基于改進灰色聚類模型的區(qū)域地下水脆弱性評估分析

黃海平

(南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 南充 637131)

近些年來，地下水開采量隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展呈現(xiàn)逐年遞增的變化，區(qū)域地下水資源的可持續(xù)發(fā)展受地下水開采量的變化影響較大，尤其是對地下水脆弱性影響較為明顯[1]。近些年來對于地下水脆弱性評估取得一定研究成果[2-5]，這些研究成果中大都通過建立灰色聚類模型，依托于地下水脆弱性評估指標(biāo)體系，對區(qū)域地下水脆弱性進行綜合評估。但傳統(tǒng)灰色聚類模型在評估指標(biāo)權(quán)重上存在一定的主觀性，使得其評估結(jié)果存在一定的主觀性，評估結(jié)果客觀性不強。當(dāng)前，國內(nèi)有學(xué)者針對傳統(tǒng)灰色聚類模型指標(biāo)權(quán)重主觀的局限性，對其指標(biāo)權(quán)重計算方法進行了改進，并在國內(nèi)一些區(qū)域水資源脆弱性綜合評估中得到具體應(yīng)用[6-15]，應(yīng)用效果均表明改進的灰色聚類模型相比于改進前對區(qū)域水資源脆弱性綜合評估結(jié)果更為合理、客觀。

1 改進的灰色聚類模型

改進的灰色聚類模型通過建立不同等級的標(biāo)準(zhǔn)化計算公式進行地下水脆弱性綜合評估計算：

(1)

式中，ujk—地下水脆弱性評估指標(biāo)不同等級的聯(lián)系分量，按照[fj，fj+1]將不同等級評價進行閾值劃分，不同等級各類評價指標(biāo)灰類系數(shù)在其權(quán)重系數(shù)確定的基礎(chǔ)上進行計算：

(2)

式中，xjk—不同評價等級對應(yīng)的評估指標(biāo)；n、m—不同評價對象對應(yīng)指標(biāo)數(shù)目。對灰色聚類系數(shù)進行歸一化計算：

(3)

對不同評估指標(biāo)下權(quán)重系數(shù)綜合值進行計算。權(quán)重指標(biāo)綜合值采用AHP方法進行分析，該方法首先對各指標(biāo)權(quán)重采用熵值法進行計算再確定各指標(biāo)之間的綜合權(quán)重，不同指標(biāo)權(quán)重之間的差值計算方程為：

(4)

在進行不同指標(biāo)權(quán)重差值計算的基礎(chǔ)上對其綜合權(quán)重進行計算：

w″=aw+βw′

(5)

式中，a—各指標(biāo)分配權(quán)重；β—墑值計算。對兩種權(quán)重進行一致性分析進行組合計算：

d(w，w′)2=(a-β)2

(6)

結(jié)合不同評價指標(biāo)在確定模型權(quán)重后進行不同區(qū)域地下水脆弱度綜合評價指數(shù)的計算：

(7)

對不同指標(biāo)計算值分別進行集中度、離散度以及協(xié)調(diào)度的綜合分析計算：

①集中程度計算：

(8)

式中，ECi—計算指標(biāo)檢驗的集中程度；P—集中程度系數(shù)；Ei—檢驗期望值；nij—評價指標(biāo)的數(shù)目。

②離散程度計算：

(9)

式中，δi—第i個評價指標(biāo)離散度。

③協(xié)調(diào)度計算：

學(xué)生全景：當(dāng)學(xué)生起立回答問題或者有水平移動的時候，錄制畫面會切換為學(xué)生全景。全景畫面一般時間比較短，幾秒鐘之后切換到其他畫面。

(10)

式中，Vi—指標(biāo)檢驗協(xié)調(diào)度。

2 實例分析

2.1 研究區(qū)域概況

以遼寧地區(qū)大凌河流域為具體實例，結(jié)合流域內(nèi)建平、北票、黑山、北鎮(zhèn)為4個計算片區(qū)，各片區(qū)地下水資源概況見表1。

表1 各片區(qū)地下水資源概況

2.2 指標(biāo)檢驗

從地下水埋深、地下水補給量、含水層巖性、含水層土壤類型、地形坡度要素、包氣帶介質(zhì)以及土壤導(dǎo)水系數(shù)等7項指標(biāo)建立地下水脆弱性評估指標(biāo)體系，并分析采用改進前后灰色聚類模型對指標(biāo)的集中度、離散度、協(xié)調(diào)度進行指標(biāo)檢驗，對比檢驗結(jié)果見表2。

表2 改進前后模型計算指標(biāo)檢驗結(jié)果對比

從改進前后模型各地下水脆弱性評估指標(biāo)的集中度、離散度以及協(xié)調(diào)度檢驗指標(biāo)對比結(jié)果可看出，改進前后灰色聚類模型下各評估指標(biāo)集中度在2.0～5.0之間，評估指標(biāo)具有較好的集中度，相比于改進前的灰色聚類模型，改進后模型下地下水脆弱性評估各類指標(biāo)的集中度均有一定程度改善，其集中度均有所增加，其中地下水含水層巖性集中度改善最為明顯。從各評估指標(biāo)離散度檢驗值可看出，改進前后模型下其指標(biāo)的離散度均低于1.0，相比改進前，改進后的灰色聚類模型下各評估指標(biāo)離散度相比于改進前均有所降低，評估指標(biāo)的聚類程度有所改善。從改進前后模型各指標(biāo)的協(xié)調(diào)度可看出，地下水脆弱性各評估指標(biāo)的協(xié)調(diào)度在0.6～0.9之間，滿足評估指標(biāo)協(xié)調(diào)度檢驗值低于1.0的要求，相比于改進前模型，改進后模型下各指標(biāo)協(xié)調(diào)度都有所提高。綜上，相比于改進前的灰色聚類模型，改進后模型各評估指標(biāo)的集中度、離散度以及協(xié)調(diào)度都有所提高，這主要是因為改進的灰色聚類模型對各指標(biāo)權(quán)重進行綜合計算，解決傳統(tǒng)模型權(quán)重計算單一的局限，提高其指標(biāo)評估求解的收斂度，使得其評估指標(biāo)各檢驗特征值有所改善。

2.3 現(xiàn)狀年地下水脆弱性評價

以建平、北票、黑山、北鎮(zhèn)為4個典型片區(qū)，采用改進的灰色聚類模型對各片區(qū)2019年現(xiàn)狀年的地下水脆弱性進行綜合評估，通過建立不同評估指標(biāo)之間的聯(lián)系度分量對其指標(biāo)綜合權(quán)重值進行計算，在確定各指標(biāo)綜合權(quán)重基礎(chǔ)上對各片區(qū)現(xiàn)狀年地下水脆弱性進行綜合評估，各指標(biāo)綜合權(quán)重值見表3，各片區(qū)地下水脆弱性綜合評估結(jié)果見表4。

表3 現(xiàn)狀年各片區(qū)地下水脆弱性評估指標(biāo)綜合權(quán)重

表4 現(xiàn)狀年各片區(qū)地下水脆弱性綜合評估結(jié)果

從各片區(qū)地下水脆弱性評估指標(biāo)綜合權(quán)重計算結(jié)果可看出，各片區(qū)地下水脆弱性評估各指標(biāo)的權(quán)重值總體較為接近，地下水導(dǎo)水系數(shù)、補給量指標(biāo)的綜合權(quán)重值最高，地下水導(dǎo)水系數(shù)和地下水補給量具有較高的關(guān)聯(lián)度，地下水導(dǎo)水系數(shù)越高其地下水補給量也相對越大。坡度和包氣帶介質(zhì)在各類指標(biāo)中綜合權(quán)重值較低，其主要受土壤特性有關(guān)，其對地下水資源脆弱性影響程度相對較低。各片區(qū)地下水資源脆弱性指標(biāo)綜合權(quán)重總體較為客觀。在對各類評估指標(biāo)綜合權(quán)重確定的基礎(chǔ)上，對各指標(biāo)的聯(lián)系度分量進行計算，對各片區(qū)地下水脆弱性評價指數(shù)進行計算，北鎮(zhèn)地下水脆弱性指數(shù)在各片區(qū)中最低，經(jīng)評估其地下水資源處于非常脆弱的程度，這主要是因為北鎮(zhèn)地下水資源補給量較低，使得其地下水脆弱性程度非常低，建平和黑山片區(qū)其地下水脆弱性評估指數(shù)分別為0.2755和0.1955，經(jīng)評估其地下水資源處于脆弱的程度，而北票由于近些年來加大了區(qū)域地下水資源保護力度，地下水開采量明顯減少，并通過地下水回灌等方式加大了區(qū)域地下水補給量，使得其地下水資源得到較為明顯的改善，其地下水脆弱度經(jīng)評估為不脆弱的程度。

2.4 遠景年地下水脆弱性評價

表5 遠景年各片區(qū)地下水脆弱性評估指標(biāo)綜合權(quán)重

表6 遠景年各片區(qū)地下水脆弱性綜合評估結(jié)果

從遠景年各片區(qū)地下水脆弱性綜合評估結(jié)果可看出，相比于現(xiàn)狀年，通過增加其地下水補水量，降低地下水開采量，提高導(dǎo)水系數(shù)等措施后，各片區(qū)遠景年下地下水脆弱性綜合評指數(shù)都較現(xiàn)狀年有較為明顯的改善，北鎮(zhèn)片區(qū)地下水脆弱性經(jīng)評價為不脆弱，建平和黑山片區(qū)在遠景年經(jīng)評估其地下水脆弱性呈現(xiàn)較不脆弱的程度，相比于現(xiàn)狀年均有所改善。結(jié)合不同年份地下水資源脆弱性評估指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以對其不同年份地下水脆弱性進行時空分布的評估，從而為區(qū)域地下水保護規(guī)劃提供參考價值。

3 結(jié)論

(1)在采用改進的灰色聚類模型進行區(qū)域地下水資源脆弱性綜合評估時，可采用層次分析方法對其評估指標(biāo)的聯(lián)系度分量進行計算，提高各評估指標(biāo)聯(lián)系度分量計算的科學(xué)性。

(2)導(dǎo)水系數(shù)是區(qū)域地下水資源脆弱性評估的關(guān)鍵指標(biāo)，導(dǎo)水系數(shù)可通過在不同分區(qū)進行地下水抽水試驗，通過水量分析確定其地下水分區(qū)的導(dǎo)水系數(shù)。

(3)本文對地下水資源脆弱性綜合評估指標(biāo)只考慮了水量的脆弱性，對其水質(zhì)脆弱性還未考慮，存在不足，后續(xù)研究中應(yīng)增加地下水水質(zhì)評估指標(biāo)進行綜合分析。