基于改進TOPSIS模型的人類活動對地下水位的影響評價

(新疆塔里木河流域管理局，新疆 庫爾勒 841000)

地下水是我國特別是北方地區重要的供水水源，是保障我國飲水安全、經濟安全、糧食安全和生態安全不可或缺的戰略性資源。在人口快速增長、經濟發展需要、我國水資源分布特點及對地下水自然屬性認識不足等條件的影響下，我國曾一度盲目無序地開采地下水，造成許多地區地下水超采嚴重，引發了一系列生態地質環境問題，對當地居民的生產和生活造成嚴重影響，在某些地區甚至成為制約國民經濟可持續發展的瓶頸。由地下水水位所引發的地面沉降、海水入侵、土壤鹽堿化等環境問題已成為當前學術界研究的主要問題之一。

國家《水利改革發展“十三五”規劃》提出， “十三五”期間將加強地下水保護和超采區綜合治理；嚴格地下水水量和水位雙控制，強化地下水資源開發利用管理。開都-孔雀河流域位于新疆巴音郭楞蒙古自治州境內，該流域是南疆經濟發展相對繁榮地區。近20余年來，伴隨著大規模的水土開發，流域地下水位持續下降，自然生態環境趨于惡化，已引起了政府有關部門的高度重視。但由于歷史及體制等原因，地下水變化的監測滯后，地下水的開采、超采情況難以掌握，真實可靠的地下水位和提水量的統計十分困難，無法做到第一時間全面掌握流域地下水波動情況，也無法對地下水資源實施有效管控，地下水偷采和超采現象明顯，地下水實際引用量遠遠超出紅線規定的3.63億m3，超采率超過66%(2016年統計)，嚴重影響了流域水資源合理配置和地表水、地下水的聯合利用。

目前，TOPSIS法(technique for order preference by similarity to ideal solution，TOPSIS)因計算簡便、結果可靠等特點，廣泛應用于水資源績效管理、水資源承載力評價、水利工程方案評價等方面，例如：羅浩等[1]基于開發利用、用水效率和限制納污的水資源管理績效評價體系，采用博弈論確定的組合系數構建GC-TOPSIS模型，對2005—2016年西安市水資源管理績效進行了評價；岳俊濤等[2]利用江西省統計局及水文局數據資料，對全省11個地市綜合考慮選取人均用水量、萬元GDP用水量等多個指標建立評價體系，采用CRITIC-TOPSIS方法對江西省用水效率進行評價，結果較好；黃鎮中[3]選取土石壩滲流量、滲透坡降等8個定量因素作為土石壩滲流風險評價的指標，使用粗糙集改進層次分析法組合賦權的方法獲取各評價指標客觀權重，建立組合賦權-TOPSIS評價方法，對6個土石壩進行滲流風險評價預測，取得了較為可靠的評價結果；夏歡等[4]從水資源、社會、經濟和生態4方面選取20個指標構建了水資源承載力綜合評價體系，采用主客觀相結合的綜合賦權法——AHP-熵權法確定各指標的權重，運用改進的TOPSIS法對連云港市2008—2016年的水資源承載力進行了評價。

鑒于此，本文在前人的研究基礎上，以開都-孔雀河流域為研究區，采用改進的TOPSIS法對研究區人類活動對地下水位的影響進行定量評價，以期為流域地下水治理及生態環境保護提供理論參考。

1 研究區概況

開都-孔雀河流域位于新疆南疆地區，流域涵蓋和靜縣、焉耆縣、和碩縣、博湖縣、庫爾勒市與尉犁縣。流域總面積為7.73萬km2，其中山區面積為3.47萬km2，平原區面積為4.26萬km2。截至2016年底，流域內總人口109.56萬人，其中城鎮人口58.09萬人，城鎮化率達53.02%；流域國內生產總值(GDP)為264.87億元，其中第一產業為74.67億元，占總產值的28.19%，第二產業為100.49億元，占總產值的37.94%，第三產業為89.71億元，占總產值的33.87%。人均GDP為2.58萬元，農牧民人均純收入達到5448元。

2 改進TOPSIS模型

2.1 評價指標權重確定

指標權重采用熵權法，其計算步驟如下：

將評價指標矩陣X=(xij)m×n歸一化，形成判斷矩陣B=(bij)m×n。

(1)

式中：i為評價方案；j為評價指標；xmax(j)、xmin(j)分別為第j個指標在各方案中的最大值與最小值。

定義第j個評價指標的熵值，則有

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(2)

(3)

則由第j個評價指標的熵權βj，得權重向量β=(β1，β2，βj，…，βn)，即

(4)

2.2 改進TOPSIS模型

本文將灰色關聯理論與TOPSIS法相結合，模型計算如下[5-6]：

根據式(1)計算評價方案集合的標準化矩陣B：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(5)

計算加權標準化矩陣。將標準化矩陣B與各指標權重相乘即得到加權標準化矩陣C：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(6)

確定加權標準化矩陣C的理想解和負理想解。計算評估對象與理想解的灰色關聯系數rij：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(7)

通過式(7)計算得到各評價方案與設定理想解之間的灰色關聯系數矩陣R：

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(8)

計算灰色關聯系數矩陣R的理想解和負理想解。確定第i個評估對象與理想解和負理想解的歐式距離。計算式如下:

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(9)

(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)

(10)

貼近度計算。貼近度值ξi越接近于1，表示評價對象越優。貼近度計算式如下：

(11)

3 模型應用

3.1 基本情況

影響開都-孔雀河流域地下水水位變化的主要評價指標見表1；地下水影響程度劃分為4個等級，見表2[8]。

表1 研究區2016年各項評價指標值

續表

表2 人類活動對地下水位的影響評價分級

3.2 模型評價計算

利用式(1)～式(4)計算指標權重，得β=(0.0296，0.0549，0.1066，0.0312，0.0901，0.0353，0.1001，0.0179，0.1320，0.1026，0.1880，0.1118)。

計算加權標準化矩陣，結果見表3。

表3 加權標準化矩陣

計算貼近度。利用式(5)～式(11)，計算得到不同評價區域的灰色關聯系數矩陣及貼近度值，見表4、表5。

表4 灰色關聯系數矩陣

表5 不同模型評價結果對比

由表5可知，評價區域焉耆縣的貼近度值最大，為0.8897，表明該區域人類活動對地下水水位的影響微弱；評價區域庫爾勒市的貼近度值最小，為0.1269，遠小于其他評價區域，表明該區域人類活動對地下水水位的影響顯著，地下水系統恢復時間較長，當地政府應當采取有效措施，遏制地下水惡化趨勢。開都-孔雀河流域不同評價區域的地下水情勢優劣排序結果為：焉耆縣>博湖縣>和靜縣>和碩縣>尉犁縣>庫爾勒市(“>”表示“優于”)。

3.3 評價結果對比分析

為檢驗本文所建模型的準確性，采用投影尋蹤模型[9]進行對比驗證，結果見表5。由表5可知，兩種模型計算結果完全一致，這充分驗證了本文所建模型的準確性，也實現了方法對方法的檢驗。

4 結 論

a.采用熵權法計算指標權重，結果表明：機井數量、地下水灌溉面積、年地下水開采量與區域國民生產總值是影響研究區地下水位的主要因素。

b.改進TOPSIS模型計算結果表明：開都-孔雀河流域不同評價區域的地下水情勢優劣排序結果為：焉耆縣>博湖縣>和靜縣>和碩縣>尉犁縣>庫爾勒市(“>”表示“優于”)，其中庫爾勒市人類活動對地下水水位的影響顯著，當地政府應當采取有效措施，遏制地下水情勢惡化趨勢。