基于改進(jìn)灰色聚類模型的區(qū)域地下水脆弱性評(píng)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(lái)，地下水開(kāi)采量隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(kāi)采量的變化影響較大，尤其是對(duì)地下水脆弱性影響較為明顯[1]。近些年來(lái)對(duì)于地下水脆弱性評(píng)估取得一定研究成果[2-5]，這些研究成果中大都通過(guò)建立灰色聚類模型，依托于地下水脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系，對(duì)區(qū)域地下水脆弱性進(jìn)行綜合評(píng)估。但傳統(tǒng)灰色聚類模型在評(píng)估指標(biāo)權(quán)重上存在一定的主觀性，使得其評(píng)估結(jié)果存在一定的主觀性，評(píng)估結(jié)果客觀性不強(qiáng)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)有學(xué)者針對(duì)傳統(tǒng)灰色聚類模型指標(biāo)權(quán)重主觀的局限性，對(duì)其指標(biāo)權(quán)重計(jì)算方法進(jìn)行了改進(jìn)，并在國(guó)內(nèi)一些區(qū)域水資源脆弱性綜合評(píng)估中得到具體應(yīng)用[6-15]，應(yīng)用效果均表明改進(jìn)的灰色聚類模型相比于改進(jìn)前對(duì)區(qū)域水資源脆弱性綜合評(píng)估結(jié)果更為合理、客觀。

1 改進(jìn)的灰色聚類模型

改進(jìn)的灰色聚類模型通過(guò)建立不同等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算公式進(jìn)行地下水脆弱性綜合評(píng)估計(jì)算：

(1)

式中，ujk—地下水脆弱性評(píng)估指標(biāo)不同等級(jí)的聯(lián)系分量，按照[fj，fj+1]將不同等級(jí)評(píng)價(jià)進(jìn)行閾值劃分，不同等級(jí)各類評(píng)價(jià)指標(biāo)灰類系數(shù)在其權(quán)重系數(shù)確定的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)算：

(2)

式中，xjk—不同評(píng)價(jià)等級(jí)對(duì)應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)；n、m—不同評(píng)價(jià)對(duì)象對(duì)應(yīng)指標(biāo)數(shù)目。對(duì)灰色聚類系數(shù)進(jìn)行歸一化計(jì)算：

(3)

對(duì)不同評(píng)估指標(biāo)下權(quán)重系數(shù)綜合值進(jìn)行計(jì)算。權(quán)重指標(biāo)綜合值采用AHP方法進(jìn)行分析，該方法首先對(duì)各指標(biāo)權(quán)重采用熵值法進(jìn)行計(jì)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(jì)算方程為：

(4)

在進(jìn)行不同指標(biāo)權(quán)重差值計(jì)算的基礎(chǔ)上對(duì)其綜合權(quán)重進(jìn)行計(jì)算：

w″=aw+βw′

(5)

式中，a—各指標(biāo)分配權(quán)重；β—墑值計(jì)算。對(duì)兩種權(quán)重進(jìn)行一致性分析進(jìn)行組合計(jì)算：

d(w，w′)2=(a-β)2

(6)

結(jié)合不同評(píng)價(jià)指標(biāo)在確定模型權(quán)重后進(jìn)行不同區(qū)域地下水脆弱度綜合評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算：

(7)

對(duì)不同指標(biāo)計(jì)算值分別進(jìn)行集中度、離散度以及協(xié)調(diào)度的綜合分析計(jì)算：

①集中程度計(jì)算：

(8)

式中，ECi—計(jì)算指標(biāo)檢驗(yàn)的集中程度；P—集中程度系數(shù)；Ei—檢驗(yàn)期望值；nij—評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)目。

②離散程度計(jì)算：

(9)

式中，δi—第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)離散度。

③協(xié)調(diào)度計(jì)算：

學(xué)生全景：當(dāng)學(xué)生起立回答問(wèn)題或者有水平移動(dòng)的時(shí)候，錄制畫(huà)面會(huì)切換為學(xué)生全景。全景畫(huà)面一般時(shí)間比較短，幾秒鐘之后切換到其他畫(huà)面。

(10)

式中，Vi—指標(biāo)檢驗(yàn)協(xié)調(diào)度。

2 實(shí)例分析

2.1 研究區(qū)域概況

以遼寧地區(qū)大凌河流域?yàn)榫唧w實(shí)例，結(jié)合流域內(nèi)建平、北票、黑山、北鎮(zhèn)為4個(gè)計(jì)算片區(qū)，各片區(qū)地下水資源概況見(jiàn)表1。

表1 各片區(qū)地下水資源概況

2.2 指標(biāo)檢驗(yàn)

從地下水埋深、地下水補(bǔ)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(xiàng)指標(biāo)建立地下水脆弱性評(píng)估指標(biāo)體系，并分析采用改進(jìn)前后灰色聚類模型對(duì)指標(biāo)的集中度、離散度、協(xié)調(diào)度進(jìn)行指標(biāo)檢驗(yàn)，對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 改進(jìn)前后模型計(jì)算指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從改進(jìn)前后模型各地下水脆弱性評(píng)估指標(biāo)的集中度、離散度以及協(xié)調(diào)度檢驗(yàn)指標(biāo)對(duì)比結(jié)果可看出，改進(jìn)前后灰色聚類模型下各評(píng)估指標(biāo)集中度在2.0～5.0之間，評(píng)估指標(biāo)具有較好的集中度，相比于改進(jìn)前的灰色聚類模型，改進(jìn)后模型下地下水脆弱性評(píng)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(píng)估指標(biāo)離散度檢驗(yàn)值可看出，改進(jìn)前后模型下其指標(biāo)的離散度均低于1.0，相比改進(jìn)前，改進(jìn)后的灰色聚類模型下各評(píng)估指標(biāo)離散度相比于改進(jìn)前均有所降低，評(píng)估指標(biāo)的聚類程度有所改善。從改進(jìn)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(píng)估指標(biāo)的協(xié)調(diào)度在0.6～0.9之間，滿足評(píng)估指標(biāo)協(xié)調(diào)度檢驗(yàn)值低于1.0的要求，相比于改進(jìn)前模型，改進(jìn)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(jìn)前的灰色聚類模型，改進(jìn)后模型各評(píng)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?yàn)楦倪M(jìn)的灰色聚類模型對(duì)各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行綜合計(jì)算，解決傳統(tǒng)模型權(quán)重計(jì)算單一的局限，提高其指標(biāo)評(píng)估求解的收斂度，使得其評(píng)估指標(biāo)各檢驗(yàn)特征值有所改善。

2.3 現(xiàn)狀年地下水脆弱性評(píng)價(jià)

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

表3 現(xiàn)狀年各片區(qū)地下水脆弱性評(píng)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(píng)估結(jié)果

從各片區(qū)地下水脆弱性評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重計(jì)算結(jié)果可看出，各片區(qū)地下水脆弱性評(píng)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(bǔ)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(bǔ)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(bǔ)給量也相對(duì)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(duì)地下水資源脆弱性影響程度相對(duì)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(duì)各類評(píng)估指標(biāo)綜合權(quán)重確定的基礎(chǔ)上，對(duì)各指標(biāo)的聯(lián)系度分量進(jìn)行計(jì)算，對(duì)各片區(qū)地下水脆弱性評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，北鎮(zhèn)地下水脆弱性指數(shù)在各片區(qū)中最低，經(jīng)評(píng)估其地下水資源處于非常脆弱的程度，這主要是因?yàn)楸辨?zhèn)地下水資源補(bǔ)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(píng)估指數(shù)分別為0.2755和0.1955，經(jīng)評(píng)估其地下水資源處于脆弱的程度，而北票由于近些年來(lái)加大了區(qū)域地下水資源保護(hù)力度，地下水開(kāi)采量明顯減少，并通過(guò)地下水回灌等方式加大了區(qū)域地下水補(bǔ)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(píng)估為不脆弱的程度。

2.4 遠(yuǎn)景年地下水脆弱性評(píng)價(jià)

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

表6 遠(yuǎn)景年各片區(qū)地下水脆弱性綜合評(píng)估結(jié)果

從遠(yuǎn)景年各片區(qū)地下水脆弱性綜合評(píng)估結(jié)果可看出，相比于現(xiàn)狀年，通過(guò)增加其地下水補(bǔ)水量，降低地下水開(kāi)采量，提高導(dǎo)水系數(shù)等措施后，各片區(qū)遠(yuǎn)景年下地下水脆弱性綜合評(píng)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(píng)價(jià)為不脆弱，建平和黑山片區(qū)在遠(yuǎn)景年經(jīng)評(píng)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(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)，可以對(duì)其不同年份地下水脆弱性進(jìn)行時(shí)空分布的評(píng)估，從而為區(qū)域地下水保護(hù)規(guī)劃提供參考價(jià)值。

3 結(jié)論

(1)在采用改進(jìn)的灰色聚類模型進(jìn)行區(qū)域地下水資源脆弱性綜合評(píng)估時(shí)，可采用層次分析方法對(duì)其評(píng)估指標(biāo)的聯(lián)系度分量進(jìn)行計(jì)算，提高各評(píng)估指標(biāo)聯(lián)系度分量計(jì)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(píng)估的關(guān)鍵指標(biāo)，導(dǎo)水系數(shù)可通過(guò)在不同分區(qū)進(jìn)行地下水抽水試驗(yàn)，通過(guò)水量分析確定其地下水分區(qū)的導(dǎo)水系數(shù)。

(3)本文對(duì)地下水資源脆弱性綜合評(píng)估指標(biāo)只考慮了水量的脆弱性，對(duì)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(píng)估指標(biāo)進(jìn)行綜合分析。