丹東市海水入侵程度評價

姜 丹

(遼寧省丹東水文局,遼寧 丹東 118000)

受土壤巖性、地質構造、含水層補給條件和滲透性等水文地質因素影響,海水入侵過程較為復雜[1]。目前,評價海水入侵程度與范圍的方法主要有數值模擬、野外調查和數學模型法等[2-5]。其中,數值模擬在處理復雜邊界條件和建立復雜含水層結構時需要大量的高精度數據資料,而數據資料的缺失通常會限制其應用;野外調查法需要長期觀測目標,耗時長且投入地下水三維動態監測網的成本高;數學模型主要是利用數學建模來揭示海水入侵規律、范圍以及鹽分濃度分布變化特征,由于需要考慮人類活動和自然條件,建模難度大而復雜。另外,在人為因素和自然條件雙重影響下,地下水系統具有高度隨機性、非線性和復雜性等特征,使完全預測分析和定量評價海水入侵程度難度更高。實際上,當完全定量評價預測和構建實際模型比得到一個海水入侵程度評價結果更重要時,綜合考慮定量計算與定性分析的數學方法逐漸成為解決問題的有效途徑[6]。

目前,評價分析海水入侵的方法主要有模糊數學法、數理統計法以及單一指標法等[7-9]。在使用過程中這些方法都存在一定的不足,如模糊數學法主要是利用超標比計算各參評指標權重,待評價樣本較多時計算量過大;數理統計法具有較大波動,樣本數據直接決定了分析結果;單一指標法考慮因素較少,評價結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點和熵權法客觀賦權的特點,熵權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偏差的問題,該方法能夠更加穩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,屬典型海水入侵區之一,然而研究分析丹東市海水入侵現狀的較少。因此,文章結合丹東市海濱地區地下水化學成分監測數據和野外調查結果,采用鈉吸附比SAR、咸化系數A、硫酸根SO42-、溶解性固體TDS、氯離子Cl-指標和熵權屬性識別法評價丹東市海水入侵程度,通過與氯離子單指標法計算結果對比驗證熵權屬性識別法準確性與可行性,以期為區域地下水合理開發利用以及海水入侵的科學防治提供參考。

1 研究方法

1.1 區域概況

研究區按行政分區為東港市和振興區,按流域分區屬鴨綠江干流及遼東沿海區域,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。東港市及振興區為半濕潤暖濕帶大陸性季風氣候,東港市降水時空分布極不均勻,年均降水與徑流深分別為893.0mm和449.9mm;振興區屬鴨綠江干流區域,年均降水與徑流深分別為992.2mm和547.9mm,均高于東港市[11-13]。

東港市及振興區地層屬遼南分區東延的一小部分和遼東分區營口～丹東小區大部分。研究區內以第四紀地層松散巖堆積物孔隙水為主,分布于振興區安民鎮至東港市椅圈鎮及刁家壩、廉家壩水庫下的大部平原區,椅圈一帶還有地下熱水分布。沖積平原區含水層厚度為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,垂直蒸發排泄也是重要途徑。全區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[14]。

1.2 測試方法

為揭示東港市及振興區地下水化學特征,本研究于2020年8月沿海岸線垂直方向對潛水含水層采集60組水樣,采樣深度1～20m。

根據《地下水質監測方法》現場使用多參數水質分析儀和滴定法測定溶解性總固體TDS、HCO3-,在實驗室利用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。經計算,各組水樣陰陽離子平衡誤差≤5%,可以用于地下水化學特征分析,測試參數如表1所示。

表1 地下水化學特征參數值(N=73)

2 結果與分析

2.1 熵權屬性識別

2.1.1 確定評價指標

評價指標的合理選取是客觀全面地反映海水入侵狀況的關鍵環節,依據地下水化學特征確定變異系數超過1的參數有SO42-、Cl-、Na+以及TDS,說明具有較大空間變異性;變異系數接近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成分濃度呈漸進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-五個典型指標。

2.1.2 構造屬性分類標準矩陣

設待評判樣本空間為X,從樣本空間中選取n個樣本測量m個指標G1、G2、…、Gm,xij代表待評判樣本i的第j項指標測量值,所以每個樣本都存在向量xi=(xi1,xi2,…,xim),i的取值范圍1～n,由n個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地下水18個水樣的空間矩陣,如表2所示。

設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個指標的第k項分割值,且符合aj1>aj2>…>ajk或aj1

表3 海水入侵參評指標代表值與等級范圍

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

(3)

2.1.3 計算指標權重

熵可以反映數據信息的效能、有序度以及系統的無序程度,在計算過程中熵權法考慮了數據自身信息,能夠避免主觀因素的干擾保證權重計算的客觀真實性,計算流程如下:

步驟1:為消除各指標單位或數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的最小和最大值,將實測值進行歸一化處理后可以構建判斷矩陣B:

(5)

步驟2:根據熵的內涵可以確定各參評指標的熵Hj和熵權W,具體表達式如下:

(6)

(7)

采用公式(6)～(7)計算確定海水入侵程度各參評指標的熵值Hj=(0.9982,0.9962,0.9982,0.9962,0.9980)及權重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項指標測量值xij的隸屬程度,按屬性分類標準則有aj1

(8)

根據各指標權重ωj和屬性測度μijk計算結果可以確定所有地下水樣的綜合屬性測度μik,計算公式如下:

(9)

一般地,置信度λ取值區間為0.60～0.75,文中取0.65,遵循置信度準利用公式(10)計算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則進行計算,等級特征值越大則入侵程度越低,具體表達為:

(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,結合qxi計算結果可以對xi比較與排序。采用公式(8)～(11)計算確定各水樣的屬性測度μijk、入侵等級及其對應的特征值qxi,并結合qxi計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

續表5 海水入侵等級及屬性測度

結果表明,熵權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都達到Ⅱ級(輕度入侵),但DG27特征值2.071高于DG2的1.815,所以認為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,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+,所以熵權屬性識別法能夠保證海水入侵程度評價的科學合理性。

2.2 結果對比分析

通過與氯離子單指標法計算結果的對比驗證熵權屬性識別法準確性和有效性,如圖1所示。結果表明,氯離子單指標法和熵權屬性識別法評價的無入侵水樣占比分別為85.75%、71.67%,兩種方法評價的輕度入侵水占比比為9.25%與23.33%,嚴重入侵水樣占比都為5.00%。因此,氯離子單指標法和熵權屬性識別法評價結果基本一致,特別是嚴重入侵評定結果相同,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熵權屬性識別法較高,有32%的水樣被熵權屬性識別法評定為Ⅱ級,而氯離子單指標法評價為Ⅰ級。雖然評價等級不同的水樣(如DG1、DG7、ZX3)Cl-處于250mg/L(Ⅰ級標準)以內,但其A值或SAR值處于輕度入侵水平(A>1、SAR>2),個別水樣(如DG2、ZX17)的A值或SAR值處于嚴重入侵水平(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在不同程度上影響著這些水樣,表現出典型的咸淡水過渡帶特點,所以充分考慮各評價樣本信息的熵權屬性識別法能夠更加準確可靠地評價海水入侵程度。

圖1 海水入侵等級百分比

根據氯離子單指標法計算的Cl-濃度值和熵權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。結果表明,兩種方法評定的嚴重入侵集中分布于孤山鎮劉大房-椅圈鎮于家村-東港市新興區一帶,主要位于地下水位負值區以及距離海岸帶較近約5km的海水養殖區,研究認為該區域海水入侵受海水養殖、地下水超采等影響不斷加劇,地下水入侵較嚴重。兩種方法評定的輕度入侵區集中分布于黃土坎鎮欒家村-勝利村-孤山鎮祝家溝-前陽工業區一帶,主要位于距離海岸帶約10km處,地下水受人為開采影響出現負值區,海水逐漸向內陸入侵,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,沿河道方向出現海水上溯侵染的情況。

(a)熵權屬性識別法 (b)氯離子單指標法

綜上分析,氯離子單指標法和熵權屬性識別法計算結果對應關系相同,后者更能反映海水入侵分布的實際情況,東港市及振興區主要為輕度入侵,個別地段出現嚴重入侵,河口上溯、河道采砂、海水養殖和地下水過量開采等因素共同導致了研究區海水入侵災害,但各入侵區的主導因素存在一定差異,人為活動、陽離子交替吸附作用以及咸淡水的機械混合作用等共同導致了入侵區地下水化學成分的改變。

3 結 論

1)采用五項指標和熵權屬性識別法評價丹東市海水入侵程度,結果表明從小到大各指標權重為SO42-

2)研究區主要為輕度入侵,個別地段出現嚴重入侵,其中達到嚴重的采樣點占比為5.00%,集中分布于孤山鎮劉大房-椅圈鎮于家村-東港市新興區一帶,主要位于地下水位負值區以及距離海岸帶較近約5km的海水養殖區;輕度入侵的采樣點占比為23.33%,集中分布于黃土坎鎮欒家村-勝利村-孤山鎮祝家溝-前陽工業區一帶,主要位于距離海岸帶約10km處。