人类活动对开都-孔雀河流域地下水位的影响分析

邓 燕

(塔里木河流域巴音郭楞管理局开都-孔雀河管理处解放二渠管理站，新疆 库尔勒 841000)

0 引 言

地下水为保障我国生态、粮食、经济和饮水安全的重要性战略资源，在水资源供给系统中地下水的重要性地位日渐显现。由于对地下水自然属性认识的不足，加之水资源分布不均、经济发展和人口快速增长等条件限制，许多地区的地下水曾被盲目无序的开采，从而导致一系列生态环境和地下水严重超采等问题，严重影响着居民生活和生产，甚至制约着某些地区的水生态文明建设。地下水位引起的土壤盐碱化、海水入侵和地面沉降等问题，已成为当前水资源领域研究的重要课题之一[1-7]。

为推动水生态文明建设和实现水资源的持续利用，“十三五”规划提出要严格控制对地下水的开发利用和综合管理。开都-孔雀河流域位于南疆经济发展相对发达的地区，近年来自然生态环境的趋于恶化、地下水位的持续下降以及水土资源大规模开发等引起了政府部门的高度重视。受当地体制和历史条件等要素限制，地下水监测存在一定的滞后性，难以准确掌握地下水超采和开采利用情况，可靠真实的统计提水量和地下水位存在较大困难，无法实现地下水资源的有效管控和全流域地下水波动情况的第一时间掌握，普遍存在地下水超采和偷采问题。根据2016年调查统计数据，地下水实际超采率已>66%，引用量显著高于用水红线要求的3.63亿m3，对地下、地表水的联合利用和水资源合理配置产生严重的不利影响。

当前，由于具有结果可靠度高、计算简便等优点，TOPSIS法已广泛应用于水利工程方案、水资源承载力和绩效管理评价等领域。例如，罗浩等从限制纳污、用水效率和开发利用的角度构建评价体系，对评价因子组合系数利用博弈论法计算，从而构建水资源管理绩效评价GC-TOPSIS模型，并用于西安市2005-2016年的水系统评价；黄镇中等为定量评价土石坝渗流风险程度选取了渗透迫降、渗流量等8个因子，各评价指标客观权重利用粗糙集改进AHP法求解，利用组合赋权-TOPSIS法预测分析了6个土石坝的渗流风险，评价结果可靠性较高；岳俊涛等以江西省11个地市为例，结合水文局和统计局数据资料选取万元GDP用水量、人均用水量等评价因子构造评价体系，对研究区用水效率利用CRITIC-TOPSIS方法给予合理评价；夏欢等从生态、经济、社会和水资源4个子系统中选取20项典型因子，采用AHP-熵权法计算评价因子综合权重，并对连云港地区水系统承载力利用TOPSIS法评价[8-11]。

据此，文章结合现有研究成果和文献资料，采用改进的TOPSIS法定量评价了开都-孔雀河流域地下水位受人类活动的影响，可为该流域生态环境保护和地下水治理提供科学依据。

1 流域概况

开都-孔雀河流域面积7.73万km2，其中平原区和山区面积为4.26、3.47万km2，共涉及库尔勒市、尉犁县、和硕县、博湖县、焉耆县、静县等地。2016年统计资料显示，开都-孔雀河流域城镇化率53.02%，总人口109.56万人；生产总值GDP为364.87亿元，其中第一、二、三产业为74.67、100.49、89.71亿元，占比依次为28.19%、37.94%和33.87%；人均纯收入5448元、人均GDP2.58万元。

2 改进的TOPSIS模型

2.1 确定因子权重

采用熵权法求解各因子权重，具体流程如下：

步骤一：通过归一化处理指标矩阵X=(xij)m×n，由此构造标准判断矩阵B=(bij)m×n，归一化公式如下：

(1)

式中：i、j——为待评方案和因子；xmin(j)、xmax(j)——为待评方案中评价因子j的最小和最大值。

步骤二：根据熵的内涵确定评价因子j的熵值，其计算式为：

(2)

(3)

其中：i=1，2，…，m；j=1，2，…，n。

步骤三：根据评价因子j的熵权βj计算方法，可获取权向量β=(β1,β2,…,βn)，计算公式为：

(4)

2.2 改进TOPSIS模型

TOPSIS模型又称为多要素、多目标决策分析法，其实质是依据理想化目标与有限个评价方案之间的贴近程度，科学排序相关指标的功能作用或优劣程度，具有应用灵活、计算结果科学和分析简便等优点。文章将TOPSIS评价法与灰色关联理论相耦合，构建地下水位影响评价模型，基本流程如下：

步骤一：采用计算式(1)归一化处理各方案初始值，从而构造标准化矩阵B为：

(5)

其中：i=1,2,…,n；j=1,2,…,m。采用乘积法求解各因子权重与标准化矩阵B，由此获取加权处理后的标准矩阵C，即：

(6)

步骤二：采用灰色关联理论求解C的正、负理想解，利用下式确定理想解与待评价对象的关联系数rij，即：

(7)

理想解与各评价方案间的灰色关联矩阵R利用公式(7)确定，表达式为：

(8)

步骤三：根据以上流程求解矩阵R的正、负理想解，利用欧式基本公式对理想解与待评价方案i的距离计算，计算公式如下：

(9)

步骤四：计算贴进度。根据待评价对象的贴近程度值ξi的大小对各地区地下水位进行优劣排序，ξi值越大则表示待评方案与最优方案的贴近程度越高，评价方案的越优；反之，则代表与最优方案的贴近程度越小，待评方案越劣，其计算公式为：

(10)

3 实例分析

3.1 基本状况

根据相关研究资料和开都-孔雀河流域实际情况，选取粮食单产、地下水灌溉面积和机井数量等影响地下水位的指标，依据统计年鉴、水资源公报和社会经济调查等有关资料获取各因子值，见表1所示。

表1 评价区域地下水位影响因子初始值

结合专家意见和流域实际情况，将地下水影响程度划分为低、中、高、严重4个等级，相应的Ci值为1.00-0.75、0.75-0.50、0.50-0.25、<0.25，各等级特征为影响微弱、水系统恢复时间较短且影响较小、水系统恢复需要一定时间且存在一定影响、水系统恢复时间较长且影响显著。

3.2 评价计算

各评价因子权重利用公式(1)-(4)求解，结果为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)。然后采用加权求和法获取标准化矩阵C，结果见表2。

表2 加权标准矩阵C

采用上述计算式(5)-(11)求解各研究区域的贴进度，贴进度度及灰关联矩阵计算结果见表3、表4所示。

表3 研究区灰关联矩阵

表4 基于两种模型的评价结果

根据表4可以看出，贴进度最大的区域为焉耆县，最大值为0.8894，可见该区域地下水位受人类活动的影响较弱；贴进度最小的区域为库尔勒市，最小值为0.1271，较其它区域明显较低，可见该区域地下水位受人类活动的影响较大，水系统恢复需要较长的时间，为遏制地下水的进一步发展当地政府应采取行之有效的措施[12]。按照自劣到优的次序排列开都-孔雀河流域地下水情势为：库尔勒市<尉犁县<和硕县<和静县<博湖县<焉耆县。

3.3 结果分析

将评价结果与投影寻踪法比较，验证了文章所用方法的准确性。结果显示，两种方法评价结果具有较高的一致性，各区域地下水情势排序相同，可见所构建的模型具有较强的适用性和可靠性，能够用于地下水位的影响研究。

4 结 论

开都-孔雀河流域人口规模和社会经济发展迅速，地下水过度开采、水体污染、水资源短缺等问题日趋突出。为实现该流域水资源合理利用及人水和谐发展，文章结合流域地下水特征和相关研究资料，选取粮食单产、地下水灌溉面积和机井数量等影响地下水位的指标，采用改进的TOPSIS方法评价分析各地区的地下水情势特征，主要结论如下：

1) 评价因子权重利用熵权法求解，结果显示对地下水位影响较为显著的因子有国民生产总值、地下水开采量、地下水灌溉面积和机井数量等因子。

2)按照自劣到优的次序排列开都-孔雀河流域地下水情势为：库尔勒市<尉犁县<和硕县<和静县<博湖县<焉耆县，焉耆县地下水位受人类活动的影响较弱，库尔勒市较其它区域的贴进度明显较低，该区域地下水位受人类活动的影响较大，水系统恢复需要较长的时间，为遏制地下水的进一步发展当地政府应采取行之有效的措施。