天津市深层地下水开采指标计算

徐 佳，陆 克，于 强，解大可

(1.天津市控制地面沉降工作办公室，天津300061;2.天津南水北调水源工程建设投资有限责任公司，天津300200)

天津市地面沉降是典型的水资源短缺型地面沉降[1]，自上世纪60年代发现，经过二十多年的快速发展期，至上世纪80年代，逐渐成为主要地质灾害之一。截至2009年，天津市自宝坻断裂以南9538 km2均出现不同程度的地面沉降[2]，沉降区主要分布在中心市区、环城四区、滨海新区和静海县。

诸多研究已表明，只有首先控制住天津市地下水位漏斗的发展[3]，才可能有效地控制地面沉降漏斗的发展，尤其是在缺乏系统的大面积地面沉降地质勘察条件下，一方面要理顺地下水开采与地面沉降的关系，另一方面要依靠水资源科学配置等管理措施，合理控制全市地下水开采量和开采层位，最大限度地减缓地下水开采引起的地面沉降。

伴随着天津经济的发展，用水与水资源环境保护的矛盾也日益突出。因此，如何科学合理的制定出年地下水开采指标来实现控制地面沉降的目的就尤为重要。深层地下水开采指标的计算是控制地面沉降和地下水资源管理工作相结合的重要手段。

1 理论方法

天津市年度地下水开采指标的计算首先对地面沉降重点控制区进行了计算单元的划分，再以单元为基础根据历年的单元土方损失量及开采量关系进行相关性分析，最后依据沉降量控制目标及单元中各乡镇的沉降影响比例确定年度各区县及乡镇的开采指标。

计算单元的划分:根据近几年天津市地面沉降与地下水空间分布特征，以近年来沉降漏斗演变及发展趋势为依据，以地下水补、径、排条件为参考，水文地质分区为主要指标，又由于地下水开采量的统计是以街镇一级行政单位为基础的，因此计算单元的划分是将以乡镇为边界的具有良好相关性的区域划分为一个计算单元，并建立地下水开采指标预测模型。

年度地下水开采指标计算步骤如下:

1)确定各区域年沉降控制目标;

2)根据划分的计算单元，一元线性回归分析法进行相关性分析，建立计算单元的预测模型。

3)以该单元连续5年的土方损失量和地下水开采量为统计指标，通过回归分析建立两者关系，年沉降控制目标，计算出该单元年度的总体开采量。

4)根据计算单元总体开采量，以重点乡镇的开采强度、开采量、超采程度、平均沉降量、水位降幅等指标为评判标准综合评定打分，确定该乡镇在计算单元中对沉降的影响比例，根据不同的比例对开采量进行分配。

影响比例的计算方法:

计划书将功效系数法[4]应用于计算单元内各乡镇影响比例的计算领域，对单元内的乡镇进行多因素综合分析，排除了大部分人为因素，使结果更加准确且简便易行。

功效系数法又叫功效函数法，是指根据多目标规划的原理，把所要考核的各项指标按照多档次标准，通过功效函数转化为可以度量的评价分数，根据已被评价对象进行总体评价得分并依据得分判断优劣的一种方法。计划书中乡镇分别选取了沉降量、开采量、开采强度、超采程度等几项构成了评价指标体系。

在评价过程中首先要设置标准值，并为每档标准值赋予标准系数，再根据评价指标将其进行比较，使指标无量纲化并归入该档之中，作为该项指标的基础分数，最后计算出指标的调整分数，两个分数的总和为该指标的最后得分。主要评价步骤如下:

(1)设置五档标准值。各项指标的评价档次分别为A、B、C、D、E五档。各指标k的最大标准值记为xkmax，最小标准值为xkmin，将指标实际值按照最大值与最小值之间的差距4

(2)根据评价指标对应五档标准值赋予五个标准系数:100、80、60、40、20。如下:

Ⅰ、xk≥xkmax，归为 A 档，该档标准值 xk1为 xkmax，标准系数λk1=100;

Ⅱ、xk∈[xkmax－ xa，xkmax]，归 B 档，该档标准值 xk1为 xkmax－ xa，标准系数 λk2=80;

Ⅲ、xk1∈[xkmax－2xa，xkmax－xa]，归为 C 档，该档标准值xk1为 xkmax－2xa，标准系数 λk3=60;

Ⅳ、xk∈[xkmax－3xa，xkmax－2xa]归为 D 档，该档标准值xk1为 xkmax－3xa，标准系数 λk4=40;

Ⅴ、xk∈[xkmin，xkmax－3xa]，归 E 档，该档标准值为 xkmin，标准系数λk5=20。

(3)按以下方法对每个指标计分:

Ⅰ、上档基础分=指标权数×上档标准系数;

Ⅱ、本档基础分=指标权数×本档标准系数;

Ⅲ、调整分=[(实际值－本档标准值)/(上档标准值－本档标准值)]×(上档基础分－本档基础分)，注:对于A档不再进行调整分数计算;

Ⅳ、单项指标得分=本档基础分+调整分。

(4)总得分D=∑单项指标权重得分。

(5)影响比例=乡镇总分/单元总分

其中计算单元的总得分D=∑单项指标权重得分，该单元中乡镇影响比例=乡镇总分/单元总分。

单元开采指标量与该单元内乡镇影响比例的乘积即为2011年重点控制乡镇的开采指标量。

2 滨海新区深层地在水开采指标计算

2.1 区域年度开采指标计算

由于天津市面积广大，涉及数据较多，本文选取天津市西青区为例，计算区域内各乡镇年度开采指标。表1为西青区2005－2009年分乡镇深层地下水开采量，表2为西青区2005－2009年分乡镇土方损失量，根据表1和表2数据结合计算单元的划分，根据年度的控沉目标，全区沉降平均减少3 mm[5]，可计算出单元的年度开采指标。由图1可知西青区被区划分在4个单元内，经计算各个单元的年度开采指标见表3。

图2 地下水开采指标计算流程图

表1 西青区历年开采量 万m3/a

表2 西青区历年土方损失量 万m3/a

2.2 分乡镇开采指标计算

根据年度单元开采指标，设定2011年西青全区沉降量减少3 mm，运用影响因子综合评价方法(功效系数法)进行分乡镇开采指标分配，表4西青区评价参数;经综合评价打分表4 结果为西青区乡镇年度开采指标值，其中张家窝中北镇及王稳庄沉降量较小，因此三个乡镇统一计算出一个开采建议值三个乡镇可在范围内自由调配开采水量。

表3 西青区评价参数

3 结论

(1)地下水开采指标的计算是从控制地面沉降角度出发通过科学分区及重点地区重点管理为天津地区有效的控制地面沉降及合理配置地下水资源提供了定量依据及执行计划。

(2)通过制定年内控制目标及回归分析引用多因素综合评价，计算地下水开采指标更全面准确。

(3)计划指标的计算及执行已经在天津推行多年，实践证明对控制天津地区地面沉降行之有效。

表4 西青区地下水开采指标建议 万m3/a

[1]张阿根，魏子新.中国地面沉降[M].上海科学技术出版社.2005:55－56.

[2]姜衍祥，董国凤，于强，等.2010年天津市地面沉降年报[R].天津:天津市控制地面沉降工作办公室.2010.

[3]王家兵.天津深层地下水资源持续利用研究[D].北京:中国地质大学(北京)博士学位论文.2006.

[4]周莉，黄河清，蒲勇健.基于功效系数法的经营者业绩评价研究[J].软科学.2006:20(1):40－44.

[5]2011年度天津市地下水开采指标计划书.天津:天津市控制地面沉降工作办公室.2010.