基于模糊数学评判法对福建省晋江市海水入侵现状评价

邱伟鹏，黄耀裔,苏建云

( 泉州师范学院 资源与环境科学学院,福建 泉州 362000)



基于模糊数学评判法对福建省晋江市海水入侵现状评价

邱伟鹏，黄耀裔,苏建云

( 泉州师范学院 资源与环境科学学院,福建 泉州 362000)

海水入侵在评价过程中存在隶属度和多指标运算规则选取等问题，将动态/变权法赋权与模糊数学相结合，建立模糊数学评判法，将其应用于福建省晋江市海水入侵现状评价中，并利用秩相关选取最优评价模型，同时结合GIS技术与地统计技术，绘制出研究区“取小取大”型海水入侵现状评价数字地面模型，分析海水入侵影响区域与入侵程度，可为有关部门有针对性防范海水入侵防范参考.

模糊数学评判法；海水入侵；秩相关；晋江市

海岸带作为海洋和陆地交互的中间过渡带，是陆海两类社会经济的汇集地，被称为经济的“黄金地带”.随着自然和人为因素的影响，特别是人为过度开采地下水，造成海岸带的地下水水位下降，破坏淡水—海水平衡，导致海水或沿海含水层向陆地方向运移，使得海水入侵成为沿海地区的一项重大的渐发性地质灾害，可能导致土壤盐碱化，淡水资源缺乏，水田面积变少，荒地增加等生态环境问题.经调查研究发现，目前世界上许多沿海国家正遭受着不同程度的海水入侵危害，我国也不例外，于1964年最早在大连市发现海水入侵灾害，入侵面积达223.5 km2，年均入侵速度达6.6 km2，随着环境破坏，我国东南沿海地区均出现不同程度的海水入侵，据中国国家海洋局对我国沿海海平面30年监测数据显示其沿海海平面总体上升了9 cm，福建省也上升了5～6 cm，与此同时过度开采沿海海岸带浅层地下淡水，导致海水倒灌，侵染了滨海淡水层，加剧了海水入侵的速度，使得了解当前海水入侵现状尤为重要[1-3].对海水入侵现状评价可以在一定程度上了解其灾害程度，但目前对海水入侵评价以单指标评价(如Cl-，TDS等)居多，如以Cl-浓度为250 mg/L作为判断海水入侵分界[4]；TDS等于2.0 g/ L作为咸淡水界值[5]等等，但由于单一指标的海水入侵现状评价有可能会忽略个中差异，影响评价结果的准确性，而利用多指标进行综合评价则可以在一定程度上克服上述缺陷.

随着数学理论的不断完善与发展，其应用领域正逐渐扩大，目前对于海水入侵的综合评价数学方法有单指标法、灰色聚类法、模糊数学评判法、集对分析法等等[6]，每种方法都有各自的优点与不足.而模糊数学评判法作为一种比较成熟的评价方法，在大气、地表水、地下水综合评价[7-9]有较广泛的应用.为了贯彻《国务院关于印发中国应对气候变化国家方案的通知》，了解福建省晋江市的海水入侵的现状以及空间分布状况，本文运用模糊数学评判法结合GIS技术对其海水入侵进行评价，试图从空间视角了解目前该地区海水入侵现状，为今后的防治对策提供参考.

1 研究区概况与样品采集

1.1 研究区概况

晋江市(24°30′-24°54′N，118°24′-118°43′E)地处中国福建省东南沿海的晋江流域南岸，东与石狮市接壤，东面濒临台湾海峡，西与南安市交界，北与泉州鲤城区相邻，南与金门岛隔海相望，海域面积6345 km2，海岸线长达110 km，域内有深沪湾、围头湾、东石口岸.是全省经济最为发达的地区之一，经济总量位于福建省县级市第一位.其地下水含水岩组的形成、分布等水文地质条件均受区域地质、地貌、气候、水文等自然地理因素的影响，其中地层主要以第4系地层为主，地层较发育，分布广，占全区79%左右，第4系地层按成因可分为残坡积层、海积层、冲洪积层和风积层，由更新统龙海组(Q3l)、全新统长乐组(Q4c)及时代未分的残坡积层组成：龙海组以冲洪积层为主，为海积层和风积层不整合于基岩之上，岩性为砂质粘土，粘砂土、中细砂；长乐组有海积层、冲洪积层、风积层组成，岩性为淤泥、砂及卵砾石；残坡积层，遍布全区，占43%，岩性为粘土、砂粘土等[10].同时根据《福建省晋江市地下水资源调查评价报告》，晋江市地下水可开采量为3786.42×104m3，现状用水量为6536.78×104m3，超采量为2750.36×104m3，开采程度为172.6%，说明晋江市地下水超采严重，增加了海水入侵灾害几率[11].

图1 海水入侵采样监测图

1.2 样品采集测试

2 模糊数学评判法

模糊数学综合评判法是基于模变换糊集合运算理论，对受多种因素影响或对边界不清、不易定量的因素做出全面评价的定量化综合评价方法.根据海水入侵特点选择相应指标和权重，利用最大隶属度原则结合模糊动态赋权考虑级别间的联系的模糊性进行评价等级结果确定.方法由以下几个步骤组成：

2.1 评价指标确定

2.2 评价集合与评价标准确定

选取评价区有代表性的海水入侵指标作为模糊因素集合，定义为：U = { u1，u2，…，ui，…，un}，( i = 1，2，3，…，n) ，其中ui代表第i个海水入侵指标.定义V为海水入侵评价指标分级的集合，定义表达式为：V = { v1，v2，…，vj，…，vm} ，其中vj为评价的第j个评价等级标准，根据标准最终将海水入侵程度划分为4个等级并建立评语集V ={ v1，v2，v3，v4} ={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}.构建海水入侵评价标准[5,15]，详见表1.

表1 海水入侵评价标准

2.3 隶属函数构造和评价矩阵建立

隶属函数是各单项评价指标评判依据，各单项评价指标又是多因素模糊综合评判基础，通过海水入侵评价隶属度函数可使海水入侵灾害评价过程中Ⅰ-Ⅳ类评价指标隶属关系确定，确定公式如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

公式(1)-(4)中：Si1，Si2，Si3，Si4分别为对应海水入侵标准中的Ⅰ-Ⅳ级标准限值.xi为研究区样点指标实测值；fi1、fi2、fi3、fi4为相应属于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类指标隶属度值.由隶属度构建模糊评判矩阵F，

2.4 权重矩阵确定

考虑到各个评价因子对海水入侵评价中的作用、贡献、影响即重要性程度不同，不同权重会对评价结果有不同程度的影响，因此，对其进行权重计算是很有必要的.本文主要采用污染贡献率法确定权重，该法是一种动态/变权法赋权，可突出主要污染指标的影响又考虑单个污染指标对环境的综合影响.权重计算见下式得到各指标的权重模糊集W.

wi=xi/Si

(5)

(6)

上式中，xi为研究区样点对应指标测值；Si为海水入侵标准中对应指标的Ⅰ-Ⅳ级标准限值平均值；wi为归一化处理得到的海水入侵指标权重值.

表2 不同模糊数学评判法的评价等级

2.5 模糊综合评判法评价

模糊变换的综合评判可通过权重集W和评判矩阵F得到评价等级模糊综合关系的隶属度矩阵Y，

Y=W⊙F=(c1,c2,…,cj) (7)

注：(在置信度(双测)为0.01 时，**呈现出极显著相关)

最后根据隶属度最大原则确定评价等级结果.在Y中取max(Y)其所对应的V ={v1，v2，v3，v4} ={Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ}评语集作为该采样点海水入侵模糊综合评判结果.

3 晋江市海水入侵综合评价结果分析

图2 海水入侵综合评价数字模型

对模糊数学评判法的4种模糊算子的运算，根据最大隶属度原则，确定

评价结果见表2所示，通过秩相关分析“取小取大”、“相乘取大”、“取小相加”、“相乘相加”4者的秩相关系数分别为：0.813,0.843,0.711，0.444,0.672，在置信度(双测)为0.01 时，呈现出极显著相关(见表2).表明采用模糊数学评判法的4种运算规则进行海水入侵评价均为可行，其中“取小取大”与“相乘取大”的秩相关系数最大，说明这两种方法在研究区海水入侵评价优于其它两种，但由于“取小取大”运算规则去除了隶属度和权重指标中的重复因素，先取小避免了指标隶属度与权重的重复考虑，突显极值的作用，较相乘取大避免过度突出极值的作用，因此确定取小取大运算规则的模糊数学评判法为最优模糊数学评价方法[8].

地理信息技术(Geographic Information System，GIS)作为计算机辅助手段用于地下水的分析评价是一种很好的辅助手段.引入地统计结合GIS技术，在GIS地理信息系统软件中以评价等级作为点数据图层的属性字段，再利用地统计分析插值模块构建可视化的海水入侵综合评价数字模型.通过GIS软件绘制海水入侵评价数字地面模型(图2)对研究区进行结果分析，研究区海水入侵趋势由沿海往内陆逐渐下降，整个研究区无Ⅳ级(严重入侵)，评价等级处于Ⅲ级(较严重侵染)主要分布于邻接围头湾、深沪湾和台湾海峡的东石镇、英林镇、金井镇、深沪镇、龙湖镇的海岸带以及邻接泉州湾的池店镇、陈埭镇、西滨镇的沿海带，占整个研究区面积的8.9%；由沿海往内陆评价等级为II级(轻度浸染)，占整个研究区面积的35.7%，往内为Ⅰ级评价等级(无影响或淡水)，占整个研究区面积的55.4%.说明整个研究区的海岸带处于轻度海水入侵.为了进一步有效防止晋江市海水入侵的继续恶化，应该加强地下水管理与调控，采取有效措施，防止地下水超采和乱采，完善地下水开发利用和保护规划，明确各镇街道的地下水开发总量和开发方式，建立地下水动态监测和监督管理体系，尽快实施红黄蓝分区管理等.

4 结 语

模糊数学综合评判法在解决海水入侵评价中的分类标准等模糊概念的不确定性问题具有较好的应用性，能数学化、精确化、定量化地进行综合评价，同时为在考虑权重时，避免了主观确定权重的随意性，使得权重的确定更加客观，提高了评价模型的可靠程度，为海水入侵现状评价提供一种可行有效的评价手段.评价结果发现晋江市的海水入侵还是比较严重的，建议通过诸如增加地下淡水储备、限制海岸带地下淡水开采量、在海岸带布置井排进行人工回灌、禁止河口挖土采沙、合理利用滩涂资源、在入海河道的适宜地段修筑防潮堤防止海水沿河谷上溯等加以防治.

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[责任编辑：徐明忠]

Assessment of seawater intrusion in Jinjiang based on fuzzy mathematical evaluation method

QIU Weipeng，HUANG Yaoyi，SU Jianyun

(School of Resources and Environmental Science, Quanzhou Normal University, Quanzhou 362000, China)

Here are problems of membership and multi index comprehensive operation rule selection in the application of fuzzy comprehensive mathematics evaluation method in the Assessment of seawater intrusion, combine the empowerment dynamic/variable weight method with fuzzy mathematics to set establish the fuzzy mathematic evaluation method, using the method to applied toAssessment of seawater intrusion in Jinjiang, and use the rank correlation to select the optimal evaluation model, and combining with the GIS technology and statistical techniques, to map the research area of "take small take big" digital terrain model, seawater invasion status evaluation analysis of seawater intrusion in the area of influence and the degree of invasion, for the relevant departments of the targeted against seawater intrusion prevention reference.

fuzzy mathematical evaluation method;seawater intrusion;rank correlation;Jinjiang

2016-05-20

福建省创新实验项目(201610399051)；泉州市科技项目(2015Z139)

邱伟鹏(1994—)，男，福建省龙岩市人，泉州师范学院本科生，主要从事地理信息系统应用于开发的研究

黄耀裔(1983—)，男，福建晋江人，泉州师范学院实验师，主要从事环境地理信息系统与地图表达、管理与教学的研究.

F127

A

1672-3600(2017)03-0071-05