基于GIS和层次分析法的自备井置换次序研究

韩　丽

（北京市水科学技术研究院　北京　100048）

【摘　要】　提出了基于GIS和层次分析法的自备井置换次序确定方法，选取含水层富水性、含水层厚度、地下水埋深、地下水质量、地下水防护能力、地下水开采程度为影响因子，应用层次分析法确定各因子的权重，结合自备井分布、自备井管理、自来水供水水源、市政管网铺设程度等条件，应用GIS空间分析功能确定自备井置换次序，从而为实现城市供水安全和区域地下水资源持续利用提供重要依据。

【关键词】　GIS层次分析法　自备井　置换次序

1　引言

地下水是水资源的重要组成部分，是人类生产生活的重要战略性资源。20世纪70～80年代，随着城市建设的迅猛发展，对水资源需求急剧增加，城市供水水源地无法满足快速发展带来的用水需求，水资源供需矛盾十分突出。同时，由于自来水管网建设难以跟上城市发展的步伐，许多机关、高校、居民小区为了满足自身生产生活用水的需要，纷纷自凿水源井，开采地下水，城市自备井数量快速增加，地下水开采量也随之大幅增加，自备井供水成为城市供水的重要方式之一。

随着水资源短缺形式的加剧，长期过量开采地下水，导致地下水位严重下降，形成了大面积的地下水降落漏斗，诱发和加剧了地面沉降和地裂缝的发展，引起环境地质灾害，导致自备井供水问题进一步突出，表现为自备井水质较差，影响供水安全；自备井供水能力下降，出沙问题增多；自备井处理设施不完备、输水管线老化等，严重影响了供水安全。

因此，为提高城市供水安全保障、涵养地下水，进行城市自备井置换，由市政自来水统一供水势在必行。自备井置换涉及社会、经济、技术等各方面，置换次序的确定需要综合分析评估各类影响因子和空间地理信息数据。此类问题既含有定性指标又含有定量指标，属于典型的半结构决策问题，解决难度较大，层次分析法是解决该问题的一种有效方法。地理信息系统可以为数据查询、空间分析和辅助规划决策等服务。为此，本文将GIS和层次分析法相结合来研究自备井置换次序问题。

2　研究方法

2.1　自备井置换次序指标选取

在自备井置换次序研究中，影响因素的确定是关键。自备井置换次序的影响因素较多，涉及社会、经济、技术等各方面，包括区域地质岩性条件、含水层状况、地下水水质、地下水开采状况、自备井分布、水资源管理目标、自来水供水水源条件、市政管网铺设状况、置换意愿等。从不同角度选取影响因子会有不同的置换次序。自备井置换应遵循以下原则：

（1）坚持供水安全为第一原则，优先置换自备井水质较差或者自愿提出置换的单位，保障人民的饮水安全。

（2）坚持分步实施、有序置换的原则。自备井置换与自来水水源条件和管网建设程度相结合，分步实施自备井置换工作。

（3）自备井置换坚持水量水质优先、结合空间分布原则进行。自备井置换次序的确定可根据研究区的实际情况和资料收集情况，灵活选取评价因子，但应该尽量全面反映自备井置换的环境因素、人为因素和条件因素。

2.2　基于GIS的层次分析法确定权重

层次分析法是一种定性和定量相结合的多目标决策分析方法，适于处理多目标、多层次的复杂大系统和难于完全用定量方法来分析与决策的社会系统工程中的复杂问题［2］。其基本原理是将与决策相关的元素分解成目标、准则、方案层次，并在此基础上进行定性和定量分析。随着空间信息技术的飞速发展，可以借助于GIS的数据管理和空间分析功能，对各个影响因素进行叠加分析确定权重。

（1）根据因子构造比较判断矩阵［3］。确定各影响因子后，采用1～9标度方法将n个因子的重要性进行两两比较，得到定量化结果。若因子i相对因子j比较值为aij，则因子j相对因子i比较值为1/aij，由此可以建立n×n阶的判断矩阵A。

（2）判断矩阵的一致性检验。由于受诸种主客观因素的影响，判断矩阵很难出现严格一致性的情况。因此需要对判断矩阵的一致性进行检验。根据判断矩阵一致性检验方法，一致性指标为CI，其计算公式为：

CI＝0时矩阵为一致阵，CI越大，矩阵的不一致程度越严重。

（3）确定影响因子的权重。计算判断矩阵的特征向量，这个特征向量即为权重R。通过计算判断矩阵的最大特征根和相对应的特征向量，进行归一化处理即可得影响因子的相对权重值。

（4）应用GIS确定自备井置换次序。自备井置换次序首先需要将取得的各因子分区图按一定顺序和统一级别数进行分级处理，这样不仅可以消除量纲的影响，而且使各类数据之间具有量值的可比性，方便数据间的定量分析与计算；然后将其转化为栅格文件，利用栅格计算器，代入各数据层的权重，通过运算产生自备井置换次序。

3　实例研究

北京市水资源长期缺水的现实决定自备井供水是北京城市供水的重要组成之一，自备井供水约占全市供水总量的五分之一。截至2011年底，北京城区有自备井6611眼，年供水量2.3亿m3，其中居民生活和公共服务年供水1.6亿m3，实际用水人口339.7万人［4］。但是，由于地下水连续多年超量开采，地下水位不断下降，地下水水质逐年恶化，加之自备井管理分散，自备井供水事故时有发生，严重威胁着城市部分地区的安全供水。2014年南水北调水进京后，将为北京市自备井大规模置换创造良好基础条件，因此需要进行自备井置换次序的确定。

3.1　层次分析法确定权重

根据北京城区的实际情况和收集的资料，选取含水层富水性、地下水开采程度、自备井运行状况、地下水质量、水位埋深、含水层厚度、地下水防护能力为影响因子，由专家根据经验比较，对各因素的相对重要程度打分，综合专家意见给出判断矩阵，判断矩阵具体较好的一致性，对特征向量归一化处理后，得到自备井置换次序各因子的权重，见表1。

计算得到CI＝0.0889，RI＝1.32，CR＝0.067＜0.1，所以该矩阵有较好的一致性。

3.2　自备井置换空间分析

受水文地质条件及城市发展影响，北京城区的自备井分布呈现西、北部多，东部数量较少的特点，因此结合自备井分布、市政自来水供水管网分布，在ArcGIS的空间分析环境中，将北京城区自备井划分为22个评估单元，建立自备井基础数据库；其次，矢量化相应因子图层，确定评估单元的影响因子；通过对各影响因子赋予相应的权重，严格按照表2中的特征进行分级和取值，其中含水层富水性决定了供水井的单井出水能力，是进行自备井运行管理中不可忽视的条件因素，地下水开采程度根据实际开采量和可开采资源量计算，一般采用开采系数P来划分，当P≤1时，定义为未超采区，当1＜P≤1.2时，定义为超采区，当P＞1.2为严重超采区；自备井运行状况是成井条件、运行维护状况、管线设施、出水水质问题的综合表现；根据国家《地下水质量标准》（GB/T 14848—93）提供的评价方法，对地下水质量进行综合分析；地下水位下降是造成自备井出水量降低的主要原因之一，根据北京城区实际情况，将含水层水位埋深划分为5级；含水层厚度直接影响自备井的出水能力，当含水层厚度小于10m后，开采井的出水量将受到较大影响；地下水防护能力大小与环境自净能力的强弱有密切关系，地下水环境的天然防护条件越好，保护地下水的能力越强；最后根据自备井置换次序判别式进行函数运算得到该评估单元的自备井置换次序指数（R）。确定自备井置换次序的判别式为

式中　R——自备井置换次序等级；

M——自备井置换次序影响因子的标度取值；

Wi——第i项评估因子的权重值［5－6］，n＝7。

3.3　自备井置换次序等级确定

在对评价指标和数据规化的基础上，运用ArcGIS系统的空间分析功能，依据各评估单元的自备井置换次序指数（表3），进行自备井置换次序等级确定（图1），置换次序等级说明见表4。

4　结论

自备井置换次序受各种因素的影响，各因素对自备井的影响程度的差异使得确定自备井置换次序十分复杂。本研究将层次分析法与GIS技术引入，结合研究区域评估因子的空间分布特征，运用ArcGIS强大的空间分析功能，对每一个评估因子进行空间叠加分析，最后针对自备井置换次序进行分区等级确定。

本研究选取影响北京城市自备井置换的7项影响因子，对北京城市自备井置换次序进行分析。在分析和数据归一化的基础上，运用ArcGIS系统的栅格运算功能，按照层次分析法所确定的权重进行影响因子叠加计算，从而划定北京城区自备井置换次序，分区结果基本能够反映自备井运行管理状况和保障供水安全优先的原则，证明基于GIS和层次分析法的自备井置换次序方法是合理和可行的。该研究方法该研究方法可为类似的自备井置换研究作参考，研究成果对保障城市供水安全和实现水资源统一调配、确保水资源可持续利用提供科学依据。

参考文献

［1］　李玲.关停自备井对城市地下水动态的影响及适应性对策研究［D］.陕西，西北农林科技大学，2011．

［2］　杨斌，顾秀梅，武锋强.基于层次分析法和GIS的西昌市空间形态变化特征研究［J］．地域研究与开发，2012，31（2），145－149．

［3］　许树柏.实用决策方法——层次分析法原理［M］.天津大学出版社，1998．

［4］　北京市水务局.2012年度北京市水务统计资料［R］.2012．

［5］　苏贵臣.高滩地区岩溶地面塌陷地质灾害易发程度评价［J］.岩土工程界，2006，9（9）：76－78．

［6］　韩娟，张永伟，祁娟，等.综合危险性指数法在苍山县地质灾害易发区划分中的应用［J］.山东国土资源，2007，23（6/7）：36－40．