基于层次分析法的青海省矿泉水开发利用潜力评价

韦华鹏，许伟林，罗银飞，张子琛，罗奇斌，康卫东

(1.西北大学地质学系大陆动力学国家重点实验室，陕西 西安 710069 ；2.青海省九〇六工程勘察设计院，青海 西宁 810000)

水是人类的生存之源，是维持人类生命生存不可或缺的基本元素[1]。天然矿泉水以其源头纯净、富含矿物质和营养的特点，越来越受到人们的亲睐。

矿泉水具有特殊的水化学成分和稳定的水动力特性，是水—岩长期相互作用的结果，其形成过程与当地地质、水文地质环境密切相关[2-4]。许多学者对区域内矿泉水的形成机制、赋存条件、水化学特征等因素开展了大量研究，研究结果表明，青海省有着孕育世界级水平优质品质矿泉水富集带的有利地质、水文地质条件，地下水接受天然降水补给后在复杂的地质、水文地质过程，形成了一系列具有开发利用价值的含锶、锌的矿泉水,这为青海省发展绿色经济提供一条重要的途径[5-7]。但是目前对矿泉水的开发利用潜力水平的研究基础薄弱，因此对青海省矿泉水区进行系统科学的开发利用潜力评价是很有必要的。矿泉水的开发利用潜力涉及自然、社会、经济、环境、基础建设等多个方面，本文主要以青海省41处天然矿泉水资源为研究对象，基于层次分析法，对青海省天然矿泉水进行开发利用潜力评价，为青海省矿泉水的调查评价规划提供科学依据。

1 青海省矿泉水类型与分布

青海省饮用天然矿泉水主要是大气降水或冰雪融水通过地质构造通道进入有益元素富集岩层，在深部水循环过程中发生水岩作用而溶解岩层中的矿物质、微量元素或其他成分，形成对人体健康有益的并受到良好生态环境保护的矿泉水。

青海省矿泉水的形成与岩石地层、地质构造、气象水文的控制[8]。青海省地层类型丰富，受各种地质活动的影响，广布青海的中、新生代地层中富含锶离子和锌离子；并且断裂系统非常发育，除柴达木盆地外，多密集成束分布，断裂带周围的岩石破碎严重，是地下水运动的主要通道，同时也给地下水循环提供了有利的条件[8]；青海省地域辽阔，地下水类型齐全，五大类型地下水均有分布，地下水主要接受大气降水、冰雪融水的入渗补给，在区域性深大断裂构造的控制下，在深部水循环过程中发生水岩作用而溶解岩层中的矿物质、微量元素或其他成分，形成对人体健康有益的矿泉水。

根据国标《饮用天然矿泉水》(GB8537-2018),青海省矿泉水主要可以分为锶矿泉水、锌矿泉水以及锶复合型矿泉水。

(1)锶矿泉水：主要出露于柴达木盆地南缘，柴达木盆地以东，德令哈地区，以及马海湖地区也有零星出露，上诉地区的地层岩性主要以中新生代沉积岩、元古界碳酸盐岩及燕山期侵入岩等为主，锶元素在上诉地区岩层中分布相当广泛，地下水在接受中高山区冰雪融水及大气降水入渗补给后，沿断裂带运移的地下水，径流途径远，在径流途中溶滤了地层中的锶元素，从而形成含锶矿泉水，在断裂带附近以上升泉或泉群的形式出露地表。

(2)锌矿泉水：主要出露与黄南、果洛及玉树一带，这一带的印支期岩浆岩中，富含多金属，多金属矿产比较产出，其中就含有大量的锌。以及该区域的一些区域大断裂，切割深度大，断裂已断入热源或接近热源，构成了沟通深部热源，导热、导水、储水的基础条件。经断裂带深循环的地下热水，其溶解能力强，强化了地下水对围岩的淋滤和溶滤作用，从而更有利使岩石中的锌元素溶滤到地下水中。地下水在接受中高山区冰雪融水及大气降水入渗补给后，沿断裂带运移的地下水，径流途径远，在径流途中溶滤了地层中的锌元素，从而形成含锌矿泉水，在断裂带附近以上升泉或泉群的形式出露地表。

(3)锶复合型矿泉水：主要分布于海东、黄南一带，含水层岩性主要以中、新代灰岩为主，这些矿泉水出现的地区均有区域性断裂带及侵入岩分布，岩石矿物成分在含有大量的SiO2和锶元素，且这一地区地下水中CO2的含量较高，富含CO2的水垂直下渗至岩石裂隙中，在长期的循环过程下，地下水与岩石发生溶解—沉淀反应，水岩作用的结果，使岩石的成分一部分进入高岭石、蒙脱石外，一部分进入地下水中，经构造裂隙上升泄出地表形成锶复合型矿泉水。

本次研究一共收集了41处矿泉水资料，青海省矿泉水种类较为丰富，以锶、锌以及锶的复合型矿泉水为主。单一型包括锶矿泉水和锌矿泉水两种，共36处，占所有矿泉水总数的87.90%，其中锶矿泉水占的比重最大，共26处，占所有矿泉水总数的63.41%。复合型矿泉水类型较多但数量较少，一共有6处复合型矿泉水，其中还包括2处3种类型复合的矿泉水。矿泉水点位分布图见图1。

图1 青海省矿泉水点位分布图

2 矿泉水开发利用潜力评价指标体系的建立

2.1 构建指标体系

水资源开发利用评价指标体系的构建应该遵循以下原则：(1)功效性原则；(2)系统性原则；(3)可度量性原则；(4)代表性原则；(5)层次性原则[9]。矿泉水开发利用评价指标的确定又涉及了自然、生态、环境、经济和社会等多个方面。因此依据指标的选取原则以及青海省矿泉水的基本情况，结合其他学者对矿泉水潜力评价的研究[10-11]，从资源条件、自然环境条件、社会条件3个层面，制定青海省矿泉水开发利用潜力评价指标体系：(1)在资源条件层面选取泉点流量、矿泉水类型、有益组分含量3个指标，反映了矿泉水的水资源量及其丰富程度，是区域是否能开展矿泉水开发利用工作和衡量水资源利用潜力的决定性因素。(2)在自然环境条件选取植被覆盖比率、地下水质量、污染程度3个指标，主要反映了矿泉水开发利用潜力实现的自然条件。(3)在社会条件选取了交通条件、开采条件、人均GDP3个指标,是区域矿泉水资源能够开发利用得以实现的基础，开展矿泉水开发利用工作需要交通和经济的支撑，具有突出的交通和经济条件的地区开展矿泉水开发利用工作更有优势。建立的青海省矿泉水开发利用评价指标体系见表1。

表1 矿泉水开发利用潜力评价指标体系

2.2 评价指标体系标准

由于不同地区的水资源条件、自然条件以及社会经济条件存在差异，因此在建立指标的评价标准时要考虑多方面的因素。本研究参考其他水资源相关的评价标准以及研究结果[12-16]，结合青海省多年来的实际情况和专家的意见，建立矿泉水开发利用潜力评价指标体系标准，如表2所示。

表2 矿泉水开发利用潜力评价指标体系标准

该评价指标体系将3个准则层划分为4个等级，从高到低分别为优秀、良好、中等和一般。并对4等级进行赋分，根据各指标得分确定的难易程度，可以将9个指标层分为2类，第1类是有具体的试验数据和通过规范的统计资料获取的数据，可以直接进行量化的指标，包括泉点流量、有益元素含量、林草覆盖率、地下水质量、污染程度和人均GDP；第2类是难以量化的指标，通过专家打分的方式来划分得分区间。

3 青海省矿泉水开发利用潜力评价

3.1 开发利用潜力评价方法

层次分析法是一种定性和定量相结合的层次权重分析方法,在解决复杂问题时更系统、更灵活，适合用于解决多准则决策问题。考虑到矿泉水开发利用潜力涉及到资源、环境、社会等多诸多方面，本文采用层次分析法来计算指标权重。在进行矿泉水开发利用潜力评价过程中，每一个评价指标具有不同的重要性，评价指标的权重直接影响到评价结果的合理性，因此本文邀请具有相关经验的专家在研究青海省矿泉水的特点基础上对评价指标进行重要性评判。层次分析法一般包括以下4个步骤[17]。

1)建立层次结构模型。本文确定矿泉水开发利用潜力评价的为目标层(A)、准则层(B1～B3)和指标层(C1～C9)。

2)构造判断矩阵。设目标层A由准则层指标组成，各准则对目标评价的重要程度不同，因此常用9级标度法构造比较矩阵：

(1)

式中：Bst为Bs相对于Bt的重要性，Bst>0，且Bst=1/Bts。

3)计算相对权重和合成权重。用特征根法求解判断矩阵A的最大特征根λmax与相应的特征向量W,经正规化后的特征向量W=(W1,W2,…,Wn)T即为相对权重向量。

4)做判断矩阵的一致性检验。

(1)计算一致性指标CI：

(2)

式中：λmax为矩阵的最大特征值；n为矩阵阶数，并根据矩阵阶数查对应RI的值。

(2)计算一致性比例CR：

(3)

当 CR<0.1 时，可认为判断矩阵满足一致性要求; 若CR>0.1，则应适当修改判断矩阵，使其满足一致性要求。

(3)对判断矩阵归一化处理。一致性检验通过以后，将权重向量进行归一化处理，得到的数值即为各个指标的权重。

3.2 矿泉水开发利用潜力评价指标权重

根据层次分析法原理，结合青海省矿泉水资源的实际情况与多位相关专家的意见，构造青海省矿泉水开发利用潜力评价准则层和指标层的判断矩阵，用MATLAB计算准则层与指标层的权重与λmax，将λmax带入公式(2)得到CI,查表获得与判断矩阵对应阶数的RI,将CI与RI带入公式(3)得到CR。计算结果见表3。

表3 矿泉水开发利用潜力评价指标权重

3.3 矿泉水开发利用潜力评价结果

根据《青海省矿泉水潜力评价方法研究报告》(2019)获得评价指标C1、C2、C3、C5、C6、C8的数据，根据《青海省生态环境公报》(2019)与《青海省国民经济与社会发展统计公报》(2019)获得评价指标C4、C7、C9数据。

参考表3的标准，给41处矿泉水点进行赋分，然后利用加权综合模型(式4)计算矿泉水开发利用潜力的综合评价值。

(4)

式中：Si为矿泉水开发利用潜力综合评价值；Wij为评价指标权重；Pj为评价指标的量化值。

按以上方法计算得出青海省41处矿泉水点的开发利用潜力的综合评价值，综合考虑青海省矿泉水资源的状况以及当前社会发展水平，结合相关学者研究成果以及专家意见，确定青海省矿泉水开发利用潜力评价的适宜等级，将41处泉点开发利用潜力评价结果划分为4个等级(表4)。评价结果见表5、图2。

图2 青海省矿泉水开发利用潜力图

表4 潜力结果划分等级表

表5 青海省矿泉水开发利用潜力评价结果表

4 评价结果分析与建议

根据评价结果，一共有4处矿泉水点处于高潜力水平，19处矿泉水点处于较高潜力水平，14处矿泉水点处于中等潜力水平，4处矿泉水点处于低潜力水平。

综合评价得分高于80分的矿泉水点，其资源储量丰富且类型多样，地区生态环境良好，社会经济发展迅速，基础建设较为完善，因此这4处矿泉水点开发利用潜力较其他地区明显偏大，应该纳入高潜力区，是最适宜开发利用的矿泉水点。其中格尔木玉珠峰矿泉水(K25)、海西州野牛沟矿泉水(Q30)、海西州马海矿泉水(Q29)三处矿泉水的泉点流量这一资源条件尤为突出，因此，这些矿泉水点可作为大型矿泉水基地对其进行开发利用，既可以生产高端品牌矿泉水，面向高端商务人士，也可以生产普通类型矿泉水，面向大众；民和七里寺饮用天然矿泉水(K28)，该泉点的矿泉水类型这一条件十分明显，矿泉水中有4种有益组分达到国家标准且含量较高，可作为高端矿泉水进行开发利用。

综合评价得分介于70～80分的矿泉水点，评价结果显示为较高潜力，所有参与评价的泉点中，处于该层次潜力水平的泉点最多，这些泉点大多数评价指标达到了高水平的标准，但是部分评价指标处于中游水平或低水平，是较为适宜进行开发利用的矿泉水点，可以根据各泉点的资源特点，建立中小型矿泉水基地进行开发利用。

综合评分介于60～70分的14处矿泉水点，评价结果显示为中等潜力，矿泉水的资源条件具有一定的开发利用潜力，但是相对与高潜力和较高潜力的矿泉水而言，各方面都较为薄弱，且这些泉点的自然环境条件和社会条件中的评价指标均处于中等水平或低水平，一定程度上限制了其发展，因此开发利用潜力偏弱，这些泉点可以作为待定发展泉点，在后续的泉点开发利用中选择适宜的泉点，开展合理的开发。

综合得分在60分以下的4处泉点，评价结果为低潜力，主要原因是这些泉点资源条件相对较差，生态环境和社会经济发展水平也比较低，因此这些泉点不适合建立矿泉水基地对其进行开发利用，但是可以根据泉点附近居民的需求，作为当地的生活用水开发利用。

目前青海省矿泉水总体上勘查程度较低，因此参考潜力评价结果，根据青海省的独特的矿泉水资源和良好的生态环境为主体，结合青海省矿泉水的发展规划与定位，坚持保护与开发并重的原则，进行合理、有序的开发。做出如下建议：

(1)加大矿泉水资源勘查评价力度。结合潜力评价结果和区域地质—水文地质资料，优先加大对高潜力矿泉水地区的矿泉水勘查评价力度，逐步开展较高潜力矿泉水地区的矿泉水勘查评价工作，为今后矿泉水的调查评价规划提供科学依据。

(2)建设矿泉水产业基地与完善开采技术。针对不同地区、不同类型的矿泉水，充分发挥矿泉水的旅游价值与养疗价值，针对性的进行开发利用。健全地下水监测网络，在开发利用过程中，加强矿泉水水量、水质以及地下水位做好监测工作，为今后的水资源的开发与保护提供科学的数据[18]。

(3)在保护中开发，在开发中保护。矿泉水是一种宝贵的矿产资源，是大自然留给人类的宝贵财富。要高度重视生态环境健康以及水资源可持续利用问题，综合分析论证矿泉水开发利用过程是否会对周围环境产生负面影响，矿泉水开发利用后是否对河流下游生态植被的正常生长造成影响，矿泉水开发利用是否改变地下水均衡状态，形成资源与环境保护的矿泉水开发利用方案。

5 结语

本文考虑了资源现状、自然环境和社会条件对矿泉水开发利用的影响，构建了适用于青海省矿泉水开发利用评价指标体系，基于层次分析法，确定各评价指标的权重，采用加权综合模型计算出每一泉点的综合评价得分，结合定性分析，对泉点的开发利用潜力划分了4个等级，最终确定了各泉点的开发利用潜力等级。在评价指标体系构建的过程中，选取的各评价指标，能够更完善、更深入的评价青海省41处矿泉水点矿泉水的开发利用潜力。同时，采用层次分析法(AHP)确定权重，提高了评价结果的科学性和合理性。但是在使用该模型时，评价指标的权重的确定标准直接影响到评价结果，希望将来能进行更深入的研究，探索出最科学权重确定方式。