利用的用途不同而各有差異。

b.考慮降水影響時，地下水超采情況隨時間推移向好；不考慮降水影響時，由于取水和采煤的影響，地下水超采情況隨時間推移有不同程度加重。

針對典型區孔隙水超采的影響因素，應采取綜合措施保護地下水源，包括限制取用地下水的比例，加大關井壓采力度，以當地地表水和跨流域調引黃河水替代地下水，實施節水行動，依據《地下水管控指標技術要求(試行)》分區制定地下水管控指標，依據《山西省人民政府辦公廳關于加強地下水管理與保護工作的通知》嚴格落實超采區和限采區的相關規定等。