CN104063608B - 一种利用风险评价确定地下水控制水位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用风险评价确定地下水控制水位的方法，包括地下水功能区的划分；选择地下水影响地下水开发利用的自然因素和社会经济因素；采用AHP分析法确定出各个功能区各因子的权重；利用综合评价方法，计算出每个功能分区各含水层的风险值及相应的风险等级；确定不同风险等级下的对应地下水位值。该方法可为区域地下水的合理开发利用与规划提供科学的依据，实用性较强。

Description

一种利用风险评价确定地下水控制水位的方法

技术领域

本发明涉及确定地下水控制水位的方法，具体说，是一种利用风险评价确定地下水控制水位的方法。

背景技术

“水位”在地下水领域具有重要意义和作用，是水文地质计算、地下水资源评价的关键指标，也是影响地下水环境的关键因素，一直作为地下水技术工作的主要内容之一。随着地下水管理问题不断复杂化，在2007年前后有学者提出地下水水位与水量“二元管理”理念；到2012年，国务院《关于实行最严格水资源管理制度的意见》(国发【2012】3号)，在“严格地下水管理和保护”中，明确提出“加强地下水动态监测，实行地下水取用水总量控制和水位控制”，标志着“水位”成为地下水资源管理的重要指标之一。随后“控制水位”概念及其确定方法摆到地下水资源管理者面前，成为需要迫切解决的难题。地下水控制水位可以定义为“约束条件下的水位值”，是指具有明确物理概念的一系列水位值的总称，是对应于地下水不同开发利用状态的一系列水位值，或者说是对应于地下水不同开采量的一系列水位值，可用“蓝线水位”和“红线水位”描述地下水资源的管理目标。传统的地下水研究领域确定“水位”的方法很多，包括：地下水渗流数值模型法、灰色预测模型法、时间序列预测法、回归分析法、水均衡法等，但是很少涉及如何确定“控制水位”，而针对不同的地下水开发利用目标，“控制水位”的目标将不同，实现“控制水位”的约束条件也不同。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种科学确定地下水控制水位的方法，该方法可为区域地下水资源的合理开发利用与规划提供参考依据，具有实用的特点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种利用风险评价确定地下水控制水位的方法，包括以下步骤：

(1)地下水功能区的划分；

(2)选择影响地下水开发利用的自然因素和社会经济因素，包括影响地下水开发利用风险的因素；

(3)风险影响因子的归一化处理；

(4)建立地下水开发利用的风险评价指标体系，采用AHP分析法确定出各个功能区各因子的权重；

(5)利用综合评价方法，计算出出每个功能分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅵ含水层以及基岩含水层的风险值及相应的风险等级；

(6)依据风险等级与地下水位之间关系，确定不同风险等级下的对应地下水位值；

(7)按照研究区域风险等级出现的几率大小和实际地下水开发利用情况，划分出地下水关键控制水位。

所述步骤(1)中地下水功能区的划分是指依据地下水补给条件、含水层富水性及开采条件、地下水水质状况、生态环境系统类型及其保护的目标要求、地下水开发利用现状、区域水资源配置对地下水开发利用的需求对区域地下水功能区进行划分。

所述步骤(2)中地下水系统风险因子的选择是指根据当地水文地质条件、地下水开发利用情况，选择影响地下水开发利用风险的因素。

所述影响地下水开发利用风险的因素包括：富水性、开采强度、机井密度、含水层等水位线、含水层厚度、含水层渗透系数、含水砂层厚度、地下水开采潜力评价、COD、SS含量、降雨量、污水量、水交替强度、咸水埋藏深度、人口数量、工业总产值及农业种植面积。

所述步骤(3)中风险影响因子的归一化处理是指根据选择的地下水风险因子，分析各个指标值对地下水风险的影响度，按照越大越优、越小越优原则，对数字化的各指标值进行归一化处理。

所述步骤(4)中采用AHP分析法确定出各个功能区各因子的权重包括以下步骤：

1)构造判断矩阵：构建判断矩阵以分析下层次各单元对上层次相对重要性影响程度的大小；为了使判断定量化，关键在于使下层次任意两个方案对上层次的重要性影响程度得到定量描述；采用1～9标度法，对各层次及各指标的评比给出数量标度，然后根据上述构建的递阶层次结构和上下层间的元素隶属关系，构建的判断矩阵形式，见式1：

式中：—表示判断矩阵，满足

bi_j—表示对于而言，b_i对b_j的相对重要程度，通过专家打分得到，一般b_ij取1，2，3……9及它们的倒数，其中

b_ij＝1，表示b_i与b_j同样重要，且b_ji＝1；

b_ij＝3，表示b_i比b_j重要一点，且

b_ij＝5，表示b_i比b_j重要，且

b_ij＝7，表示b_i比b_j重要的多，且

b_ij＝9，表示b_i比b_j极端重要，且

2)相对重要度计算和一致性检验：

相对重要度计算：对判断矩阵先求出最大特征根，然后再求其相对应的特征向量W，即

其中的分量(ω₁，ω₂，ω₃……ω_n)就是对应的n个要素的相对重要度，即权重系数；

一致性检验：应用层次分析法保持判断思维的一致性，只要矩阵中的b_ij满足b_ii＝1；这三个关系式时，就说明判断矩阵具有完全的一致性；

因地下水功能评价结构涉及因素较多，因素之间进行两两比较时，判断保证其有较高精确度，有时出现误差，甚至发生自相矛盾问题，判断阶数越高，判断难度越大，偏差也将增大。因此，引入一致性判断矩阵指标：

$C.I.=\frac{{\mathrm{\λ}}_{\max }-n}{n-1}---\left(2\right)$

式中：λ_max为矩阵的最大特征根，n为矩阵的阶数；表示向量的第i个分量。

查出相应的平均随机一致性指标R.I.，并计算一致性判断系数C.R.：

$C.R.=\frac{C.I.}{R.I.}---\left(3\right)$

当C.R.<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；当C.R.≥0.1时，需要调整和修正判断矩阵中的指标值，使其满足C.R.<0.10的要求；

3)综合重要度的计算：采用和积法计算各层元素对系统目标的合成权重，进行总排序，以确定递阶结构图中最底层各个元素的重要程度；和积法采用n个列向量的算术平均值作为权重向量，算法为：

${\mathrm{\&omega;}}_i=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{b_{\mathrm{ij}}}{\stackrel{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_{\mathrm{kj}}}(i,j,k=\mathrm{1,2},3,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n)---\left(4\right)$

式中：表示第j列各元素之和。

所述步骤(5)中风险等级的划分是指对地下水开发利用各个计算单元进行模糊综合评价，计算出各个计算单元的风险值，根据各个功能区内的计算单元风险值范围，按照16级等分原则进行分级。

所述步骤(6)中确定地下水水位，应用AHP层次分析法，建立每个功能区的关系图，计算出各影响因子的权重，影响因子归一化和权重值在Arcgis里进行栅格计算，得出各功能区各含水层的危险等级评价图；依据评价的结果将水位对应的分级；用频数直方图按功能区分析危险等级，然后根据直方图原理确定控制水位区间，最终确定各水文地质单元不同含水层的控制水位数值。

本发明的有益效果是：确定区域合理的地下水控制水位，为区域地下水资源的合理开发利用与规划提供科学的参考依据，采用风险评价确定地下水控制水位具有重要的科学价值。

附图说明

图1天津市各含水层富水性因子图。

图2天津市各含水层风险评价图。

图3风险等级划分图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

本发明的利用风险评价确定地下水控制水位的方法，包括以下步骤

步骤一：地下水功能区的划分；

依据地下水补给条件、含水层富水性及开采条件、地下水水质状况、生态环境系统类型及其保护的目标要求、地下水开发利用现状、区域水资源配置对地下水开发利用的需求对区域地下水功能区进行划分。

步骤二：选择地下水影响地下水开发利用的自然因素和社会经济因素，包括影响地下水开发利用风险的因素:

根据当地水文地质条件、地下水开发利用情况，选择影响地下水开发利用风险的因素，主要有：富水性、开采强度、机井密度、含水层等水位线、含水层厚度、含水层渗透系数、含水砂层厚度、地下水开采潜力评价、COD、SS含量、降雨量、污水量、水交替强度、咸水埋藏深度、人口数量、工业总产值及农业种植面积等。

步骤三：风险影响因子的归一化处理:

根据选择的地下水风险因子，分析各个指标值对地下水风险的影响度，按照越大越优、越小越优原则，对数字化的各指标值进行归一化处理。

步骤四：建立地下水开发利用的风险评价指标体系，采用AHP分析法确定出各个功能区各因子的权重:

1)构造判断矩阵：构建判断矩阵以分析下层次各单元对上层次相对重要性影响程度的大小。为了使判断定量化，关键在于使下层次任意两个方案对上层次的重要性影响程度得到定量描述。一般采用1～9标度法，对各层次及各指标的评比给出数量标度，然后根据上述构建的递阶层次结构和上下层间的元素隶属关系，构建的判断矩阵形式，见式1：

式中：—表示判断矩阵，满足

b_ij—表示对于而言，b_i对b_j的相对重要程度，常通过专家打分得到。一般b_ij取1，2，3……9及它们的倒数。其中

b_ij＝1，表示b_i与b_j同样重要，且b_ji＝14

b_ij＝3，表示b_i比b_j重要一点，且

b_ij＝5，表示b_i比b_j重要，且

b_ij＝7，表示b_i比b_j重要的多，且

b_ij＝9，表示b_i比b_j极端重要，且

2)相对重要度计算和一致性检验：相对重要度计算：对判断矩阵先求出最大特征根，然后再求其相对应的特征向量W，即

其中的分量(ω₁，ω₂，ω₃……ω_n)就是对应的n个要素的相对重要度，即权重系数。

一致性检验：应用层次分析法保持判断思维的一致性是非常重要的，只要矩阵中的b_ij满足b_ii＝1；这三个关系式时，就说明判断矩阵具有完全的一致性。

因地下水功能评价结构涉及因素较多，因素之间进行两两比较时，判断保证其有较高精确度，有时出现误差，甚至发生自相矛盾问题，判断阶数越高，判断难度越大，偏差也将增大。因此，引入一致性判断矩阵指标：

$C.I.=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-n}{n-1}---\left(2\right)$

式中：λ_max为矩阵的最大特征根，n为矩阵的阶数；表示向量的第i个分量。

查出相应的平均随机一致性指标R.I.，并计算一致性判断系数C.R.：

$C.R.=\frac{C.I.}{R.I.}---\left(3\right)$

当C.R.<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；当C.R.≥0.1时，需要调整和修正判断矩阵中的指标值，使其满足C.R.<0.10的要求。

3)综合重要度的计算：采用和积法计算各层元素对系统目标的合成权重，进行总排序，以确定递阶结构图中最底层各个元素的重要程度。和积法采用n个列向量的算术平均值作为权重向量，算法为：

${\mathrm{\&omega;}}_i=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{b_{\mathrm{ij}}}{\stackrel{n}{\mathrm{\&Sigma;}}{b}_{\mathrm{kj}}}(i,j,k=\mathrm{1,2},3,\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,n)---\left(4\right)$

式中：表示第j列各元素之和。

步骤五：利用综合评价方法，计算出出每个功能分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅵ含水层以及基岩含水层的风险值及相应的风险等级:

对地下水开发利用各个计算单元进行模糊综合评价，计算出各个计算单元的风险值，根据各个功能区内的计算单元风险值范围，按照一定的标准进行分级。

步骤六：依据风险等级与地下水位之间关系，确定不同风险等级下的对应地下水位值:

应用AHP层次分析法，建立每个功能区的关系图，计算出各影响因子的权重，影响因子归一化和权重值在Arc gis里进行栅格计算，得出各功能区各含水层的危险等级评价图。依据评价的结果将水位对应的分级；用频数直方图按功能区分析危险等级，然后根据直方图原理确定控制水位区间，最终确定各水文地质单元不同含水层的控制水位数值。

步骤七：按照研究区域风险等级出现的几率大小和实际地下水开发利用情况，划分出地下水关键控制水位。

下面结合实施例对本发明进一步说明。

实施例：以天津地区为例采用该方法确定地下水控制水位。

步骤一：地下水功能区的划分：

天津市地下水功能区划分天津市深、浅层地下水功能区。天津市地下水一级功能区划分为开发区、保护区、保留区3类。在地下水一级功能区的框架内，划分为5类地下水二级功能区。其中，开发区划分为集中式供水水源区和分散式开发利用区，保护区划分为生态脆弱区、地质灾害易发区不设地下水水源涵养区(地下水水源涵养区指为了保持重要泉水一定的喷涌流量或为了涵养水源而限制地下水开采的区域，天津市没有地表出露的泉水，故不设地下水水源涵养区)，保留区不设储备区和应急水源区(由于天津市水资源匮乏，且地下水开发程度已较高，无储备区和应急区)。

浅层地下水三级分区划分为四小类，分别是单井分散开发利用区、湿地沼泽生态脆弱区、自然保护区生态脆弱区和地下水易污染区。天津市浅层地下水功能区划分体系表见表1。深层地下水三级分区划分为五小类分别是群井集中供水水源区、单井分散开发利用区、咸水下移区、地下水易污染区、地面沉降易发区。天津市深层地下水功能区划分体系表见表2。

表1天津市浅层地下水功能区划分体系表(Ⅰ组)

表2天津市深层地下水功能区划分体系表(Ⅱ组及以下)

步骤二：选择地下水影响地下水开发利用的自然因素和社会经济因素，包括影响地下水开发利用风险的因素：

选择的影响地下水开发利用风险的主要因素：富水性、开采强度、机井密度、含水层等水位线、含水层厚度、含水层渗透系数、含水砂层厚度、地下水开采潜力评价、COD、SS含量、降雨量、污水量、水交替强度、咸水埋藏深度、人口数量、工业总产值及农业种植面积。

步骤三：风险影响因子的归一化处理：

分析将各个指标值对风险的影响度，按照越大越优、越小越优原则，对数字化的各指标值进行归一化处理。以富水性为例，归一化处理结果见图1。

步骤四：建立地下水开发利用的风险评价指标体系，采用AHP分析法确定出各个功能区各因子的权重：

根据各因子对风险贡献度分析，对各因子进行归一化处理，得到归一化后的因子值(x₁,x₂,x₃,…,x_n)，采用AHP分析法确定出各个功能区各因子的权重，在ArcGIS软件中通过栅格计算，得出每个功能分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅵ含水层以及基岩含水层的风险值，计算公式见以下公式。

$\begin{array}{c}Z=f(x_1,x_2,x_3......x_n)\\ =\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_i{x}_i\end{array}---\left(1\right)$

式中：Z代表风险值；x_i代表各因子归一化后的指标值；w_i代表各因子对应的权重。

步骤五：利用综合评价方法，计算出出每个功能分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅵ含水层以及基岩含水层的风险值及相应的风险等级：

对天津市地下水开发利用各个计算单元进行模糊综合评价，计算出各个计算单元的风险值，根据各个功能区内的计算单元风险值范围，按照五级标准划分的各含水层风险等级分布情况，评价结果见图2。

步骤六：依据风险等级与地下水位之间关系，确定不同风险等级下的对应地下水位值：

将各个功能区内的计算单元的风险值，按照十六级标准进行划分，然后统计出各个功能区内各个风险等级出现的频数，以频数最大的风险等级作为红线对应的风险等级，将该红线对应的风险等级之前的风险等级对应的水位划分成数目不等的蓝线。风险等级划分见图3。

步骤七：按照研究区域风险等级出现的几率大小和实际地下水开发利用情况，划分出地下水关键控制水位。

对于2015年近期规划年，根据现状的地下水位以及其它相关因子得到的风险图，将风险等级出现频数最多的等级作为2015年的红线，以此为基准，上一风险等级作为2015年最低应该达到的蓝线L₂₀₁₅，如果个别区县地表水资源供水条件好，可以采取禁采条件下的蓝线U₂₀₁₅作为最佳蓝线水位，因此，对于2015年，各个区县蓝线水位变幅范围为[L₂₀₁₅，U₂₀₁₅]。

对于2020年中期规划年，将2015年的最低蓝线L₂₀₁₅作为2020年的红线，2015年最低蓝线对应风险的上一风险等级作为2020年最低应该达到的蓝线L₂₀₂₀，如果个别区县地表水资源供水条件好，可以采取2020年禁采条件下的蓝线U₂₀₂₀作为最佳蓝线水位，因此，对于2020年，各个区县蓝线水位变幅范围为[L₂₀₂₀，U₂₀₂₀]。

对于2030年远期规划年，将2020年的最低蓝线L₂₀₂₀作为2030年的红线，2020年最低蓝线对应风险的上一风险等级作为2030年最低应该达到的蓝线L₂₀₃₀，如果个别区县地表水资源供水条件好，可以采取2030年禁采条件下的蓝线U₂₀₃₀作为最佳的蓝线水位，因此，对于2030年，各个区县蓝线水位变幅范围为[L₂₀₃₀，U₂₀₃₀]。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (7)

1.一种利用风险评价确定地下水控制水位的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)地下水功能区的划分；

(2)选择影响地下水开发利用的自然因素和社会经济因素，包括影响地下水开发利用风险的因素；

(3)风险影响因子的归一化处理；

(4)建立地下水开发利用的风险评价指标体系，采用AHP分析法确定出各个功能区各因子的权重，包括以下步骤：

1)构造判断矩阵：构建判断矩阵以分析下层次各单元对上层次相对重要性影响程度的大小；为了使判断定量化，关键在于使下层次任意两个方案对上层次的重要性影响程度得到定量描述；采用1～9标度法，对各层次及各指标的评比给出数量标度，然后根据上述构建的递阶层次结构和上下层间的元素隶属关系，构建的判断矩阵形式，见式1：

式中：—表示判断矩阵，满足

b_ij—表示对于而言，b_i对b_j的相对重要程度，通过专家打分得到，一般b_ij取1，2，3……9及它们的倒数，其中

b_ij＝1，表示b_i与b_j同样重要，且b_ji＝1；

2)相对重要度计算和一致性检验：

相对重要度计算：对判断矩阵先求出最大特征根，然后再求其相对应的特征向量W，即

其中的分量(ω₁，ω₂，ω₃……ω_n)就是对应的n个要素的相对重要度，即权重系数；

一致性检验：应用层次分析法保持判断思维的一致性，只要矩阵中的b_ij满足b_ii＝1；这三个关系式时，就说明判断矩阵具有完全的一致性；

因地下水功能评价结构涉及因素较多，因素之间进行两两比较时，判断保证其有较高精确度，有时出现误差，甚至发生自相矛盾问题，判断阶数越高，判断难度越大，偏差也将增大；因此，引入一致性判断矩阵指标：

式中：λ_max为矩阵的最大特征根，n为矩阵的阶数；表示向量的第i个分量；

查出相应的平均随机一致性指标R.I.，并计算一致性判断系数C.R.：

当C.R.<0.1时，认为判断矩阵的一致性是可以接受的；当C.R.≥0.1时，需要调整和修正判断矩阵中的指标值，使其满足C.R.<0.10的要求；

3)综合重要度的计算：采用和积法计算各层元素对系统目标的合成权重，进行总排序，以确定递阶结构图中最底层各个元素的重要程度；和积法采用n个列向量的算术平均值作为权重向量，算法为：

式中：表示第j列各元素之和；

(5)利用综合评价方法，计算出出每个功能分区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅵ含水层以及基岩含水层的风险值及相应的风险等级；

(6)依据风险等级与地下水位之间关系，确定不同风险等级下的对应地下水位值；

(7)按照研究区域风险等级出现的几率大小和实际地下水开发利用情况，划分出地下水关键控制水位。

2.根据权利要求1所述的利用风险评价确定地下水控制水位的方法，其特征在于，所述步骤(1)中地下水功能区的划分是指依据地下水补给条件、含水层富水性及开采条件、地下水水质状况、生态环境系统类型及其保护的目标要求、地下水开发利用现状、区域水资源配置对地下水开发利用的需求对区域地下水功能区进行划分。

3.根据权利要求1所述的利用风险评价确定地下水控制水位的方法，其特征在于， 所述步骤(2)中地下水系统风险因子的选择是指根据当地水文地质条件、地下水开发利用情况，选择影响地下水开发利用风险的因素。

4.根据权利要求3所述的利用风险评价确定地下水控制水位的方法，其特征在于，所述影响地下水开发利用风险的因素包括：富水性、开采强度、机井密度、含水层等水位线、含水层厚度、含水层渗透系数、含水砂层厚度、地下水开采潜力评价、COD、SS含量、降雨量、污水量、水交替强度、咸水埋藏深度、人口数量、工业总产值及农业种植面积。

5.根据权利要求1所述的利用风险评价确定地下水控制水位的方法，其特征在于，所述步骤(3)中风险影响因子的归一化处理是指根据选择的地下水风险因子，分析各个指标值对地下水风险的影响度，按照越大越优、越小越优原则，对数字化的各指标值进行归一化处理。

6.根据权利要求1所述的利用风险评价确定地下水控制水位的方法，其特征在于，所述步骤(5)中风险等级的划分是指对地下水开发利用各个计算单元进行模糊综合评价，计算出各个计算单元的风险值，根据各个功能区内的计算单元风险值范围，按照16级等分原则进行分级。

7.根据权利要求1所述的利用风险评价确定地下水控制水位的方法，其特征在于，所述步骤(6)中确定地下水水位，应用AHP层次分析法，建立每个功能区的关系图，计算出各影响因子的权重，影响因子归一化和权重值在Arc gis里进行栅格计算，得出各功能区各含水层的危险等级评价图；依据评价的结果将水位对应的分级；用频数直方图按功能区分析危险等级，然后根据直方图原理确定控制水位区间，最终确定各水文地质单元不同含水层的控制水位数值。