丹東市海水入侵程度評價(jià)

姜 丹

(遼寧省丹東水文局,遼寧 丹東 118000)

受土壤巖性、地質(zhì)構(gòu)造、含水層補(bǔ)給條件和滲透性等水文地質(zhì)因素影響,海水入侵過程較為復(fù)雜[1]。目前,評價(jià)海水入侵程度與范圍的方法主要有數(shù)值模擬、野外調(diào)查和數(shù)學(xué)模型法等[2-5]。其中,數(shù)值模擬在處理復(fù)雜邊界條件和建立復(fù)雜含水層結(jié)構(gòu)時(shí)需要大量的高精度數(shù)據(jù)資料,而數(shù)據(jù)資料的缺失通常會限制其應(yīng)用;野外調(diào)查法需要長期觀測目標(biāo),耗時(shí)長且投入地下水三維動(dòng)態(tài)監(jiān)測網(wǎng)的成本高;數(shù)學(xué)模型主要是利用數(shù)學(xué)建模來揭示海水入侵規(guī)律、范圍以及鹽分濃度分布變化特征,由于需要考慮人類活動(dòng)和自然條件,建模難度大而復(fù)雜。另外,在人為因素和自然條件雙重影響下,地下水系統(tǒng)具有高度隨機(jī)性、非線性和復(fù)雜性等特征,使完全預(yù)測分析和定量評價(jià)海水入侵程度難度更高。實(shí)際上,當(dāng)完全定量評價(jià)預(yù)測和構(gòu)建實(shí)際模型比得到一個(gè)海水入侵程度評價(jià)結(jié)果更重要時(shí),綜合考慮定量計(jì)算與定性分析的數(shù)學(xué)方法逐漸成為解決問題的有效途徑[6]。

目前,評價(jià)分析海水入侵的方法主要有模糊數(shù)學(xué)法、數(shù)理統(tǒng)計(jì)法以及單一指標(biāo)法等[7-9]。在使用過程中這些方法都存在一定的不足,如模糊數(shù)學(xué)法主要是利用超標(biāo)比計(jì)算各參評指標(biāo)權(quán)重,待評價(jià)樣本較多時(shí)計(jì)算量過大;數(shù)理統(tǒng)計(jì)法具有較大波動(dòng),樣本數(shù)據(jù)直接決定了分析結(jié)果;單一指標(biāo)法考慮因素較少,評價(jià)結(jié)果存在較大不確定性和片面性。因融合了屬性識別模型有序分割的優(yōu)點(diǎn)和熵權(quán)法客觀賦權(quán)的特點(diǎn),熵權(quán)屬性識別法可有效解決最大隸屬度原則分類不清和主觀賦權(quán)偏差的問題,該方法能夠更加穩(wěn)定全面地反映海水入侵狀況[10]。

丹東市地處遼東半島東南部的鴨綠江畔,屬典型海水入侵區(qū)之一,然而研究分析丹東市海水入侵現(xiàn)狀的較少。因此,文章結(jié)合丹東市海濱地區(qū)地下水化學(xué)成分監(jiān)測數(shù)據(jù)和野外調(diào)查結(jié)果,采用鈉吸附比SAR、咸化系數(shù)A、硫酸根SO42-、溶解性固體TDS、氯離子Cl-指標(biāo)和熵權(quán)屬性識別法評價(jià)丹東市海水入侵程度,通過與氯離子單指標(biāo)法計(jì)算結(jié)果對比驗(yàn)證熵權(quán)屬性識別法準(zhǔn)確性與可行性,以期為區(qū)域地下水合理開發(fā)利用以及海水入侵的科學(xué)防治提供參考。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

研究區(qū)按行政分區(qū)為東港市和振興區(qū),按流域分區(qū)屬鴨綠江干流及遼東沿海區(qū)域,屬于遼東山地南坡,地勢北高南低,依次為中低山、丘陵和平原,呈階梯狀分布,總面積2444.6km2。東港市及振興區(qū)為半濕潤暖濕帶大陸性季風(fēng)氣候,東港市降水時(shí)空分布極不均勻,年均降水與徑流深分別為893.0mm和449.9mm;振興區(qū)屬鴨綠江干流區(qū)域,年均降水與徑流深分別為992.2mm和547.9mm,均高于東港市[11-13]。

東港市及振興區(qū)地層屬遼南分區(qū)東延的一小部分和遼東分區(qū)營口～丹東小區(qū)大部分。研究區(qū)內(nèi)以第四紀(jì)地層松散巖堆積物孔隙水為主,分布于振興區(qū)安民鎮(zhèn)至東港市椅圈鎮(zhèn)及刁家壩、廉家壩水庫下的大部平原區(qū),椅圈一帶還有地下熱水分布。沖積平原區(qū)含水層厚度為4～20m,巖性主要為砂卵石、礫石,表層巖性為淤泥質(zhì)亞黏土。地下水埋藏深度南部一般為0.5～1.5m,沼澤凹地<0.5m,北部一般在1.5～2.5m,個(gè)別地段>2.5m,汛期在沿海一帶地下水受降雨和海潮頂托的影響,埋藏深度接近地表。地下水補(bǔ)給主要是大氣降水和灌溉水,除地下徑流方式排入黃海和各排水溝道外,垂直蒸發(fā)排泄也是重要途徑。全區(qū)地下水流向總的趨勢與地表水一致,沿海平原自北向南流動(dòng)[14]。

1.2 測試方法

為揭示東港市及振興區(qū)地下水化學(xué)特征,本研究于2020年8月沿海岸線垂直方向?qū)撍畬硬杉?0組水樣,采樣深度1～20m。

根據(jù)《地下水質(zhì)監(jiān)測方法》現(xiàn)場使用多參數(shù)水質(zhì)分析儀和滴定法測定溶解性總固體TDS、HCO3-,在實(shí)驗(yàn)室利用ICS-2100離子色譜儀測定SO42-、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+等離子,測試精度和檢測限為1%、1mg/L。經(jīng)計(jì)算,各組水樣陰陽離子平衡誤差≤5%,可以用于地下水化學(xué)特征分析,測試參數(shù)如表1所示。

表1 地下水化學(xué)特征參數(shù)值(N=73)

2 結(jié)果與分析

2.1 熵權(quán)屬性識別

2.1.1 確定評價(jià)指標(biāo)

評價(jià)指標(biāo)的合理選取是客觀全面地反映海水入侵狀況的關(guān)鍵環(huán)節(jié),依據(jù)地下水化學(xué)特征確定變異系數(shù)超過1的參數(shù)有SO42-、Cl-、Na+以及TDS,說明具有較大空間變異性;變異系數(shù)接近1的有HCO3-、Ca2+以及Mg2+,說明具有較明顯的空間變異性,且隨著海岸帶距離的減小以上化學(xué)成分濃度呈漸進(jìn)減小或增大的變化特征,可以在一定程度上反映海水入侵程度差異。另外,本研究綜合考慮陽離子交替吸附作用及地下水化學(xué)成分受海水入侵影響的混合作用,合理選擇了SAR、A、SO42-、TDS和Cl-五個(gè)典型指標(biāo)。

2.1.2 構(gòu)造屬性分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣

設(shè)待評判樣本空間為X,從樣本空間中選取n個(gè)樣本測量m個(gè)指標(biāo)G1、G2、…、Gm,xij代表待評判樣本i的第j項(xiàng)指標(biāo)測量值,所以每個(gè)樣本都存在向量xi=(xi1,xi2,…,xim),i的取值范圍1～n,由n個(gè)樣本組成的空間矩陣可以表示成R:

(1)

由于采集的潛水含水層水樣較多有60組,受文章篇幅限制僅列出了研究區(qū)地下水18個(gè)水樣的空間矩陣,如表2所示。

設(shè)X上某類屬性空間F的有序分割類為C1、C2、…、Ck,并符合C1

(2)

式中:ajk為屬性空間F上第j個(gè)指標(biāo)的第k項(xiàng)分割值,且符合aj1>aj2>…>ajk或aj1

表3 海水入侵參評指標(biāo)代表值與等級范圍

采用距離判別法計(jì)算確定代表值,并將海水入侵程度劃分成嚴(yán)重(Ⅲ級)、輕度(Ⅱ級)和無入侵(Ⅰ級),按照公式(2)確定屬性分類標(biāo)準(zhǔn)矩陣,具體如下:

(3)

2.1.3 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重

熵可以反映數(shù)據(jù)信息的效能、有序度以及系統(tǒng)的無序程度,在計(jì)算過程中熵權(quán)法考慮了數(shù)據(jù)自身信息,能夠避免主觀因素的干擾保證權(quán)重計(jì)算的客觀真實(shí)性,計(jì)算流程如下:

步驟1:為消除各指標(biāo)單位或數(shù)量級差異帶來的不可通透性,必須先歸一化處理樣本空間矩陣R,即:

(4)

式中:xmin、xmax為所有樣本中同一指標(biāo)的最小和最大值,將實(shí)測值進(jìn)行歸一化處理后可以構(gòu)建判斷矩陣B:

(5)

步驟2:根據(jù)熵的內(nèi)涵可以確定各參評指標(biāo)的熵Hj和熵權(quán)W,具體表達(dá)式如下:

(6)

(7)

采用公式(6)～(7)計(jì)算確定海水入侵程度各參評指標(biāo)的熵值Hj=(0.9982,0.9962,0.9982,0.9962,0.9980)及權(quán)重ωj=(0.2310,0.1885,0.1908,0.1621,0.2276)。

2.1.4 屬性測度與識別屬性

屬性測度反映了屬性Ck條件下地下水樣i的第j項(xiàng)指標(biāo)測量值xij的隸屬程度,按屬性分類標(biāo)準(zhǔn)則有aj1

(8)

根據(jù)各指標(biāo)權(quán)重ωj和屬性測度μijk計(jì)算結(jié)果可以確定所有地下水樣的綜合屬性測度μik,計(jì)算公式如下:

(9)

一般地,置信度λ取值區(qū)間為0.60～0.75,文中取0.65,遵循置信度準(zhǔn)利用公式(10)計(jì)算ki值:

(10)

以公式(10)為條件確定k值,最終可以判定xi隸屬于Cki類。海水入侵的等級特征值qxi參照屬性識別評分規(guī)則進(jìn)行計(jì)算,等級特征值越大則入侵程度越低,具體表達(dá)為:

(11)

式中:nt為屬性集Ct的分支,nt=K+1-t,nt值隨t的增大逐漸減少,結(jié)合qxi計(jì)算結(jié)果可以對xi比較與排序。采用公式(8)～(11)計(jì)算確定各水樣的屬性測度μijk、入侵等級及其對應(yīng)的特征值qxi,并結(jié)合qxi計(jì)算植比較和排列同一等級水樣入侵程度,如表5所示。

表5 海水入侵等級及屬性測度

續(xù)表5 海水入侵等級及屬性測度

結(jié)果表明,熵權(quán)屬性識別法不僅能夠比較同等級水樣的入侵程度,還可以客觀反映海水入侵程度。等級特征值越小則海水入侵程度越高,雖然DG2和GD27都達(dá)到Ⅱ級(輕度入侵),但DG27特征值2.071高于DG2的1.815,所以認(rèn)為GD2的入侵程度略高于GD27,這主要與兩者的SAR值存在明顯差異有關(guān),DG2和DG27水樣的SAR值分別為23.18、1.76,這說明DG2高于DS27水樣的Na+相對比值,DG2水樣具有更強(qiáng)的陽離子交替吸附作用,地下水中的Na+逐漸替代Mg2+、Ca2+,所以熵權(quán)屬性識別法能夠保證海水入侵程度評價(jià)的科學(xué)合理性。

2.2 結(jié)果對比分析

通過與氯離子單指標(biāo)法計(jì)算結(jié)果的對比驗(yàn)證熵權(quán)屬性識別法準(zhǔn)確性和有效性,如圖1所示。結(jié)果表明,氯離子單指標(biāo)法和熵權(quán)屬性識別法評價(jià)的無入侵水樣占比分別為85.75%、71.67%,兩種方法評價(jià)的輕度入侵水占比比為9.25%與23.33%,嚴(yán)重入侵水樣占比都為5.00%。因此,氯離子單指標(biāo)法和熵權(quán)屬性識別法評價(jià)結(jié)果基本一致,特別是嚴(yán)重入侵評定結(jié)果相同,而無入侵和輕度入侵存在一定差異。具體而言,對于海水入侵等級評價(jià)熵權(quán)屬性識別法較高,有32%的水樣被熵權(quán)屬性識別法評定為Ⅱ級,而氯離子單指標(biāo)法評價(jià)為Ⅰ級。雖然評價(jià)等級不同的水樣(如DG1、DG7、ZX3)Cl-處于250mg/L(Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn))以內(nèi),但其A值或SAR值處于輕度入侵水平(A>1、SAR>2),個(gè)別水樣(如DG2、ZX17)的A值或SAR值處于嚴(yán)重入侵水平(A>3.5、SAR>6.5),說明咸淡水混合作用或陽離子交替吸附作用已經(jīng)在不同程度上影響著這些水樣,表現(xiàn)出典型的咸淡水過渡帶特點(diǎn),所以充分考慮各評價(jià)樣本信息的熵權(quán)屬性識別法能夠更加準(zhǔn)確可靠地評價(jià)海水入侵程度。

圖1 海水入侵等級百分比

根據(jù)氯離子單指標(biāo)法計(jì)算的Cl-濃度值和熵權(quán)屬性識別法評定的入侵等級特征值qxi,研究分析海水入侵分布特征。結(jié)果表明,兩種方法評定的嚴(yán)重入侵集中分布于孤山鎮(zhèn)劉大房-椅圈鎮(zhèn)于家村-東港市新興區(qū)一帶,主要位于地下水位負(fù)值區(qū)以及距離海岸帶較近約5km的海水養(yǎng)殖區(qū),研究認(rèn)為該區(qū)域海水入侵受海水養(yǎng)殖、地下水超采等影響不斷加劇,地下水入侵較嚴(yán)重。兩種方法評定的輕度入侵區(qū)集中分布于黃土坎鎮(zhèn)欒家村-勝利村-孤山鎮(zhèn)祝家溝-前陽工業(yè)區(qū)一帶,主要位于距離海岸帶約10km處,地下水受人為開采影響出現(xiàn)負(fù)值區(qū),海水逐漸向內(nèi)陸入侵,如圖2所示。另外,河道采砂和海洋潮汐作用對河口地段入侵影響較大,沿河道方向出現(xiàn)海水上溯侵染的情況。

(a)熵權(quán)屬性識別法 (b)氯離子單指標(biāo)法

綜上分析,氯離子單指標(biāo)法和熵權(quán)屬性識別法計(jì)算結(jié)果對應(yīng)關(guān)系相同,后者更能反映海水入侵分布的實(shí)際情況,東港市及振興區(qū)主要為輕度入侵,個(gè)別地段出現(xiàn)嚴(yán)重入侵,河口上溯、河道采砂、海水養(yǎng)殖和地下水過量開采等因素共同導(dǎo)致了研究區(qū)海水入侵災(zāi)害,但各入侵區(qū)的主導(dǎo)因素存在一定差異,人為活動(dòng)、陽離子交替吸附作用以及咸淡水的機(jī)械混合作用等共同導(dǎo)致了入侵區(qū)地下水化學(xué)成分的改變。

3 結(jié) 論

1)采用五項(xiàng)指標(biāo)和熵權(quán)屬性識別法評價(jià)丹東市海水入侵程度,結(jié)果表明從小到大各指標(biāo)權(quán)重為SO42-

2)研究區(qū)主要為輕度入侵,個(gè)別地段出現(xiàn)嚴(yán)重入侵,其中達(dá)到嚴(yán)重的采樣點(diǎn)占比為5.00%,集中分布于孤山鎮(zhèn)劉大房-椅圈鎮(zhèn)于家村-東港市新興區(qū)一帶,主要位于地下水位負(fù)值區(qū)以及距離海岸帶較近約5km的海水養(yǎng)殖區(qū);輕度入侵的采樣點(diǎn)占比為23.33%,集中分布于黃土坎鎮(zhèn)欒家村-勝利村-孤山鎮(zhèn)祝家溝-前陽工業(yè)區(qū)一帶,主要位于距離海岸帶約10km處。