韋華鵬,許偉林,羅銀飛,張子琛,羅奇斌,康衛(wèi)東
(1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069 ;2.青海省九〇六工程勘察設(shè)計(jì)院,青海 西寧 810000)
水是人類的生存之源,是維持人類生命生存不可或缺的基本元素[1]。天然礦泉水以其源頭純凈、富含礦物質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)的特點(diǎn),越來(lái)越受到人們的親睞。
礦泉水具有特殊的水化學(xué)成分和穩(wěn)定的水動(dòng)力特性,是水—巖長(zhǎng)期相互作用的結(jié)果,其形成過(guò)程與當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)、水文地質(zhì)環(huán)境密切相關(guān)[2-4]。許多學(xué)者對(duì)區(qū)域內(nèi)礦泉水的形成機(jī)制、賦存條件、水化學(xué)特征等因素開(kāi)展了大量研究,研究結(jié)果表明,青海省有著孕育世界級(jí)水平優(yōu)質(zhì)品質(zhì)礦泉水富集帶的有利地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,地下水接受天然降水補(bǔ)給后在復(fù)雜的地質(zhì)、水文地質(zhì)過(guò)程,形成了一系列具有開(kāi)發(fā)利用價(jià)值的含鍶、鋅的礦泉水,這為青海省發(fā)展綠色經(jīng)濟(jì)提供一條重要的途徑[5-7]。但是目前對(duì)礦泉水的開(kāi)發(fā)利用潛力水平的研究基礎(chǔ)薄弱,因此對(duì)青海省礦泉水區(qū)進(jìn)行系統(tǒng)科學(xué)的開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)是很有必要的。礦泉水的開(kāi)發(fā)利用潛力涉及自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、基礎(chǔ)建設(shè)等多個(gè)方面,本文主要以青海省41處天然礦泉水資源為研究對(duì)象,基于層次分析法,對(duì)青海省天然礦泉水進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià),為青海省礦泉水的調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
青海省飲用天然礦泉水主要是大氣降水或冰雪融水通過(guò)地質(zhì)構(gòu)造通道進(jìn)入有益元素富集巖層,在深部水循環(huán)過(guò)程中發(fā)生水巖作用而溶解巖層中的礦物質(zhì)、微量元素或其他成分,形成對(duì)人體健康有益的并受到良好生態(tài)環(huán)境保護(hù)的礦泉水。
青海省礦泉水的形成與巖石地層、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文的控制[8]。青海省地層類型豐富,受各種地質(zhì)活動(dòng)的影響,廣布青海的中、新生代地層中富含鍶離子和鋅離子;并且斷裂系統(tǒng)非常發(fā)育,除柴達(dá)木盆地外,多密集成束分布,斷裂帶周?chē)膸r石破碎嚴(yán)重,是地下水運(yùn)動(dòng)的主要通道,同時(shí)也給地下水循環(huán)提供了有利的條件[8];青海省地域遼闊,地下水類型齊全,五大類型地下水均有分布,地下水主要接受大氣降水、冰雪融水的入滲補(bǔ)給,在區(qū)域性深大斷裂構(gòu)造的控制下,在深部水循環(huán)過(guò)程中發(fā)生水巖作用而溶解巖層中的礦物質(zhì)、微量元素或其他成分,形成對(duì)人體健康有益的礦泉水。
根據(jù)國(guó)標(biāo)《飲用天然礦泉水》(GB8537-2018),青海省礦泉水主要可以分為鍶礦泉水、鋅礦泉水以及鍶復(fù)合型礦泉水。
(1)鍶礦泉水:主要出露于柴達(dá)木盆地南緣,柴達(dá)木盆地以東,德令哈地區(qū),以及馬海湖地區(qū)也有零星出露,上訴地區(qū)的地層巖性主要以中新生代沉積巖、元古界碳酸鹽巖及燕山期侵入巖等為主,鍶元素在上訴地區(qū)巖層中分布相當(dāng)廣泛,地下水在接受中高山區(qū)冰雪融水及大氣降水入滲補(bǔ)給后,沿?cái)嗔褞н\(yùn)移的地下水,徑流途徑遠(yuǎn),在徑流途中溶濾了地層中的鍶元素,從而形成含鍶礦泉水,在斷裂帶附近以上升泉或泉群的形式出露地表。
(2)鋅礦泉水:主要出露與黃南、果洛及玉樹(shù)一帶,這一帶的印支期巖漿巖中,富含多金屬,多金屬礦產(chǎn)比較產(chǎn)出,其中就含有大量的鋅。以及該區(qū)域的一些區(qū)域大斷裂,切割深度大,斷裂已斷入熱源或接近熱源,構(gòu)成了溝通深部熱源,導(dǎo)熱、導(dǎo)水、儲(chǔ)水的基礎(chǔ)條件。經(jīng)斷裂帶深循環(huán)的地下熱水,其溶解能力強(qiáng),強(qiáng)化了地下水對(duì)圍巖的淋濾和溶濾作用,從而更有利使巖石中的鋅元素溶濾到地下水中。地下水在接受中高山區(qū)冰雪融水及大氣降水入滲補(bǔ)給后,沿?cái)嗔褞н\(yùn)移的地下水,徑流途徑遠(yuǎn),在徑流途中溶濾了地層中的鋅元素,從而形成含鋅礦泉水,在斷裂帶附近以上升泉或泉群的形式出露地表。
(3)鍶復(fù)合型礦泉水:主要分布于海東、黃南一帶,含水層巖性主要以中、新代灰?guī)r為主,這些礦泉水出現(xiàn)的地區(qū)均有區(qū)域性斷裂帶及侵入巖分布,巖石礦物成分在含有大量的SiO2和鍶元素,且這一地區(qū)地下水中CO2的含量較高,富含CO2的水垂直下滲至巖石裂隙中,在長(zhǎng)期的循環(huán)過(guò)程下,地下水與巖石發(fā)生溶解—沉淀反應(yīng),水巖作用的結(jié)果,使巖石的成分一部分進(jìn)入高嶺石、蒙脫石外,一部分進(jìn)入地下水中,經(jīng)構(gòu)造裂隙上升泄出地表形成鍶復(fù)合型礦泉水。
本次研究一共收集了41處礦泉水資料,青海省礦泉水種類較為豐富,以鍶、鋅以及鍶的復(fù)合型礦泉水為主。單一型包括鍶礦泉水和鋅礦泉水兩種,共36處,占所有礦泉水總數(shù)的87.90%,其中鍶礦泉水占的比重最大,共26處,占所有礦泉水總數(shù)的63.41%。復(fù)合型礦泉水類型較多但數(shù)量較少,一共有6處復(fù)合型礦泉水,其中還包括2處3種類型復(fù)合的礦泉水。礦泉水點(diǎn)位分布圖見(jiàn)圖1。
圖1 青海省礦泉水點(diǎn)位分布圖
水資源開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建應(yīng)該遵循以下原則:(1)功效性原則;(2)系統(tǒng)性原則;(3)可度量性原則;(4)代表性原則;(5)層次性原則[9]。礦泉水開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)的確定又涉及了自然、生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)等多個(gè)方面。因此依據(jù)指標(biāo)的選取原則以及青海省礦泉水的基本情況,結(jié)合其他學(xué)者對(duì)礦泉水潛力評(píng)價(jià)的研究[10-11],從資源條件、自然環(huán)境條件、社會(huì)條件3個(gè)層面,制定青海省礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系:(1)在資源條件層面選取泉點(diǎn)流量、礦泉水類型、有益組分含量3個(gè)指標(biāo),反映了礦泉水的水資源量及其豐富程度,是區(qū)域是否能開(kāi)展礦泉水開(kāi)發(fā)利用工作和衡量水資源利用潛力的決定性因素。(2)在自然環(huán)境條件選取植被覆蓋比率、地下水質(zhì)量、污染程度3個(gè)指標(biāo),主要反映了礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力實(shí)現(xiàn)的自然條件。(3)在社會(huì)條件選取了交通條件、開(kāi)采條件、人均GDP3個(gè)指標(biāo),是區(qū)域礦泉水資源能夠開(kāi)發(fā)利用得以實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ),開(kāi)展礦泉水開(kāi)發(fā)利用工作需要交通和經(jīng)濟(jì)的支撐,具有突出的交通和經(jīng)濟(jì)條件的地區(qū)開(kāi)展礦泉水開(kāi)發(fā)利用工作更有優(yōu)勢(shì)。建立的青海省礦泉水開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見(jiàn)表1。
表1 礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系
由于不同地區(qū)的水資源條件、自然條件以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件存在差異,因此在建立指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)要考慮多方面的因素。本研究參考其他水資源相關(guān)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)以及研究結(jié)果[12-16],結(jié)合青海省多年來(lái)的實(shí)際情況和專家的意見(jiàn),建立礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn),如表2所示。
表2 礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)
該評(píng)價(jià)指標(biāo)體系將3個(gè)準(zhǔn)則層劃分為4個(gè)等級(jí),從高到低分別為優(yōu)秀、良好、中等和一般。并對(duì)4等級(jí)進(jìn)行賦分,根據(jù)各指標(biāo)得分確定的難易程度,可以將9個(gè)指標(biāo)層分為2類,第1類是有具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和通過(guò)規(guī)范的統(tǒng)計(jì)資料獲取的數(shù)據(jù),可以直接進(jìn)行量化的指標(biāo),包括泉點(diǎn)流量、有益元素含量、林草覆蓋率、地下水質(zhì)量、污染程度和人均GDP;第2類是難以量化的指標(biāo),通過(guò)專家打分的方式來(lái)劃分得分區(qū)間。
層次分析法是一種定性和定量相結(jié)合的層次權(quán)重分析方法,在解決復(fù)雜問(wèn)題時(shí)更系統(tǒng)、更靈活,適合用于解決多準(zhǔn)則決策問(wèn)題。考慮到礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力涉及到資源、環(huán)境、社會(huì)等多諸多方面,本文采用層次分析法來(lái)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。在進(jìn)行礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)過(guò)程中,每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)具有不同的重要性,評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性,因此本文邀請(qǐng)具有相關(guān)經(jīng)驗(yàn)的專家在研究青海省礦泉水的特點(diǎn)基礎(chǔ)上對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行重要性評(píng)判。層次分析法一般包括以下4個(gè)步驟[17]。
1)建立層次結(jié)構(gòu)模型。本文確定礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)的為目標(biāo)層(A)、準(zhǔn)則層(B1~B3)和指標(biāo)層(C1~C9)。
2)構(gòu)造判斷矩陣。設(shè)目標(biāo)層A由準(zhǔn)則層指標(biāo)組成,各準(zhǔn)則對(duì)目標(biāo)評(píng)價(jià)的重要程度不同,因此常用9級(jí)標(biāo)度法構(gòu)造比較矩陣:
(1)
式中:Bst為Bs相對(duì)于Bt的重要性,Bst>0,且Bst=1/Bts。
3)計(jì)算相對(duì)權(quán)重和合成權(quán)重。用特征根法求解判斷矩陣A的最大特征根λmax與相應(yīng)的特征向量W,經(jīng)正規(guī)化后的特征向量W=(W1,W2,…,Wn)T即為相對(duì)權(quán)重向量。
4)做判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)。
(1)計(jì)算一致性指標(biāo)CI:
(2)
式中:λmax為矩陣的最大特征值;n為矩陣階數(shù),并根據(jù)矩陣階數(shù)查對(duì)應(yīng)RI的值。
(2)計(jì)算一致性比例CR:
(3)
當(dāng) CR<0.1 時(shí),可認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性要求; 若CR>0.1,則應(yīng)適當(dāng)修改判斷矩陣,使其滿足一致性要求。
(3)對(duì)判斷矩陣歸一化處理。一致性檢驗(yàn)通過(guò)以后,將權(quán)重向量進(jìn)行歸一化處理,得到的數(shù)值即為各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。
根據(jù)層次分析法原理,結(jié)合青海省礦泉水資源的實(shí)際情況與多位相關(guān)專家的意見(jiàn),構(gòu)造青海省礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)準(zhǔn)則層和指標(biāo)層的判斷矩陣,用MATLAB計(jì)算準(zhǔn)則層與指標(biāo)層的權(quán)重與λmax,將λmax帶入公式(2)得到CI,查表獲得與判斷矩陣對(duì)應(yīng)階數(shù)的RI,將CI與RI帶入公式(3)得到CR。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重
根據(jù)《青海省礦泉水潛力評(píng)價(jià)方法研究報(bào)告》(2019)獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)C1、C2、C3、C5、C6、C8的數(shù)據(jù),根據(jù)《青海省生態(tài)環(huán)境公報(bào)》(2019)與《青海省國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》(2019)獲得評(píng)價(jià)指標(biāo)C4、C7、C9數(shù)據(jù)。
參考表3的標(biāo)準(zhǔn),給41處礦泉水點(diǎn)進(jìn)行賦分,然后利用加權(quán)綜合模型(式4)計(jì)算礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力的綜合評(píng)價(jià)值。
(4)
式中:Si為礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力綜合評(píng)價(jià)值;Wij為評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重;Pj為評(píng)價(jià)指標(biāo)的量化值。
按以上方法計(jì)算得出青海省41處礦泉水點(diǎn)的開(kāi)發(fā)利用潛力的綜合評(píng)價(jià)值,綜合考慮青海省礦泉水資源的狀況以及當(dāng)前社會(huì)發(fā)展水平,結(jié)合相關(guān)學(xué)者研究成果以及專家意見(jiàn),確定青海省礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)的適宜等級(jí),將41處泉點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)結(jié)果劃分為4個(gè)等級(jí)(表4)。評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表5、圖2。
圖2 青海省礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力圖
表4 潛力結(jié)果劃分等級(jí)表
表5 青海省礦泉水開(kāi)發(fā)利用潛力評(píng)價(jià)結(jié)果表
根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果,一共有4處礦泉水點(diǎn)處于高潛力水平,19處礦泉水點(diǎn)處于較高潛力水平,14處礦泉水點(diǎn)處于中等潛力水平,4處礦泉水點(diǎn)處于低潛力水平。
綜合評(píng)價(jià)得分高于80分的礦泉水點(diǎn),其資源儲(chǔ)量豐富且類型多樣,地區(qū)生態(tài)環(huán)境良好,社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,基礎(chǔ)建設(shè)較為完善,因此這4處礦泉水點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用潛力較其他地區(qū)明顯偏大,應(yīng)該納入高潛力區(qū),是最適宜開(kāi)發(fā)利用的礦泉水點(diǎn)。其中格爾木玉珠峰礦泉水(K25)、海西州野牛溝礦泉水(Q30)、海西州馬海礦泉水(Q29)三處礦泉水的泉點(diǎn)流量這一資源條件尤為突出,因此,這些礦泉水點(diǎn)可作為大型礦泉水基地對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用,既可以生產(chǎn)高端品牌礦泉水,面向高端商務(wù)人士,也可以生產(chǎn)普通類型礦泉水,面向大眾;民和七里寺飲用天然礦泉水(K28),該泉點(diǎn)的礦泉水類型這一條件十分明顯,礦泉水中有4種有益組分達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)且含量較高,可作為高端礦泉水進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。
綜合評(píng)價(jià)得分介于70~80分的礦泉水點(diǎn),評(píng)價(jià)結(jié)果顯示為較高潛力,所有參與評(píng)價(jià)的泉點(diǎn)中,處于該層次潛力水平的泉點(diǎn)最多,這些泉點(diǎn)大多數(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)達(dá)到了高水平的標(biāo)準(zhǔn),但是部分評(píng)價(jià)指標(biāo)處于中游水平或低水平,是較為適宜進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用的礦泉水點(diǎn),可以根據(jù)各泉點(diǎn)的資源特點(diǎn),建立中小型礦泉水基地進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。
綜合評(píng)分介于60~70分的14處礦泉水點(diǎn),評(píng)價(jià)結(jié)果顯示為中等潛力,礦泉水的資源條件具有一定的開(kāi)發(fā)利用潛力,但是相對(duì)與高潛力和較高潛力的礦泉水而言,各方面都較為薄弱,且這些泉點(diǎn)的自然環(huán)境條件和社會(huì)條件中的評(píng)價(jià)指標(biāo)均處于中等水平或低水平,一定程度上限制了其發(fā)展,因此開(kāi)發(fā)利用潛力偏弱,這些泉點(diǎn)可以作為待定發(fā)展泉點(diǎn),在后續(xù)的泉點(diǎn)開(kāi)發(fā)利用中選擇適宜的泉點(diǎn),開(kāi)展合理的開(kāi)發(fā)。
綜合得分在60分以下的4處泉點(diǎn),評(píng)價(jià)結(jié)果為低潛力,主要原因是這些泉點(diǎn)資源條件相對(duì)較差,生態(tài)環(huán)境和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平也比較低,因此這些泉點(diǎn)不適合建立礦泉水基地對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用,但是可以根據(jù)泉點(diǎn)附近居民的需求,作為當(dāng)?shù)氐纳钣盟_(kāi)發(fā)利用。
目前青海省礦泉水總體上勘查程度較低,因此參考潛力評(píng)價(jià)結(jié)果,根據(jù)青海省的獨(dú)特的礦泉水資源和良好的生態(tài)環(huán)境為主體,結(jié)合青海省礦泉水的發(fā)展規(guī)劃與定位,堅(jiān)持保護(hù)與開(kāi)發(fā)并重的原則,進(jìn)行合理、有序的開(kāi)發(fā)。做出如下建議:
(1)加大礦泉水資源勘查評(píng)價(jià)力度。結(jié)合潛力評(píng)價(jià)結(jié)果和區(qū)域地質(zhì)—水文地質(zhì)資料,優(yōu)先加大對(duì)高潛力礦泉水地區(qū)的礦泉水勘查評(píng)價(jià)力度,逐步開(kāi)展較高潛力礦泉水地區(qū)的礦泉水勘查評(píng)價(jià)工作,為今后礦泉水的調(diào)查評(píng)價(jià)規(guī)劃提供科學(xué)依據(jù)。
(2)建設(shè)礦泉水產(chǎn)業(yè)基地與完善開(kāi)采技術(shù)。針對(duì)不同地區(qū)、不同類型的礦泉水,充分發(fā)揮礦泉水的旅游價(jià)值與養(yǎng)療價(jià)值,針對(duì)性的進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用。健全地下水監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),在開(kāi)發(fā)利用過(guò)程中,加強(qiáng)礦泉水水量、水質(zhì)以及地下水位做好監(jiān)測(cè)工作,為今后的水資源的開(kāi)發(fā)與保護(hù)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)[18]。
(3)在保護(hù)中開(kāi)發(fā),在開(kāi)發(fā)中保護(hù)。礦泉水是一種寶貴的礦產(chǎn)資源,是大自然留給人類的寶貴財(cái)富。要高度重視生態(tài)環(huán)境健康以及水資源可持續(xù)利用問(wèn)題,綜合分析論證礦泉水開(kāi)發(fā)利用過(guò)程是否會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響,礦泉水開(kāi)發(fā)利用后是否對(duì)河流下游生態(tài)植被的正常生長(zhǎng)造成影響,礦泉水開(kāi)發(fā)利用是否改變地下水均衡狀態(tài),形成資源與環(huán)境保護(hù)的礦泉水開(kāi)發(fā)利用方案。
本文考慮了資源現(xiàn)狀、自然環(huán)境和社會(huì)條件對(duì)礦泉水開(kāi)發(fā)利用的影響,構(gòu)建了適用于青海省礦泉水開(kāi)發(fā)利用評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,基于層次分析法,確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,采用加權(quán)綜合模型計(jì)算出每一泉點(diǎn)的綜合評(píng)價(jià)得分,結(jié)合定性分析,對(duì)泉點(diǎn)的開(kāi)發(fā)利用潛力劃分了4個(gè)等級(jí),最終確定了各泉點(diǎn)的開(kāi)發(fā)利用潛力等級(jí)。在評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的過(guò)程中,選取的各評(píng)價(jià)指標(biāo),能夠更完善、更深入的評(píng)價(jià)青海省41處礦泉水點(diǎn)礦泉水的開(kāi)發(fā)利用潛力。同時(shí),采用層次分析法(AHP)確定權(quán)重,提高了評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)性和合理性。但是在使用該模型時(shí),評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重的確定標(biāo)準(zhǔn)直接影響到評(píng)價(jià)結(jié)果,希望將來(lái)能進(jìn)行更深入的研究,探索出最科學(xué)權(quán)重確定方式。