丹东市海水入侵程度评价

姜 丹

(辽宁省丹东水文局,辽宁 丹东 118000)

受土壤岩性、地质构造、含水层补给条件和渗透性等水文地质因素影响,海水入侵过程较为复杂[1]。目前,评价海水入侵程度与范围的方法主要有数值模拟、野外调查和数学模型法等[2-5]。其中,数值模拟在处理复杂边界条件和建立复杂含水层结构时需要大量的高精度数据资料,而数据资料的缺失通常会限制其应用;野外调查法需要长期观测目标,耗时长且投入地下水三维动态监测网的成本高;数学模型主要是利用数学建模来揭示海水入侵规律、范围以及盐分浓度分布变化特征,由于需要考虑人类活动和自然条件,建模难度大而复杂。另外,在人为因素和自然条件双重影响下,地下水系统具有高度随机性、非线性和复杂性等特征,使完全预测分析和定量评价海水入侵程度难度更高。实际上,当完全定量评价预测和构建实际模型比得到一个海水入侵程度评价结果更重要时,综合考虑定量计算与定性分析的数学方法逐渐成为解决问题的有效途径[6]。

目前,评价分析海水入侵的方法主要有模糊数学法、数理统计法以及单一指标法等[7-9]。在使用过程中这些方法都存在一定的不足,如模糊数学法主要是利用超标比计算各参评指标权重,待评价样本较多时计算量过大;数理统计法具有较大波动,样本数据直接决定了分析结果;单一指标法考虑因素较少,评价结果存在较大不确定性和片面性。因融合了属性识别模型有序分割的优点和熵权法客观赋权的特点,熵权属性识别法可有效解决最大隶属度原则分类不清和主观赋权偏差的问题,该方法能够更加稳定全面地反映海水入侵状况[10]。

丹东市地处辽东半岛东南部的鸭绿江畔,属典型海水入侵区之一,然而研究分析丹东市海水入侵现状的较少。因此,文章结合丹东市海滨地区地下水化学成分监测数据和野外调查结果,采用钠吸附比SAR、咸化系数A、硫酸根SO42-、溶解性固体TDS、氯离子Cl-指标和熵权属性识别法评价丹东市海水入侵程度,通过与氯离子单指标法计算结果对比验证熵权属性识别法准确性与可行性,以期为区域地下水合理开发利用以及海水入侵的科学防治提供参考。

1 研究方法

1.1 区域概况

研究区按行政分区为东港市和振兴区,按流域分区属鸭绿江干流及辽东沿海区域,属于辽东山地南坡,地势北高南低,依次为中低山、丘陵和平原,呈阶梯状分布,总面积2444.6km2。东港市及振兴区为半湿润暖湿带大陆性季风气候,东港市降水时空分布极不均匀,年均降水与径流深分别为893.0mm和449.9mm;振兴区属鸭绿江干流区域,年均降水与径流深分别为992.2mm和547.9mm,均高于东港市[11-13]。

东港市及振兴区地层属辽南分区东延的一小部分和辽东分区营口～丹东小区大部分。研究区内以第四纪地层松散岩堆积物孔隙水为主,分布于振兴区安民镇至东港市椅圈镇及刁家坝、廉家坝水库下的大部平原区,椅圈一带还有地下热水分布。冲积平原区含水层厚度为4～20m,岩性主要为砂卵石、砾石,表层岩性为淤泥质亚黏土。地下水埋藏深度南部一般为0.5～1.5m,沼泽凹地<0.5m,北部一般在1.5～2.5m,个别地段>2.5m,汛期在沿海一带地下水受降雨和海潮顶托的影响,埋藏深度接近地表。地下水补给主要是大气降水和灌溉水,除地下径流方式排入黄海和各排水沟道外,垂直蒸发排泄也是重要途径。全区地下水流向总的趋势与地表水一致,沿海平原自北向南流动[14]。

1.2 测试方法

为揭示东港市及振兴区地下水化学特征,本研究于2020年8月沿海岸线垂直方向对潜水含水层采集60组水样,采样深度1～20m。

根据《地下水质监测方法》现场使用多参数水质分析仪和滴定法测定溶解性总固体TDS、HCO3-,在实验室利用ICS-2100离子色谱仪测定SO42-、Cl-、Ca2+、Mg2+、Na+等离子,测试精度和检测限为1%、1mg/L。经计算,各组水样阴阳离子平衡误差≤5%,可以用于地下水化学特征分析,测试参数如表1所示。

表1 地下水化学特征参数值(N=73)

2 结果与分析

2.1 熵权属性识别

2.1.1 确定评价指标

评价指标的合理选取是客观全面地反映海水入侵状况的关键环节,依据地下水化学特征确定变异系数超过1的参数有SO42-、Cl-、Na+以及TDS,说明具有较大空间变异性;变异系数接近1的有HCO3-、Ca2+以及Mg2+,说明具有较明显的空间变异性,且随着海岸带距离的减小以上化学成分浓度呈渐进减小或增大的变化特征,可以在一定程度上反映海水入侵程度差异。另外,本研究综合考虑阳离子交替吸附作用及地下水化学成分受海水入侵影响的混合作用,合理选择了SAR、A、SO42-、TDS和Cl-五个典型指标。

2.1.2 构造属性分类标准矩阵

设待评判样本空间为X,从样本空间中选取n个样本测量m个指标G1、G2、…、Gm,xij代表待评判样本i的第j项指标测量值,所以每个样本都存在向量xi=(xi1,xi2,…,xim),i的取值范围1～n,由n个样本组成的空间矩阵可以表示成R:

(1)

由于采集的潜水含水层水样较多有60组,受文章篇幅限制仅列出了研究区地下水18个水样的空间矩阵,如表2所示。

设X上某类属性空间F的有序分割类为C1、C2、…、Ck,并符合C1

(2)

式中:ajk为属性空间F上第j个指标的第k项分割值,且符合aj1>aj2>…>ajk或aj1

表3 海水入侵参评指标代表值与等级范围

采用距离判别法计算确定代表值,并将海水入侵程度划分成严重(Ⅲ级)、轻度(Ⅱ级)和无入侵(Ⅰ级),按照公式(2)确定属性分类标准矩阵,具体如下:

(3)

2.1.3 计算指标权重

熵可以反映数据信息的效能、有序度以及系统的无序程度,在计算过程中熵权法考虑了数据自身信息,能够避免主观因素的干扰保证权重计算的客观真实性,计算流程如下:

步骤1:为消除各指标单位或数量级差异带来的不可通透性,必须先归一化处理样本空间矩阵R,即:

(4)

式中:xmin、xmax为所有样本中同一指标的最小和最大值,将实测值进行归一化处理后可以构建判断矩阵B:

(5)

步骤2:根据熵的内涵可以确定各参评指标的熵Hj和熵权W,具体表达式如下:

(6)

(7)

采用公式(6)～(7)计算确定海水入侵程度各参评指标的熵值Hj=(0.9982,0.9962,0.9982,0.9962,0.9980)及权重ωj=(0.2310,0.1885,0.1908,0.1621,0.2276)。

2.1.4 属性测度与识别属性

属性测度反映了属性Ck条件下地下水样i的第j项指标测量值xij的隶属程度,按属性分类标准则有aj1

(8)

根据各指标权重ωj和属性测度μijk计算结果可以确定所有地下水样的综合属性测度μik,计算公式如下:

(9)

一般地,置信度λ取值区间为0.60～0.75,文中取0.65,遵循置信度准利用公式(10)计算ki值:

(10)

以公式(10)为条件确定k值,最终可以判定xi隶属于Cki类。海水入侵的等级特征值qxi参照属性识别评分规则进行计算,等级特征值越大则入侵程度越低,具体表达为:

(11)

式中:nt为属性集Ct的分支,nt=K+1-t,nt值随t的增大逐渐减少,结合qxi计算结果可以对xi比较与排序。采用公式(8)～(11)计算确定各水样的属性测度μijk、入侵等级及其对应的特征值qxi,并结合qxi计算植比较和排列同一等级水样入侵程度,如表5所示。

表5 海水入侵等级及属性测度

续表5 海水入侵等级及属性测度

结果表明,熵权属性识别法不仅能够比较同等级水样的入侵程度,还可以客观反映海水入侵程度。等级特征值越小则海水入侵程度越高,虽然DG2和GD27都达到Ⅱ级(轻度入侵),但DG27特征值2.071高于DG2的1.815,所以认为GD2的入侵程度略高于GD27,这主要与两者的SAR值存在明显差异有关,DG2和DG27水样的SAR值分别为23.18、1.76,这说明DG2高于DS27水样的Na+相对比值,DG2水样具有更强的阳离子交替吸附作用,地下水中的Na+逐渐替代Mg2+、Ca2+,所以熵权属性识别法能够保证海水入侵程度评价的科学合理性。

2.2 结果对比分析

通过与氯离子单指标法计算结果的对比验证熵权属性识别法准确性和有效性,如图1所示。结果表明,氯离子单指标法和熵权属性识别法评价的无入侵水样占比分别为85.75%、71.67%,两种方法评价的轻度入侵水占比比为9.25%与23.33%,严重入侵水样占比都为5.00%。因此,氯离子单指标法和熵权属性识别法评价结果基本一致,特别是严重入侵评定结果相同,而无入侵和轻度入侵存在一定差异。具体而言,对于海水入侵等级评价熵权属性识别法较高,有32%的水样被熵权属性识别法评定为Ⅱ级,而氯离子单指标法评价为Ⅰ级。虽然评价等级不同的水样(如DG1、DG7、ZX3)Cl-处于250mg/L(Ⅰ级标准)以内,但其A值或SAR值处于轻度入侵水平(A>1、SAR>2),个别水样(如DG2、ZX17)的A值或SAR值处于严重入侵水平(A>3.5、SAR>6.5),说明咸淡水混合作用或阳离子交替吸附作用已经在不同程度上影响着这些水样,表现出典型的咸淡水过渡带特点,所以充分考虑各评价样本信息的熵权属性识别法能够更加准确可靠地评价海水入侵程度。

图1 海水入侵等级百分比

根据氯离子单指标法计算的Cl-浓度值和熵权属性识别法评定的入侵等级特征值qxi,研究分析海水入侵分布特征。结果表明,两种方法评定的严重入侵集中分布于孤山镇刘大房-椅圈镇于家村-东港市新兴区一带,主要位于地下水位负值区以及距离海岸带较近约5km的海水养殖区,研究认为该区域海水入侵受海水养殖、地下水超采等影响不断加剧,地下水入侵较严重。两种方法评定的轻度入侵区集中分布于黄土坎镇栾家村-胜利村-孤山镇祝家沟-前阳工业区一带,主要位于距离海岸带约10km处,地下水受人为开采影响出现负值区,海水逐渐向内陆入侵,如图2所示。另外,河道采砂和海洋潮汐作用对河口地段入侵影响较大,沿河道方向出现海水上溯侵染的情况。

(a)熵权属性识别法 (b)氯离子单指标法

综上分析,氯离子单指标法和熵权属性识别法计算结果对应关系相同,后者更能反映海水入侵分布的实际情况,东港市及振兴区主要为轻度入侵,个别地段出现严重入侵,河口上溯、河道采砂、海水养殖和地下水过量开采等因素共同导致了研究区海水入侵灾害,但各入侵区的主导因素存在一定差异,人为活动、阳离子交替吸附作用以及咸淡水的机械混合作用等共同导致了入侵区地下水化学成分的改变。

3 结 论

1)采用五项指标和熵权属性识别法评价丹东市海水入侵程度,结果表明从小到大各指标权重为SO42-

2)研究区主要为轻度入侵,个别地段出现严重入侵,其中达到严重的采样点占比为5.00%,集中分布于孤山镇刘大房-椅圈镇于家村-东港市新兴区一带,主要位于地下水位负值区以及距离海岸带较近约5km的海水养殖区;轻度入侵的采样点占比为23.33%,集中分布于黄土坎镇栾家村-胜利村-孤山镇祝家沟-前阳工业区一带,主要位于距离海岸带约10km处。