基于模糊數(shù)學(xué)評判法對福建省晉江市海水入侵現(xiàn)狀評價

邱偉鵬，黃耀裔,蘇建云

( 泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,福建 泉州 362000)

?

基于模糊數(shù)學(xué)評判法對福建省晉江市海水入侵現(xiàn)狀評價

邱偉鵬，黃耀裔,蘇建云

( 泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,福建 泉州 362000)

海水入侵在評價過程中存在隸屬度和多指標(biāo)運算規(guī)則選取等問題，將動態(tài)/變權(quán)法賦權(quán)與模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合，建立模糊數(shù)學(xué)評判法，將其應(yīng)用于福建省晉江市海水入侵現(xiàn)狀評價中，并利用秩相關(guān)選取最優(yōu)評價模型，同時結(jié)合GIS技術(shù)與地統(tǒng)計技術(shù)，繪制出研究區(qū)“取小取大”型海水入侵現(xiàn)狀評價數(shù)字地面模型，分析海水入侵影響區(qū)域與入侵程度，可為有關(guān)部門有針對性防范海水入侵防范參考.

模糊數(shù)學(xué)評判法；海水入侵；秩相關(guān)；晉江市

海岸帶作為海洋和陸地交互的中間過渡帶，是陸海兩類社會經(jīng)濟的匯集地，被稱為經(jīng)濟的“黃金地帶”.隨著自然和人為因素的影響，特別是人為過度開采地下水，造成海岸帶的地下水水位下降，破壞淡水—海水平衡，導(dǎo)致海水或沿海含水層向陸地方向運移，使得海水入侵成為沿海地區(qū)的一項重大的漸發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害，可能導(dǎo)致土壤鹽堿化，淡水資源缺乏，水田面積變少，荒地增加等生態(tài)環(huán)境問題.經(jīng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，目前世界上許多沿海國家正遭受著不同程度的海水入侵危害，我國也不例外，于1964年最早在大連市發(fā)現(xiàn)海水入侵災(zāi)害，入侵面積達223.5 km2，年均入侵速度達6.6 km2，隨著環(huán)境破壞，我國東南沿海地區(qū)均出現(xiàn)不同程度的海水入侵，據(jù)中國國家海洋局對我國沿海海平面30年監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示其沿海海平面總體上升了9 cm，福建省也上升了5～6 cm，與此同時過度開采沿海海岸帶淺層地下淡水，導(dǎo)致海水倒灌，侵染了濱海淡水層，加劇了海水入侵的速度，使得了解當(dāng)前海水入侵現(xiàn)狀尤為重要[1-3].對海水入侵現(xiàn)狀評價可以在一定程度上了解其災(zāi)害程度，但目前對海水入侵評價以單指標(biāo)評價(如Cl-，TDS等)居多，如以Cl-濃度為250 mg/L作為判斷海水入侵分界[4]；TDS等于2.0 g/ L作為咸淡水界值[5]等等，但由于單一指標(biāo)的海水入侵現(xiàn)狀評價有可能會忽略個中差異，影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，而利用多指標(biāo)進行綜合評價則可以在一定程度上克服上述缺陷.

隨著數(shù)學(xué)理論的不斷完善與發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域正逐漸擴大，目前對于海水入侵的綜合評價數(shù)學(xué)方法有單指標(biāo)法、灰色聚類法、模糊數(shù)學(xué)評判法、集對分析法等等[6]，每種方法都有各自的優(yōu)點與不足.而模糊數(shù)學(xué)評判法作為一種比較成熟的評價方法，在大氣、地表水、地下水綜合評價[7-9]有較廣泛的應(yīng)用.為了貫徹《國務(wù)院關(guān)于印發(fā)中國應(yīng)對氣候變化國家方案的通知》，了解福建省晉江市的海水入侵的現(xiàn)狀以及空間分布狀況，本文運用模糊數(shù)學(xué)評判法結(jié)合GIS技術(shù)對其海水入侵進行評價，試圖從空間視角了解目前該地區(qū)海水入侵現(xiàn)狀，為今后的防治對策提供參考.

1 研究區(qū)概況與樣品采集

1.1 研究區(qū)概況

晉江市(24°30′-24°54′N，118°24′-118°43′E)地處中國福建省東南沿海的晉江流域南岸，東與石獅市接壤，東面瀕臨臺灣海峽，西與南安市交界，北與泉州鯉城區(qū)相鄰，南與金門島隔海相望，海域面積6345 km2，海岸線長達110 km，域內(nèi)有深滬灣、圍頭灣、東石口岸.是全省經(jīng)濟最為發(fā)達的地區(qū)之一，經(jīng)濟總量位于福建省縣級市第一位.其地下水含水巖組的形成、分布等水文地質(zhì)條件均受區(qū)域地質(zhì)、地貌、氣候、水文等自然地理因素的影響，其中地層主要以第4系地層為主，地層較發(fā)育，分布廣，占全區(qū)79%左右，第4系地層按成因可分為殘坡積層、海積層、沖洪積層和風(fēng)積層，由更新統(tǒng)龍海組(Q3l)、全新統(tǒng)長樂組(Q4c)及時代未分的殘坡積層組成：龍海組以沖洪積層為主，為海積層和風(fēng)積層不整合于基巖之上，巖性為砂質(zhì)粘土，粘砂土、中細砂；長樂組有海積層、沖洪積層、風(fēng)積層組成，巖性為淤泥、砂及卵礫石；殘坡積層，遍布全區(qū)，占43%，巖性為粘土、砂粘土等[10].同時根據(jù)《福建省晉江市地下水資源調(diào)查評價報告》，晉江市地下水可開采量為3786.42×104m3，現(xiàn)狀用水量為6536.78×104m3，超采量為2750.36×104m3，開采程度為172.6%，說明晉江市地下水超采嚴(yán)重，增加了海水入侵災(zāi)害幾率[11].

圖1 海水入侵采樣監(jiān)測圖

1.2 樣品采集測試

2 模糊數(shù)學(xué)評判法

模糊數(shù)學(xué)綜合評判法是基于模變換糊集合運算理論，對受多種因素影響或?qū)吔绮磺?、不易定量的因素做出全面評價的定量化綜合評價方法.根據(jù)海水入侵特點選擇相應(yīng)指標(biāo)和權(quán)重，利用最大隸屬度原則結(jié)合模糊動態(tài)賦權(quán)考慮級別間的聯(lián)系的模糊性進行評價等級結(jié)果確定.方法由以下幾個步驟組成：

2.1 評價指標(biāo)確定

2.2 評價集合與評價標(biāo)準(zhǔn)確定

選取評價區(qū)有代表性的海水入侵指標(biāo)作為模糊因素集合，定義為：U = { u1，u2，…，ui，…，un}，( i = 1，2，3，…，n) ，其中ui代表第i個海水入侵指標(biāo).定義V為海水入侵評價指標(biāo)分級的集合，定義表達式為：V = { v1，v2，…，vj，…，vm} ，其中vj為評價的第j個評價等級標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)最終將海水入侵程度劃分為4個等級并建立評語集V ={ v1，v2，v3，v4} ={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}.構(gòu)建海水入侵評價標(biāo)準(zhǔn)[5,15]，詳見表1.

表1 海水入侵評價標(biāo)準(zhǔn)

2.3 隸屬函數(shù)構(gòu)造和評價矩陣建立

隸屬函數(shù)是各單項評價指標(biāo)評判依據(jù)，各單項評價指標(biāo)又是多因素模糊綜合評判基礎(chǔ)，通過海水入侵評價隸屬度函數(shù)可使海水入侵災(zāi)害評價過程中Ⅰ-Ⅳ類評價指標(biāo)隸屬關(guān)系確定，確定公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

公式(1)-(4)中：Si1，Si2，Si3，Si4分別為對應(yīng)海水入侵標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ-Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)限值.xi為研究區(qū)樣點指標(biāo)實測值；fi1、fi2、fi3、fi4為相應(yīng)屬于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類指標(biāo)隸屬度值.由隸屬度構(gòu)建模糊評判矩陣F，

2.4 權(quán)重矩陣確定

考慮到各個評價因子對海水入侵評價中的作用、貢獻、影響即重要性程度不同，不同權(quán)重會對評價結(jié)果有不同程度的影響，因此，對其進行權(quán)重計算是很有必要的.本文主要采用污染貢獻率法確定權(quán)重，該法是一種動態(tài)/變權(quán)法賦權(quán)，可突出主要污染指標(biāo)的影響又考慮單個污染指標(biāo)對環(huán)境的綜合影響.權(quán)重計算見下式得到各指標(biāo)的權(quán)重模糊集W.

wi=xi/Si

(5)

(6)

上式中，xi為研究區(qū)樣點對應(yīng)指標(biāo)測值；Si為海水入侵標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)指標(biāo)的Ⅰ-Ⅳ級標(biāo)準(zhǔn)限值平均值；wi為歸一化處理得到的海水入侵指標(biāo)權(quán)重值.

表2 不同模糊數(shù)學(xué)評判法的評價等級

2.5 模糊綜合評判法評價

模糊變換的綜合評判可通過權(quán)重集W和評判矩陣F得到評價等級模糊綜合關(guān)系的隸屬度矩陣Y，

Y=W⊙F=(c1,c2,…,cj) (7)

注：(在置信度(雙測)為0.01 時，**呈現(xiàn)出極顯著相關(guān))

最后根據(jù)隸屬度最大原則確定評價等級結(jié)果.在Y中取max(Y)其所對應(yīng)的V ={v1，v2，v3，v4} ={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}評語集作為該采樣點海水入侵模糊綜合評判結(jié)果.

3 晉江市海水入侵綜合評價結(jié)果分析

圖2 海水入侵綜合評價數(shù)字模型

對模糊數(shù)學(xué)評判法的4種模糊算子的運算，根據(jù)最大隸屬度原則，確定

評價結(jié)果見表2所示，通過秩相關(guān)分析“取小取大”、“相乘取大”、“取小相加”、“相乘相加”4者的秩相關(guān)系數(shù)分別為：0.813,0.843,0.711，0.444,0.672，在置信度(雙測)為0.01 時，呈現(xiàn)出極顯著相關(guān)(見表2).表明采用模糊數(shù)學(xué)評判法的4種運算規(guī)則進行海水入侵評價均為可行，其中“取小取大”與“相乘取大”的秩相關(guān)系數(shù)最大，說明這兩種方法在研究區(qū)海水入侵評價優(yōu)于其它兩種，但由于“取小取大”運算規(guī)則去除了隸屬度和權(quán)重指標(biāo)中的重復(fù)因素，先取小避免了指標(biāo)隸屬度與權(quán)重的重復(fù)考慮，突顯極值的作用，較相乘取大避免過度突出極值的作用，因此確定取小取大運算規(guī)則的模糊數(shù)學(xué)評判法為最優(yōu)模糊數(shù)學(xué)評價方法[8].

地理信息技術(shù)(Geographic Information System，GIS)作為計算機輔助手段用于地下水的分析評價是一種很好的輔助手段.引入地統(tǒng)計結(jié)合GIS技術(shù)，在GIS地理信息系統(tǒng)軟件中以評價等級作為點數(shù)據(jù)圖層的屬性字段，再利用地統(tǒng)計分析插值模塊構(gòu)建可視化的海水入侵綜合評價數(shù)字模型.通過GIS軟件繪制海水入侵評價數(shù)字地面模型(圖2)對研究區(qū)進行結(jié)果分析，研究區(qū)海水入侵趨勢由沿海往內(nèi)陸逐漸下降，整個研究區(qū)無Ⅳ級(嚴(yán)重入侵)，評價等級處于Ⅲ級(較嚴(yán)重侵染)主要分布于鄰接圍頭灣、深滬灣和臺灣海峽的東石鎮(zhèn)、英林鎮(zhèn)、金井鎮(zhèn)、深滬鎮(zhèn)、龍湖鎮(zhèn)的海岸帶以及鄰接泉州灣的池店鎮(zhèn)、陳埭鎮(zhèn)、西濱鎮(zhèn)的沿海帶，占整個研究區(qū)面積的8.9%；由沿海往內(nèi)陸評價等級為II級(輕度浸染)，占整個研究區(qū)面積的35.7%，往內(nèi)為Ⅰ級評價等級(無影響或淡水)，占整個研究區(qū)面積的55.4%.說明整個研究區(qū)的海岸帶處于輕度海水入侵.為了進一步有效防止晉江市海水入侵的繼續(xù)惡化，應(yīng)該加強地下水管理與調(diào)控，采取有效措施，防止地下水超采和亂采，完善地下水開發(fā)利用和保護規(guī)劃，明確各鎮(zhèn)街道的地下水開發(fā)總量和開發(fā)方式，建立地下水動態(tài)監(jiān)測和監(jiān)督管理體系，盡快實施紅黃藍分區(qū)管理等.

4 結(jié) 語

模糊數(shù)學(xué)綜合評判法在解決海水入侵評價中的分類標(biāo)準(zhǔn)等模糊概念的不確定性問題具有較好的應(yīng)用性，能數(shù)學(xué)化、精確化、定量化地進行綜合評價，同時為在考慮權(quán)重時，避免了主觀確定權(quán)重的隨意性，使得權(quán)重的確定更加客觀，提高了評價模型的可靠程度，為海水入侵現(xiàn)狀評價提供一種可行有效的評價手段.評價結(jié)果發(fā)現(xiàn)晉江市的海水入侵還是比較嚴(yán)重的，建議通過諸如增加地下淡水儲備、限制海岸帶地下淡水開采量、在海岸帶布置井排進行人工回灌、禁止河口挖土采沙、合理利用灘涂資源、在入海河道的適宜地段修筑防潮堤防止海水沿河谷上溯等加以防治.

[1]許珠華．福建海岸海水入侵現(xiàn)狀及防范措施[J]．福建水產(chǎn)，2008，3(1)：19-22．

[2]魏海燕．福建長樂海岸海水入侵現(xiàn)狀與防控對策[J]．化學(xué)工程與裝備，2012(8)：216-219．

[3]邊余佳，李德彬，楊小芳．我國海水入侵及防治措施[J]．科技信息，2009( 21)：435-435．

[4]李忠心，李杰，杜中．離子價摩爾濃度百分比法及其在海水入侵評價中的應(yīng)用[J]．遼東學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009,16(4)：298-301．

[5]趙建．海水入侵水化學(xué)指標(biāo)及侵染程度評價研究[J]．地理科學(xué)，1998，8(1)：16-23．

[6]鄭?。?001—2011年烏魯木齊市大氣環(huán)境質(zhì)量模糊數(shù)學(xué)綜合評價[J]．環(huán)境污染與防治，2014，36(1)：28-33．

[7]章斌，宋獻方，韓冬梅．運用數(shù)理統(tǒng)計和模糊數(shù)學(xué)評價秦皇島洋戴河平原的海水入侵程度[J]．地理科學(xué)，2013，33(3)：342-346．

[8]蘇建云，黃耀裔．修正的模糊數(shù)學(xué)綜合評判法在地下水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用—以福建省晉江市為例[J]．西南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2014，39(7)：78-85．

[9]賈陳忠，秦巧燕，張竹清，等．模糊數(shù)學(xué)在地表水環(huán)境質(zhì)量評價中的應(yīng)用[J]．北方環(huán)境，2004,29(2)：73-77．

[10]黃耀裔， 蘇建云．利用GIS與數(shù)理統(tǒng)計分析晉江市淺層地下水化學(xué)特征及成因[J]．吉林師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版) ，2014，35(2)：145-152．

[11]曹陽， 滕彥國，王金生，等．泉州市地下水功能區(qū)劃分[J]．地球?qū)W報，2011，32(4)：469-476．

[12]李福林，張保祥．海(咸)水入侵概念及水化學(xué)判斷指標(biāo)研究[J]．海水入侵災(zāi)害防治研究，1996：35-43．

[13]邱漢學(xué)，劉貫群．海水入侵區(qū)地下水化學(xué)成分的形成作用[J]．工程勘察，1999(1)：43-47．

[14]涂向陽，高學(xué)平．模糊數(shù)學(xué)在海水入侵地下水水質(zhì)評價中的應(yīng)用[J]．水利學(xué)報，2003，34(8)：64-69．

[15]李淼，夏軍，李福林，等．基于熵權(quán)的屬性識別模型在海水入侵現(xiàn)狀評價中的應(yīng)用[J]．地理科學(xué)進展，2012，31(3)：324-328．

[責(zé)任編輯：徐明忠]

Assessment of seawater intrusion in Jinjiang based on fuzzy mathematical evaluation method

QIU Weipeng，HUANG Yaoyi，SU Jianyun

(School of Resources and Environmental Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, China)

Here are problems of membership and multi index comprehensive operation rule selection in the application of fuzzy comprehensive mathematics evaluation method in the Assessment of seawater intrusion, combine the empowerment dynamic/variable weight method with fuzzy mathematics to set establish the fuzzy mathematic evaluation method, using the method to applied toAssessment of seawater intrusion in Jinjiang, and use the rank correlation to select the optimal evaluation model, and combining with the GIS technology and statistical techniques, to map the research area of "take small take big" digital terrain model, seawater invasion status evaluation analysis of seawater intrusion in the area of influence and the degree of invasion, for the relevant departments of the targeted against seawater intrusion prevention reference.

fuzzy mathematical evaluation method;seawater intrusion;rank correlation;Jinjiang

2016-05-20

福建省創(chuàng)新實驗項目(201610399051)；泉州市科技項目(2015Z139)

邱偉鵬(1994—)，男，福建省龍巖市人，泉州師范學(xué)院本科生，主要從事地理信息系統(tǒng)應(yīng)用于開發(fā)的研究

黃耀裔(1983—)，男，福建晉江人，泉州師范學(xué)院實驗師，主要從事環(huán)境地理信息系統(tǒng)與地圖表達、管理與教學(xué)的研究.

F127

A

1672-3600(2017)03-0071-05