人類活動對開都-孔雀河流域地下水位的影響分析

鄧 燕

(塔里木河流域巴音郭楞管理局開都-孔雀河管理處解放二渠管理站，新疆 庫爾勒 841000)

0 引 言

地下水為保障我國生態、糧食、經濟和飲水安全的重要性戰略資源，在水資源供給系統中地下水的重要性地位日漸顯現。由于對地下水自然屬性認識的不足，加之水資源分布不均、經濟發展和人口快速增長等條件限制，許多地區的地下水曾被盲目無序的開采，從而導致一系列生態環境和地下水嚴重超采等問題，嚴重影響著居民生活和生產，甚至制約著某些地區的水生態文明建設。地下水位引起的土壤鹽堿化、海水入侵和地面沉降等問題，已成為當前水資源領域研究的重要課題之一[1-7]。

為推動水生態文明建設和實現水資源的持續利用，“十三五”規劃提出要嚴格控制對地下水的開發利用和綜合管理。開都-孔雀河流域位于南疆經濟發展相對發達的地區，近年來自然生態環境的趨于惡化、地下水位的持續下降以及水土資源大規模開發等引起了政府部門的高度重視。受當地體制和歷史條件等要素限制，地下水監測存在一定的滯后性，難以準確掌握地下水超采和開采利用情況，可靠真實的統計提水量和地下水位存在較大困難，無法實現地下水資源的有效管控和全流域地下水波動情況的第一時間掌握，普遍存在地下水超采和偷采問題。根據2016年調查統計數據，地下水實際超采率已>66%，引用量顯著高于用水紅線要求的3.63億m3，對地下、地表水的聯合利用和水資源合理配置產生嚴重的不利影響。

當前，由于具有結果可靠度高、計算簡便等優點，TOPSIS法已廣泛應用于水利工程方案、水資源承載力和績效管理評價等領域。例如，羅浩等從限制納污、用水效率和開發利用的角度構建評價體系，對評價因子組合系數利用博弈論法計算，從而構建水資源管理績效評價GC-TOPSIS模型，并用于西安市2005-2016年的水系統評價；黃鎮中等為定量評價土石壩滲流風險程度選取了滲透迫降、滲流量等8個因子，各評價指標客觀權重利用粗糙集改進AHP法求解，利用組合賦權-TOPSIS法預測分析了6個土石壩的滲流風險，評價結果可靠性較高；岳俊濤等以江西省11個地市為例，結合水文局和統計局數據資料選取萬元GDP用水量、人均用水量等評價因子構造評價體系，對研究區用水效率利用CRITIC-TOPSIS方法給予合理評價；夏歡等從生態、經濟、社會和水資源4個子系統中選取20項典型因子，采用AHP-熵權法計算評價因子綜合權重，并對連云港地區水系統承載力利用TOPSIS法評價[8-11]。

據此，文章結合現有研究成果和文獻資料，采用改進的TOPSIS法定量評價了開都-孔雀河流域地下水位受人類活動的影響，可為該流域生態環境保護和地下水治理提供科學依據。

1 流域概況

開都-孔雀河流域面積7.73萬km2，其中平原區和山區面積為4.26、3.47萬km2，共涉及庫爾勒市、尉犁縣、和碩縣、博湖縣、焉耆縣、靜縣等地。2016年統計資料顯示，開都-孔雀河流域城鎮化率53.02%，總人口109.56萬人；生產總值GDP為364.87億元，其中第一、二、三產業為74.67、100.49、89.71億元，占比依次為28.19%、37.94%和33.87%；人均純收入5448元、人均GDP2.58萬元。

2 改進的TOPSIS模型

2.1 確定因子權重

采用熵權法求解各因子權重，具體流程如下：

步驟一：通過歸一化處理指標矩陣X=(xij)m×n，由此構造標準判斷矩陣B=(bij)m×n，歸一化公式如下：

(1)

式中：i、j——為待評方案和因子；xmin(j)、xmax(j)——為待評方案中評價因子j的最小和最大值。

步驟二：根據熵的內涵確定評價因子j的熵值，其計算式為：

(2)

(3)

其中：i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

步驟三：根據評價因子j的熵權βj計算方法，可獲取權向量β=(β1,β2,…,βn)，計算公式為：

(4)

2.2 改進TOPSIS模型

TOPSIS模型又稱為多要素、多目標決策分析法，其實質是依據理想化目標與有限個評價方案之間的貼近程度，科學排序相關指標的功能作用或優劣程度，具有應用靈活、計算結果科學和分析簡便等優點。文章將TOPSIS評價法與灰色關聯理論相耦合，構建地下水位影響評價模型，基本流程如下：

步驟一：采用計算式(1)歸一化處理各方案初始值，從而構造標準化矩陣B為：

(5)

其中：i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。采用乘積法求解各因子權重與標準化矩陣B，由此獲取加權處理后的標準矩陣C，即：

(6)

步驟二：采用灰色關聯理論求解C的正、負理想解，利用下式確定理想解與待評價對象的關聯系數rij，即：

(7)

理想解與各評價方案間的灰色關聯矩陣R利用公式(7)確定，表達式為：

(8)

步驟三：根據以上流程求解矩陣R的正、負理想解，利用歐式基本公式對理想解與待評價方案i的距離計算，計算公式如下：

(9)

步驟四：計算貼進度。根據待評價對象的貼近程度值ξi的大小對各地區地下水位進行優劣排序，ξi值越大則表示待評方案與最優方案的貼近程度越高，評價方案的越優；反之，則代表與最優方案的貼近程度越小，待評方案越劣，其計算公式為：

(10)

3 實例分析

3.1 基本狀況

根據相關研究資料和開都-孔雀河流域實際情況，選取糧食單產、地下水灌溉面積和機井數量等影響地下水位的指標，依據統計年鑒、水資源公報和社會經濟調查等有關資料獲取各因子值，見表1所示。

表1 評價區域地下水位影響因子初始值

結合專家意見和流域實際情況，將地下水影響程度劃分為低、中、高、嚴重4個等級，相應的Ci值為1.00-0.75、0.75-0.50、0.50-0.25、<0.25，各等級特征為影響微弱、水系統恢復時間較短且影響較小、水系統恢復需要一定時間且存在一定影響、水系統恢復時間較長且影響顯著。

3.2 評價計算

各評價因子權重利用公式(1)-(4)求解，結果為β=(0.0295,0.0548,0.1065,0.0311,0.0900，0.0352,0.1002,0.0180,0.1321,0.1027,0.1881,0.1119)。然后采用加權求和法獲取標準化矩陣C，結果見表2。

表2 加權標準矩陣C

采用上述計算式(5)-(11)求解各研究區域的貼進度，貼進度度及灰關聯矩陣計算結果見表3、表4所示。

表3 研究區灰關聯矩陣

表4 基于兩種模型的評價結果

根據表4可以看出，貼進度最大的區域為焉耆縣，最大值為0.8894，可見該區域地下水位受人類活動的影響較弱；貼進度最小的區域為庫爾勒市，最小值為0.1271，較其它區域明顯較低，可見該區域地下水位受人類活動的影響較大，水系統恢復需要較長的時間，為遏制地下水的進一步發展當地政府應采取行之有效的措施[12]。按照自劣到優的次序排列開都-孔雀河流域地下水情勢為：庫爾勒市<尉犁縣<和碩縣<和靜縣<博湖縣<焉耆縣。

3.3 結果分析

將評價結果與投影尋蹤法比較，驗證了文章所用方法的準確性。結果顯示，兩種方法評價結果具有較高的一致性，各區域地下水情勢排序相同，可見所構建的模型具有較強的適用性和可靠性，能夠用于地下水位的影響研究。

4 結 論

開都-孔雀河流域人口規模和社會經濟發展迅速，地下水過度開采、水體污染、水資源短缺等問題日趨突出。為實現該流域水資源合理利用及人水和諧發展，文章結合流域地下水特征和相關研究資料，選取糧食單產、地下水灌溉面積和機井數量等影響地下水位的指標，采用改進的TOPSIS方法評價分析各地區的地下水情勢特征，主要結論如下：

1) 評價因子權重利用熵權法求解，結果顯示對地下水位影響較為顯著的因子有國民生產總值、地下水開采量、地下水灌溉面積和機井數量等因子。

2)按照自劣到優的次序排列開都-孔雀河流域地下水情勢為：庫爾勒市<尉犁縣<和碩縣<和靜縣<博湖縣<焉耆縣，焉耆縣地下水位受人類活動的影響較弱，庫爾勒市較其它區域的貼進度明顯較低，該區域地下水位受人類活動的影響較大，水系統恢復需要較長的時間，為遏制地下水的進一步發展當地政府應采取行之有效的措施。