基于多源水文地質(zhì)信息綜合分析模型的應用研究

林利森，唐林波

(1.江西省水投建設集團有限公司，江西 南昌 330096；2.江西省水利廳工程建設稽察事務中心，江西 南昌 330009)

我國水資源蘊含量豐富，但人均水資源占有量僅為世界人均占有量的1/4，這就要求我們合理開發(fā)和利用水資源。目前，水資源的開發(fā)利用存在許多弊端和不足，這不僅降低了水資源的利用率，也極大制約了當?shù)厣鐣?jīng)濟的發(fā)展[1-4]。因此，對于地下水的合理勘測和開采，不僅能夠解決水資源短缺的問題，也能在一定程度上解決地下水開采不合理與供水失敗情況的出現(xiàn)。

勘測開發(fā)利用地下水的最重要前提是要對該地區(qū)的水文地質(zhì)信息進行準確的分析和判斷[5-7]，但水文地質(zhì)信息不是單一的要素信息，而是與地層復雜的空間分布、地下水賦存狀態(tài)與運行規(guī)律、地形變化等因素相關的綜合信息要素，因此，需要從多角度綜合分析地下水的運行規(guī)律，才能達到對地下水的合理開發(fā)利用，因此，建立相應的多源水文地質(zhì)信息綜合分析模型，對于水資源的準確合理開發(fā)具有重要意義[8，9]。

本文在前人研究的基礎上，采用層次分析法、嫡值法以及加權算術平均法等理論分析手段[10]，建立起基于多源水文地質(zhì)信息的地下水勘測綜合分析模型，對于水資源的精確勘測和合理利用具有重要的現(xiàn)實意義。

1 模型構建

1.1 指標體系的建立

地下水的準確勘測，需要對地下水的賦存、分布和運移規(guī)律進行了解和掌握，故此必須建立起一個統(tǒng)一的指標體系，以便較為準確地勘測和利用地下水。尋找地下水，首先需要尋找蓄水構造，這其中包括地層巖性、地質(zhì)構造和構造的匯水面積等；其次是地形分析，不同的地質(zhì)形態(tài)，會孕育不同的地下水形成和分布規(guī)律；然后是地下水流向，包括補給、排泄區(qū)與透水層、隔水層的相互關系；再次，則是地下水位的影響，需要勘測了解清楚蓄水構造是位于水位線的上部、中部還是下部；最后則是了解水質(zhì)的影響，這是判斷勘測結構是否適用的基本因素。蓄水構造、地形、地下水流向、水位以及水質(zhì)等構成了體系的一級指標，而在各個一級指標下又存在著多個二級指標，遵循科學性、動靜結合、定量定性互補、實用性及目標導向性等原則，從而可建立起相應的地下水勘測指標體系，見表1。

指標因子賦值原則。蓄水構造：(1)地層賦值。強透水性取0.6～1.0，透水性一般或弱透水性取0.2～0.6；不透水巖層取值小于0.2；(2)地質(zhì)構造賦值。含張裂破碎帶取0.7～1.0，一般斷層破碎帶取0.3～0.7，無破碎帶等區(qū)域取值小于0.3；(3)匯水面積賦值。大于20 km2時，取0.7～1，0；5～20 km2時，取0.3～0.7；小于5 km2時，取值小于0.4。若補給區(qū)為透水層，排泄區(qū)為隔水層，則取0.6～1.0，若補給區(qū)為透水層，排泄區(qū)為透水層，則取0.2～0.6，若補給區(qū)為隔水層，則取值小于0.2。當蓄水構造全部位于水位線以下時，取值控制在0.7～1.0，當蓄水構造部分位于水位線以下時，取值為0.2～0.7，當蓄水構造全部位于水位線以上時，則取值為小于0.2。

表1 地下水勘測指標體系

1.2 指標因子賦權

層次分析法是一種簡單實用的定性與定量相結合的多源信息分析方法，通過建立遞階層次模型和構造出所有的判斷矩陣，再通過單排序和總排序的一致性檢驗，即可分析得到相應指標的權重。嫡值法是不確定信息的一種度量，嫡值越大，指標的離散程度越大，表明該指標對綜合評價的影響也越大，但所表示的指標權重越小。利用層次分析法來計算指標的主觀權重大小W1(i)，利用嫡值法來計算所有指標的客觀權重W2(i)，即可得到指標的綜合權重W(i)。那么根據(jù)最小相對信息嫡原理可以得到：

(1)

式中：W(i)表示權值，n表示元素個數(shù)，i表示指標。那么，利用拉格朗日乘子法即可優(yōu)化計算得到上述公式：

(2)

上式表明，當取幾何平均數(shù)時，計算所需的信息量最小，當取其它形式的組合權重時，那么就需要增加大量的其它實際上沒有獲得的信息。

1.3 綜合分析模型

綜合分析模型的構建，通常有兩種方法：一種是加法合成，另一種則是乘法合成。加法合成的基本式為：

(3)

式中：xi表示指標值，k表示冪次。當k=1時，上式即變?yōu)榧訖嗨阈g平均合成模型：

I=W1x1+W2x2+W3x3+……+Wnxn

(4)

根據(jù)地下水勘測要求和經(jīng)驗，判斷蓄水構造在多源地質(zhì)信息情況下即多重指標的綜合影響下的關鍵在于蓄水的高低程度是否滿足要求，那么就可以利用加權算術平均合成模型，同時根據(jù)富水程度指數(shù)的大小來統(tǒng)一表示蓄水構造總程度的高低大小，即有：

(5)

式中：i表示蓄水構造區(qū)；j表示勘測指標；W(i)表示指標的權重；Fij表示含水程度，其值大于0，小于1；Zi表示富水程度指數(shù)，其值大于0，小于1。

2 模型實例論證

2.1 論證區(qū)概況

論證區(qū)位于江西省某缺水地區(qū)，每年實際供水約為154 008 m3，缺水量達108 000 m3/a[11]。由于受到強烈的地質(zhì)構造活動的影響，本地區(qū)的蓄水構造十分復雜，地下水的賦存狀態(tài)和運行規(guī)律不顯著，地質(zhì)剖面示意圖見圖1。假如僅以某一單要素地質(zhì)信息來勘測判斷該地的地下水情況，可能會存在較大的誤差和難度，因此，需要從各方面因素入手，綜合考慮多源水文地質(zhì)信息，才能達到預期的勘測效果。

圖1 論證區(qū)地質(zhì)剖面示意圖

2.2 論證結果分析

采用論證區(qū)1∶5萬的地質(zhì)圖、剖面圖以及地形地貌圖等數(shù)據(jù)進行模型的分析論證。根據(jù)層次分析法和嫡值法計算結果，分別得到了一級指標和二級指標的權重計算結果，見表2和表3。從表中可以看出，一級指標和二級指標的權重值均小于1，滿足計算要求，一級指標和二級指標的CR值均<0.1，表明模型計算滿足一致性的要求；再通過綜合分析模型，對可能的蓄水構造進行判斷，推測其富水程度：通過式(1)計算得到單指標影響下的含水程度，再將計算結果代入(5)式，即可分析得到論證區(qū)的富水程度。經(jīng)計算，論證區(qū)的Zi值等于0.43，對比富水程度等級指標(見圖2)可以看出，論證區(qū)的富水程度一般，需要在地下水勘測時選擇最佳“宜井位置”，通過控水點的賦值識別，如果有控水點剛好位于富水區(qū)，那么該區(qū)域則適宜作為采水位置，即可成為宜井的最佳位置，通過識別計算最終選取的宜井位置見圖3。

表2 一級指標權重值

表3 二級指標權重值

3 結 論

圖2 富水程度等級示意圖

圖3 論證區(qū)宜井位置

本文針對復雜蓄水構造區(qū)地下水勘測難度大的問題，以層次分析法和嫡值法等為理論基礎，選用加權算術平均法建立起基于多源水文地質(zhì)信息的地下水勘測綜合分析模型，來對蓄水地區(qū)的富水程度進行判斷，并進行了實例論證，對實現(xiàn)地下水的精確勘測具有一定的現(xiàn)實意義。