基于模糊综合评价法的海岛深层地下淡水开发潜力评价

单科，王锐浩，黄鹏飞，初喜章

（国家海洋局天津海水淡化与综合利用研究所，天津 300192）

随着《中华人民共和国海岛保护法》、《全国海岛保护规划》以及“第一批开发利用无居民海岛名录”等法律、法规和鼓励性政策、措施的出台实施，海岛开发力度不断加大。我国大部分海岛所处地区降水时空分布不均，这大大增加了面积本就有限、缺乏大规模蓄水工程建设条件的海岛的供水保障难度。通过层次分析法和灰度分析法研究，淡水资源是制约海岛开发的两个主要自然资源因素之一（刘亮等，2012）。

在海岛地区，由于受到海岛集水区面积、地形特征、地质构造等条件限制，潜水层在旱季难以保持较低盐度。除埋藏较浅的潜水外，部分海岛的深层地下存有由陆地向海洋延伸的储水结构。陆地上的水系通过地下含水层向大陆架区域输送，使得地表淡水直接成为海底储水结构的淡水补给源。这些含水层一般在陆上的补给区面积相对较小，不易受污染，同时经过自然的生物净化和地层过滤，水质一般较好（刘海龄等，1998）。

深层地下淡水的开采也早有先例。20 世纪60年代，美国地质学家就提出开发海底蕴藏的淡水资源，特别是对于干旱缺水的地区，有着十分重要的意义。Margat 曾采用“矿业式”开采理念，指导澳大利亚、美国亚利桑那州、阿尔及利亚和突尼斯等国家或地区进行了深层地下水开采（张光辉等，2002）。20 世纪80年代，意大利在该国的莫托拉海域沿岸海床下800 m 深处发现海底淡水资源。Nymphea 公司于1999年首次进行了从海底汲取淡水的试验。据报道，2003年7月，Nymphea 公司宣布其在意大利芒冬和凡蒂米之间一处海床下36 m 深处的淡水抽到陆地上，水流量达0.1 m3/s，这是世界上首次实现海底工业化取水（李红，2003）。

因此，在合理开发利用海岛地表水、浅层地下水的基础上，其深层地下淡水资源的开发也应得到关注。我国海岛众多，条件各异，需求也不尽相同，同时，深层地下淡水的勘探成本相对较高。因此需采用一套科学的理论方法，先期对海岛深层地下淡水的开发活动加以评价，以便根据评价结果实施钻探、规划及利用等活动，以保证深层地下淡水资源的合理开发。本文试采用模糊综合评价法对海岛深层地下淡水利用潜力加以评估，进而为进一步的勘察提供指导，为海岛的合理规划和开发提供理论基础。

1 评价模型构建

与海岛深层地下淡水开发潜力相关的因素较多，如海岛及周边海域海底的地质情况、海岛的地形地貌、海岛所处区域的气候条件、海岛自身发展的需求以及深层地下淡水开发难度等等。因此，应首先采用层次分析法对海岛深层地下淡水开发潜力的评价因子深入分析，并构建一个多层次分析结构模型，然后可利用较少的定量信息把决策的过程数学化（杜栋等，2008）。某些因子，如海岛的地形地貌，对其评判存在一定程度的模糊性，因此本文采用了模糊数学的方法进行决策，这样不仅可简化决策的过程还可保证结果的客观性。

1.1 评价因子体系的建立

影响海岛深层地下淡水开发潜力的因素主要来源于3 个方面，分别是自然条件、社会条件和工程条件。自然条件中当地降水量和岛陆蓄水条件直接关系到海岛淡水资源短缺程度和可开发利用的总量；离岸距离越远，则引水工程建设运行难度越大；海岛成因不同，也会影响其深层地下贮水结构的容纳能力。社会条件主要反映对深层地下淡水开发的需求，人均水资源占有量与人民生活水平相关，生产所消耗的淡水可由单位产值耗水量表示，海岛的进一步发展也在相关规划中体现，能源供应充足与否则决定了其他非常规水源能否大规模应用，供水价格则直接体现了淡水资源的稀缺程度。此外，淡水层埋深、补给情况和钻探难易程度等工程开采条件决定了深层地下淡水的开发成本。

根据上述分析构建层次结构模型（图1），评价体系包括目标层A、评价层B 和指标层C。

图1 海岛深层地下淡水开发潜力评价层次结构模型

各评价因子的含义如表1 所示。

表1 评价因子含义

1.2 权重矩阵的计算

层次B 中3 个条件对目标A 的权重和层次C中各因子对于层次B 相应条件的权重通过各层间元素的两两比较，构造比较判断矩阵来确定。相对重要性的表示采用1-9 标度法，通过专家咨询，对每个层次的评价要素加以比较权衡，组成判断矩阵，经计算和一致性检验，得出评价要素在相应层次的权重。最后，将A-B，B-C 各层次相应权重相乘后，得到评价因子C 对目标A 的权重结果（表2），形成权重集W。

表2 评价因子权重

1.3 模糊关系矩阵建立

（1） 建立评价集

本文采用3 个等级评语评判各因子C，构建评价集V。V= {Vj（j=1，2，…，m）}，其中Vj为评价的第j 个等级，本次建立的评价集中有3 个等级，即V= {V1，V2，V3}。V1等级为有利于开采或需求旺盛，V2等级为具备一定开采条件或需求，V3为对开采没有需求或不具备开采条件。分级依据见表3。

（2） 确定参评要素集和隶属函数

参评要素即为判断因子C，参评要素集U ={Ci（i=1，2，…，n），n=12}。

以上参评要素中可量化的定量指标的模糊分布类型为梯形分布，其隶属度分值采用升、降半梯形函数计算（谢季坚等，2006）；不可量化的定性指标采用专家打分法加以评级。

（3） 建立模糊关系矩阵

根据模糊数学的基本概念，确定每一个因子Ci对评价集V 的隶属程度，用ri，j（i = 1，2，…，n；j=1，2，3） 来表示，由此，将每一因子的评价结果构建成模糊关系矩阵R。

1.4 构造模糊综合评价模型

利用模糊运算将权重矩阵W 和模糊关系矩阵R 结合，构造模糊评价模型，得到评价对象属于各评价等级的隶属程度的矩阵，即评价结果P（杜栋等，2008）。若评价结果对p1隶属度最大，表示深层地下淡水开发潜力巨大；若对p2隶属度最大则表示开发潜力一般；若对p3隶属度最大则表示不具开发潜力。

2 深层地下淡水开发潜力评价——以嵊泗泗礁山岛为例

泗礁山岛属浙江省舟山市嵊泗县，是该县县政府所在地。嵊泗位于我国长江口外海区与杭州湾的会合处，位置十分优越，是我国的国家级海洋风景名胜区，气候湿润，1956-2000年的年平均降水量1 038.1 mm（舟山市发改委，2010）。泗礁山岛上陆地面积狭小，丘陵集水区面积小，截水条件差，水系短小，地表径流大部分只能直接入海，旱季供水十分紧张（李植斌，1997）。岛上日供水能力约1.7 万t，其中海水淡化工程占据了约40%。另据估算，在舟山群岛建蓄水工程每立方米蓄水量造价高达10～12 元（浙江省海岛资源综合调查领导小组，1995）。

根据大量的第四纪地质、水文地质的钻孔资料研究，上海地区在早更新世应存在两条古河道，一条可能属于古长江水系，另一条可能属于古钱塘江水系。古长江流经现今的上海地区后，向现今的舟山群岛和东海大陆架方向延伸，在所流经的地区留下了宽阔的古河道。从地层条件分析，长江口地区的下更新统河流相砂层中应有含淡水层（王振宇，2005；李家彪，2008）。同时，对舟山附近海域第四纪海底沉积物的研究表明其具有高含水量、高孔隙比、高压缩性的特点（王振红等，2011）。

张志忠等（2011） 利用2009年完成的单道地震测量解译成果，推测钱塘江口北侧、嵊泗列岛以北、嵊泗东北部海域的第四纪松散层、早更新世古河道分布区有可能是海底淡水资源丰富区。

表3 评价因子分级依据

张莱等（2010） 对嵊泗海域长江古河道区域地下淡水水位及补偿进行了数值模拟，认为该区域含水层可为嵊泗列岛长期提供淡水。

泗礁山岛建有小型电厂和风力发电机组，但目前电力保障主要依靠引自大陆的海底电缆供电。

舟山市“十二五”规划和舟山市发改委相关研究报告中都提出，在嵊泗将建设海水淡化工程，而大陆引水工程目前只是开展前期研究工作，这在一定程度上表明引水工程建设的难度巨大（舟山市发改委，2010；舟山市人民政府，2011）。根据嵊泗县发改局（2011） 公布的2010年该县万元产值用水量为4.12 m3，说明当地节水水平较高，但也从另一侧面放映出当地淡水资源极为匮乏。

基于上述资料，根据表3 的分级依据，评价分级结果如表4 所示。

由此构建模糊关系矩阵R。

利用模糊运算将权重矩阵W 和模糊关系矩阵R 结合，所构造的判断矩阵经计算和归一化，最终得到隶属度矩阵P= [0.522 0，0.362 8，0.115 2]。可看出结果对p1等级的隶属度最大，因此，评价结果显示嵊泗开发海岛深层地下淡水的潜力巨大。

表4 泗礁山岛评价分级结果

3 讨论

3.1 模糊综合评判法在海岛深层地下水开发潜力评价中的适宜性

与海岛深层地下淡水开发潜力相关的评价因子较多，并且评价因子的等级划分具有模糊的特性，不宜采用绝对的数值界限对评判等级加以划分。

评价因子中某些因子不能直接用数值表示，同时不存在等级间的明显界限。如海岛地形地貌特征、地质条件对开发潜力的影响和海岛是否列入相关规划等，此类评价因子无法采用绝对的数值界限划分等级。另外，某些评价因子如海岛降雨量等，虽然具有明确的数值，但并不能以某一具体数值作为界限来评价其对地下水开发潜力是否有利，其判断仍存在一定模糊性。而通过模糊数学的方法，不仅可将本身不具备数值的评价因子量化，还可更为客观地反映评价因子对评价结果的影响。因此，在评价海岛深层地下淡水开发潜力时，采用模糊数学方法可较为客观地反映这些模糊的概念，并可将其纳入量化的评价模型，使评价结果更加客观准确。同时，采用模糊综合评价法进行评估，其结果为隶属度矩阵较为直观，便于对开发潜力的判断。

3.2 评价结果的准确性

近年来对嵊泗附近深层地下淡水含水层的研究日渐增多，1993年和2007年先后两次实施的勘探工程也揭示了当地深层地下埋藏有丰富的淡水资源，相关研究者都认为其开发潜力巨大。本文采用嵊泗作为案例对模糊评价模型加以验证，也得出了相同的结论，初步证明本文建立的模糊评价模型可用于海岛及附近海域深层地下淡水开发潜力评价，评价结果与实际情况相符。

泗礁山岛深层地下淡水开发潜力的评价结果对于表示开发潜力一般的p2等级也有一定隶属度，这其中原因来自多个方面：其一是规划中将建设的海水淡化工程对缓解该区域的缺水局面有较大作用；其二是当地已提出进行引水工程的前期研究工作，一定程度上影响了对海底淡水开发的需求；其三是目前的“嵊泗一号”、“嵊泗二号”钻探井位于海上，若不能在岛陆区域进行开采，则施工的难度会减小深层地下淡水开发的竞争优势。

4 结论

（1） 海岛深层地下水的评价是深层地下水勘探开发的基础。目前，对我国海岛深层地下水的研究处于初级阶段，尚无针对海岛深层地下水评价的成熟方法。本文运用模糊综合评价法尝试建立海岛深层地下淡水开发潜力评价方法，并利用嵊泗泗礁山岛数据对模型进行了验证。

（2） 海岛深层地下淡水开发潜力评价受到多种因素的影响，并且影响因素具有模糊性，因此应正确选择评价因子并利用合理的方法加以评价。本模型的评价因子覆盖了自然、社会和工程3 个方面，评价方法为模糊综合评价法，充分考虑了评价的输入条件与输出结果间的关系，评价结果直观、准确。

（3） 嵊泗泗礁山岛位于我国长江口外海区与杭州湾的会合处，从地层条件分析，长江口外的古河道中应有含淡水层。从实际来看，该地区已经成功勘探出储量可观的深层地下淡水。通过对评价结果的分析，我们发现虽然当地深层地下淡水开发潜力巨大，但由于已有的工程手段缓解了岛上的供水矛盾，并且海上钻探施工难度较大，这都在一定程度上影响了深层地下淡水的开发潜力。

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