上海市深井健康狀況評估方法研究

傅旭升，羅濟穩(wěn)，蔡 盛

（1.上海市供水管理事務中心，上海 200081；2.上海市巖土地質(zhì)研究院有限公司，上海 200072）

目前國內(nèi)外尚未報道專門針對地下水深井進行系統(tǒng)性健康狀況評估的案例。中國水資源分布不均，還存在水質(zhì)問題，因而地下水開采由來已久。由于早期地下水過度開采，導致許多大城市地面沉降頻繁發(fā)生，并逐步向中小城市蔓延。20世紀末至21世紀初，為控制地面沉降，又新建一批專灌井及應急（兼回灌）深井，近十幾年來隨著環(huán)境保護日益重視，又建設了一批水質(zhì)監(jiān)測井。至此，地下水深井建設規(guī)模已相當龐大，而如何管理和維護這些深井，對深井進行健康狀況評估，成為當下較為緊迫需要解決的問題。

本次針對目前國內(nèi)深井現(xiàn)狀，以長三角最為典型的上海市為例開展深井健康狀況評估方法研究，為后續(xù)工作的展開提供技術參考。

上海位于長江入?？冢瑢匍L江三角洲平原，第四系沉積厚度大，地下水資源豐富，歷史上因地下水大量開采，引發(fā)了嚴重的地面沉降問題。為此，在控制地下水開采的同時，開展地下水人工回灌，對地面沉降防治起到了積極作用[1]。

地下水的開采與回灌，都是通過深井實現(xiàn)的，從20世紀60年代至今，上海市建成使用的地下水開采井、回灌井、應急供水井、民防戰(zhàn)備井及各類地下水監(jiān)測井達二三千口，目前仍在使用的也有數(shù)百口。為有效利用各類深井，并進行精細化管理，提高深井運行效率和延長深井使用壽命，迫切需要對現(xiàn)有深井開展健康評估。

1 評估方法確定

1.1 評估方法分析

根據(jù)歷年來的工作經(jīng)驗及地下水深井的實際情況，地下水深井評估涉及的評價指標繁多，既有量化指標又有非量化指標，如何將不同類別的單因素評價指標對深井評估的影響進行有效綜合，從而達到對地下水深井全面評估顯得尤為重要。

多因素綜合評價中對某對象進行評價時一般依據(jù)多個屬性，將綜合評價值假定為各屬性的線性組合。因此，合理確定線性組合系數(shù)，即各屬性權重，是進行多因素綜合評價的前提。各屬性權重的確定需要用到數(shù)據(jù)列自身的信息以及數(shù)據(jù)列的相互關系。數(shù)據(jù)列自身包含的信息越多則該屬性權重越大，反之其權重越小[2]。

如表1所示，不同方法對同一套數(shù)據(jù)賦予權重其結(jié)果并非一致，同一種方法對同一套數(shù)據(jù)賦予權重處理過程不同其結(jié)果也存在不同。因此，深井健康狀況多因素綜合評價中，合理指標體系的構建和合理指標權重方法的選擇是得出合理研究結(jié)論的關鍵，權重的確定直接影響數(shù)據(jù)結(jié)果進而影響研究結(jié)論。

表1 多因素綜合評價中多屬性權重賦值方法分類Table 1 The classification of multi-attribute weight assignment methods in multi factor comprehensive evaluation

1.2 評估方法選取

深井健康狀況評估（以下簡稱“評估”）是整個地下水深井工程至關重要的組成部分，而評估方法優(yōu)選又是地下水深井評估的重要環(huán)節(jié)之一，評估方法選擇是否得當，對評估能否達到預期效果有決定性影響。而評估方法的選擇受多種因素的影響，總結(jié)為四大類，即初始狀態(tài)技術因素、維護保養(yǎng)技術因素、管理因素和經(jīng)濟因素。

通過上述分析，本次評估方法選擇層次分析法（AHP）[3-4]與模糊綜合評價法（FCE）[5-7]相結(jié)合的方法。

2 評估因子分析

根據(jù)上海市已有地下水深井及歷年來的工作經(jīng)驗及資料收集和歸納總結(jié)，再通過咨詢行業(yè)專家意見，本次評估包括四大類，即初始狀態(tài)技術指標、維護保養(yǎng)技術指標、管理指標和經(jīng)濟指標，總計15個評估因子，詳見表2所示。

表2 深井健康狀況評估因子選取Table 2 Selection of evaluation factors for deep well health

3 深井健康評估

3.1 構建判斷矩陣

（1）構建一級矩陣A-B

構建層次A-B判斷矩陣如下：

將判斷矩陣每一列正規(guī)化的矩陣按行相加及按行歸一化：

采用MATLAB軟件計算A*WA結(jié)果如下：

再進一步計算得：

CI = (λmax-n) / (n-1) =0.043。

根據(jù)層次分析法相關表格可查得RI對應取值為0.89，

CR = CI / RI = 0.048 < 0.1

因為CR＜0.10，所以判斷矩陣A滿足一致性，說明權重分配是合理的。各項指標權重分配如表3。

表3 深井健康狀況評估一級評價權重分析Table 3 The weight analysis of first level evaluation of deep well health status evaluation

（2）構建二級矩陣B-C

同理可計算得到二級矩陣B-C權重如表4。

表4 深井健康狀況評估二級評價權重分析Table 4 The weight analysis of two level evaluation of deep well health status evaluation

3.2 構建評估指標隸屬矩陣

根據(jù)評估方法，可得到隸屬矩陣如表5所示。

表5 深井評估等級及指標隸屬度Table 5 The grade and index membership degree of deep well evaluation

3.3 二級模糊評價

根據(jù)相關公式S=W?R，可得：

S1=[0.548 0.295 0.157 0]

S2=[0.547 0.315 0.138 0]

S3=[0.497 0.319 0.184 0]

S4=[0.545 0.305 0.150 0]

3.4 一級模糊評價

由此可得本次深井健康評估模糊評價效果A，結(jié)果為：模糊評價效果A=0.534,深井健康評估為優(yōu)秀；模糊評價效果A=0.314,深井健康評估為良好；模糊評價效果A=0.152,深井健康評估為合格；模糊評價效果A=0,深井健康評估為差。

3.5 綜合評估

（1）綜合評估因素集

綜合評估因素集即指標體系，根據(jù)深井健康狀況評估技術要求，地下深井工程進行綜合評估時，需在初始狀態(tài)技術指標、維護保養(yǎng)技術指標、管理指標、經(jīng)濟指標四方面進行評估，具體評估指標如表2所示。

（2）綜合評估評語集

地下水深井工程綜合評估評語集V，在本文中分為優(yōu)秀（V1）、良好（V2）、合格（V3）、差（V4）四個等級，采用百分制將四個等級進行量化表示：

深井評估相關標準及含義詳見表6，評價結(jié)果指標如表7。

表6 深井健康狀況評估標準及含義Table 6 The evaluation criteria and meaning after deep well health status evaluation

該方法存在一個隸屬度等級評價確定與實際應用中不相適應的問題，若直接套用該方法，例如某口井完全符合Ⅰ級優(yōu)秀等級，按照前述流程及表7隸屬度等級計算結(jié)果如下：

表7 深井健康狀況評估指標等級評價Table 7 Grade evaluation of deep well health status evaluation indexes

F=A·V=[0.534 0 0 0]·[100 80 65 50]=53.40 分

同理可得良、合格和差級別分別為25.12分、9.88分和0分。

計算結(jié)果與日常分級（表6）不一致，故需要對隸屬度等級評價進行優(yōu)化調(diào)整，使之與日常使用的評估等級一致，優(yōu)化后的隸屬度等級如表7右側(cè)所示。

通過該優(yōu)化后的計算可得：優(yōu)秀100~80分、良好80~65分、合格65~50分、差50分以下，與日常使用分值劃分一致，認為該優(yōu)化是可行的。

4 深井案例分析

4.1 基本情況

上海第五承壓含水層某應急供水深井，同時也是一座回灌井。其地處青浦區(qū)，所處含水層為早更新世早期中段（Q1

1-2）河流相沉積。在大盈—香花橋—方家窯—徐涇一線以南因基巖隆起，含水層缺失，該線以北地區(qū)含水層發(fā)育較好，其頂面埋深為242~245 m，厚約15~20 m。巖性為灰色、褐黃色細中砂，富水性在趙屯、華新、鳳溪一帶較好，單井涌水量為1000~3000 m3/d，其他地區(qū)小于100 m3/d。區(qū)內(nèi)水質(zhì)均為礦化度小于1g/L的淡水。

4.2 案例評估

（1）初始狀態(tài)技術指標評估

該回灌深井井深為270 m，管徑Φ325 mm，地層巖性為灰色細中砂—灰色細砂—灰色黏土夾砂。野外鑿井施工于2014年3月19日開始，2014年4月1日完成抽水試驗，歷時14天，并順利通過驗收。

該深井成井質(zhì)量較好，成井材質(zhì)為較耐用的鑄鐵管，濾水管為纏銅絲濾水管，井管完好程度無毛刺，符合相關要求。洗井后水路暢通，渾濁度小于1/20萬，靜水位-29.7 m，動水位-37.3 m，出水量Q=105 m3/h，降深7.6 m，單位涌水量13.8 m3/h·m，沉渣小于0.20 m，各項指標均滿足成井過程的質(zhì)量控制要求。

（2）維護保養(yǎng)技術指標評估

該深井成井至今已有7年，有專人進行深井保護，至今未出現(xiàn)過大的破損或損壞，水質(zhì)為淡水。水位呈現(xiàn)逐年上升趨勢，至2021年靜水位上升到-14.40 m，各年度水位上升情況如表8所示。該回灌井年度最大可回灌量整體較好，呈現(xiàn)整體緩慢降低的趨勢，符合深井回灌變化規(guī)律。而根據(jù)圖1地下水位變化趨勢圖可知，上海市整體地下水位在近十幾年來一直處于上升趨勢，與某回灌深井區(qū)域地下水位變化趨勢基本吻合。

表8 某回灌深井各年度地下水位與回灌量Table 8 The groundwater level and recharge amount of a reinjection deep well

圖1 上海市歷年地下水各含水層水位變化趨勢圖Fig.1 The water level change trend of groundwater aquifers in Shanghai over the years

（3）管理指標評估

該井因地下水微生物及物理化學反應[8-9]，對深井泵造成一定的腐蝕作用，故進行過兩次深井泵的更換，目前采灌設備狀況運行正常，每年均對該深井進行維護保養(yǎng)，對老舊破損電線等相關附屬設備進行更換。由于上海市整個區(qū)域地下水位的連年上升，地下水回灌總量有所下降，但是回灌功能一直得到保持，各年度回灌信息均有相應資料記錄和管理，符合相關要求。

（4）經(jīng)濟指標評估

該井位于青浦某基地培訓中心內(nèi)，目前該基地周邊環(huán)境未發(fā)現(xiàn)有危險源存在，對環(huán)境影響小，在可控范圍內(nèi)。作為地面沉降防治設施之一，該深井利用率較高，每年均有不定量的回灌指標要求，均能正?；毓?，未發(fā)現(xiàn)明顯故障問題，作為長期投資項目，該深井目前運行、維護等各項指標均符合相關規(guī)范要求。

4.3 評估結(jié)果

通過各評估因子符合性檢驗，得出該基地培訓中心深井基本符合各項指標要求，各指標符合性參照表7，C1~C8、C11~C15的隸屬度均為1.000，屬I級的優(yōu)，C8~C9兩項的隸屬度均為0.700，屬II級的良。

因此，依據(jù)上海市深井健康狀況評估方法進行綜合評價，該深井健康狀況達到良好以上，評價結(jié)果F為：

F=AT·V=[0.784 0.151 0 0]·[100 80 60]=90.48 ＞ 80

綜合評價結(jié)果表明，本次深井健康狀況評估達到了“優(yōu)秀”等級，即該深井在成井初始狀態(tài)技術指標、維護保養(yǎng)技術指標、管理指標及經(jīng)濟指標等各方面措施相對到位，運行效果較好，與實際情況基本一致，表明該模型在地下水深井評估中具有較好的適用性，評估結(jié)果可作為地下水深井維護保養(yǎng)及相關處理的技術依據(jù)，有利于地下水深井資源的優(yōu)化配置。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

（1）根據(jù)本次選取的評估方法及評估因子，對地下水深井的評估是切實可行的，可以作為上海市深井健康狀況評估的參考依據(jù)。

（2）采用該模型進行深井健康狀況評估減少了人為主觀性，使模型更加符合客觀實際。

（3）通過具體實例對建立的基于模糊數(shù)學與層次分析的多因素綜合評判模型進行了檢驗，結(jié)果證明該方法是合理的、可行的，選出的最優(yōu)評估方法是與實際相吻合的，評估結(jié)果可作為深井健康狀況評估的技術依據(jù)。

（4）從所采用的多因子評估方法特性而言，該方法不僅對上海深井健康狀況評估有效，對其它深井或類似多因子模糊評估均有一定的借鑒和指導作用。

5.2 建議

為加強精細化管理，提升深井維護的運行效率和延長深井使用壽命，通過本次對上海市深井健康狀況評估方法研究，提出如下二點建議：

（1）地下水深井應定期進行一次全面的健康狀況評估，為深井的維護保養(yǎng)或進一步處理提供動態(tài)依據(jù)。

（2）對初始狀態(tài)技術指標、維護保養(yǎng)技術指標、管理要求及經(jīng)濟合理性均較差的地下水深井，建議委托有資質(zhì)的單位進行進一步的處理維護或封填。