天津市深層地下水開采指標計算

徐 佳，陸 克，于 強，解大可

(1.天津市控制地面沉降工作辦公室，天津300061;2.天津南水北調水源工程建設投資有限責任公司，天津300200)

天津市地面沉降是典型的水資源短缺型地面沉降[1]，自上世紀60年代發現，經過二十多年的快速發展期，至上世紀80年代，逐漸成為主要地質災害之一。截至2009年，天津市自寶坻斷裂以南9538 km2均出現不同程度的地面沉降[2]，沉降區主要分布在中心市區、環城四區、濱海新區和靜海縣。

諸多研究已表明，只有首先控制住天津市地下水位漏斗的發展[3]，才可能有效地控制地面沉降漏斗的發展，尤其是在缺乏系統的大面積地面沉降地質勘察條件下，一方面要理順地下水開采與地面沉降的關系，另一方面要依靠水資源科學配置等管理措施，合理控制全市地下水開采量和開采層位，最大限度地減緩地下水開采引起的地面沉降。

伴隨著天津經濟的發展，用水與水資源環境保護的矛盾也日益突出。因此，如何科學合理的制定出年地下水開采指標來實現控制地面沉降的目的就尤為重要。深層地下水開采指標的計算是控制地面沉降和地下水資源管理工作相結合的重要手段。

1 理論方法

天津市年度地下水開采指標的計算首先對地面沉降重點控制區進行了計算單元的劃分，再以單元為基礎根據歷年的單元土方損失量及開采量關系進行相關性分析，最后依據沉降量控制目標及單元中各鄉鎮的沉降影響比例確定年度各區縣及鄉鎮的開采指標。

計算單元的劃分:根據近幾年天津市地面沉降與地下水空間分布特征，以近年來沉降漏斗演變及發展趨勢為依據，以地下水補、徑、排條件為參考，水文地質分區為主要指標，又由于地下水開采量的統計是以街鎮一級行政單位為基礎的，因此計算單元的劃分是將以鄉鎮為邊界的具有良好相關性的區域劃分為一個計算單元，并建立地下水開采指標預測模型。

年度地下水開采指標計算步驟如下:

1)確定各區域年沉降控制目標;

2)根據劃分的計算單元，一元線性回歸分析法進行相關性分析，建立計算單元的預測模型。

3)以該單元連續5年的土方損失量和地下水開采量為統計指標，通過回歸分析建立兩者關系，年沉降控制目標，計算出該單元年度的總體開采量。

4)根據計算單元總體開采量，以重點鄉鎮的開采強度、開采量、超采程度、平均沉降量、水位降幅等指標為評判標準綜合評定打分，確定該鄉鎮在計算單元中對沉降的影響比例，根據不同的比例對開采量進行分配。

影響比例的計算方法:

計劃書將功效系數法[4]應用于計算單元內各鄉鎮影響比例的計算領域，對單元內的鄉鎮進行多因素綜合分析，排除了大部分人為因素，使結果更加準確且簡便易行。

功效系數法又叫功效函數法，是指根據多目標規劃的原理，把所要考核的各項指標按照多檔次標準，通過功效函數轉化為可以度量的評價分數，根據已被評價對象進行總體評價得分并依據得分判斷優劣的一種方法。計劃書中鄉鎮分別選取了沉降量、開采量、開采強度、超采程度等幾項構成了評價指標體系。

在評價過程中首先要設置標準值，并為每檔標準值賦予標準系數，再根據評價指標將其進行比較，使指標無量綱化并歸入該檔之中，作為該項指標的基礎分數，最后計算出指標的調整分數，兩個分數的總和為該指標的最后得分。主要評價步驟如下:

(1)設置五檔標準值。各項指標的評價檔次分別為A、B、C、D、E五檔。各指標k的最大標準值記為xkmax，最小標準值為xkmin，將指標實際值按照最大值與最小值之間的差距4

(2)根據評價指標對應五檔標準值賦予五個標準系數:100、80、60、40、20。如下:

Ⅰ、xk≥xkmax，歸為 A 檔，該檔標準值 xk1為 xkmax，標準系數λk1=100;

Ⅱ、xk∈[xkmax－ xa，xkmax]，歸 B 檔，該檔標準值 xk1為 xkmax－ xa，標準系數 λk2=80;

Ⅲ、xk1∈[xkmax－2xa，xkmax－xa]，歸為 C 檔，該檔標準值xk1為 xkmax－2xa，標準系數 λk3=60;

Ⅳ、xk∈[xkmax－3xa，xkmax－2xa]歸為 D 檔，該檔標準值xk1為 xkmax－3xa，標準系數 λk4=40;

Ⅴ、xk∈[xkmin，xkmax－3xa]，歸 E 檔，該檔標準值為 xkmin，標準系數λk5=20。

(3)按以下方法對每個指標計分:

Ⅰ、上檔基礎分=指標權數×上檔標準系數;

Ⅱ、本檔基礎分=指標權數×本檔標準系數;

Ⅲ、調整分=[(實際值－本檔標準值)/(上檔標準值－本檔標準值)]×(上檔基礎分－本檔基礎分)，注:對于A檔不再進行調整分數計算;

Ⅳ、單項指標得分=本檔基礎分+調整分。

(4)總得分D=∑單項指標權重得分。

(5)影響比例=鄉鎮總分/單元總分

其中計算單元的總得分D=∑單項指標權重得分，該單元中鄉鎮影響比例=鄉鎮總分/單元總分。

單元開采指標量與該單元內鄉鎮影響比例的乘積即為2011年重點控制鄉鎮的開采指標量。

2 濱海新區深層地在水開采指標計算

2.1 區域年度開采指標計算

由于天津市面積廣大，涉及數據較多，本文選取天津市西青區為例，計算區域內各鄉鎮年度開采指標。表1為西青區2005－2009年分鄉鎮深層地下水開采量，表2為西青區2005－2009年分鄉鎮土方損失量，根據表1和表2數據結合計算單元的劃分，根據年度的控沉目標，全區沉降平均減少3 mm[5]，可計算出單元的年度開采指標。由圖1可知西青區被區劃分在4個單元內，經計算各個單元的年度開采指標見表3。

圖2 地下水開采指標計算流程圖

表1 西青區歷年開采量 萬m3/a

表2 西青區歷年土方損失量 萬m3/a

2.2 分鄉鎮開采指標計算

根據年度單元開采指標，設定2011年西青全區沉降量減少3 mm，運用影響因子綜合評價方法(功效系數法)進行分鄉鎮開采指標分配，表4西青區評價參數;經綜合評價打分表4 結果為西青區鄉鎮年度開采指標值，其中張家窩中北鎮及王穩莊沉降量較小，因此三個鄉鎮統一計算出一個開采建議值三個鄉鎮可在范圍內自由調配開采水量。

表3 西青區評價參數

3 結論

(1)地下水開采指標的計算是從控制地面沉降角度出發通過科學分區及重點地區重點管理為天津地區有效的控制地面沉降及合理配置地下水資源提供了定量依據及執行計劃。

(2)通過制定年內控制目標及回歸分析引用多因素綜合評價，計算地下水開采指標更全面準確。

(3)計劃指標的計算及執行已經在天津推行多年，實踐證明對控制天津地區地面沉降行之有效。

表4 西青區地下水開采指標建議 萬m3/a

[1]張阿根，魏子新.中國地面沉降[M].上海科學技術出版社.2005:55－56.

[2]姜衍祥，董國鳳，于強，等.2010年天津市地面沉降年報[R].天津:天津市控制地面沉降工作辦公室.2010.

[3]王家兵.天津深層地下水資源持續利用研究[D].北京:中國地質大學(北京)博士學位論文.2006.

[4]周莉，黃河清，蒲勇健.基于功效系數法的經營者業績評價研究[J].軟科學.2006:20(1):40－44.

[5]2011年度天津市地下水開采指標計劃書.天津:天津市控制地面沉降工作辦公室.2010.