基于改进灰色聚类模型的区域地下水脆弱性评估分析

2023-09-22黄海平

水利技术监督 2023年9期

黄海平

(南充职业技术学院，四川南充 637131)

近些年来，地下水开采量随着社会经济快速发展呈现逐年递增的变化，区域地下水资源的可持续发展受地下水开采量的变化影响较大，尤其是对地下水脆弱性影响较为明显[1]。近些年来对于地下水脆弱性评估取得一定研究成果[2-5]，这些研究成果中大都通过建立灰色聚类模型，依托于地下水脆弱性评估指标体系，对区域地下水脆弱性进行综合评估。但传统灰色聚类模型在评估指标权重上存在一定的主观性，使得其评估结果存在一定的主观性，评估结果客观性不强。当前，国内有学者针对传统灰色聚类模型指标权重主观的局限性，对其指标权重计算方法进行了改进，并在国内一些区域水资源脆弱性综合评估中得到具体应用[6-15]，应用效果均表明改进的灰色聚类模型相比于改进前对区域水资源脆弱性综合评估结果更为合理、客观。

1 改进的灰色聚类模型

改进的灰色聚类模型通过建立不同等级的标准化计算公式进行地下水脆弱性综合评估计算：

(1)

式中，ujk—地下水脆弱性评估指标不同等级的联系分量，按照[fj，fj+1]将不同等级评价进行阈值划分，不同等级各类评价指标灰类系数在其权重系数确定的基础上进行计算：

(2)

式中，xjk—不同评价等级对应的评估指标；n、m—不同评价对象对应指标数目。对灰色聚类系数进行归一化计算：

(3)

对不同评估指标下权重系数综合值进行计算。权重指标综合值采用AHP方法进行分析，该方法首先对各指标权重采用熵值法进行计算再确定各指标之间的综合权重，不同指标权重之间的差值计算方程为：

(4)

在进行不同指标权重差值计算的基础上对其综合权重进行计算：

w″=aw+βw′

(5)

式中，a—各指标分配权重；β—墒值计算。对两种权重进行一致性分析进行组合计算：

d(w，w′)2=(a-β)2

(6)

结合不同评价指标在确定模型权重后进行不同区域地下水脆弱度综合评价指数的计算：

(7)

对不同指标计算值分别进行集中度、离散度以及协调度的综合分析计算：

①集中程度计算：

(8)

式中，ECi—计算指标检验的集中程度；P—集中程度系数；Ei—检验期望值；nij—评价指标的数目。

②离散程度计算：

(9)

式中，δi—第i个评价指标离散度。

③协调度计算：

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(10)

式中，Vi—指标检验协调度。

2 实例分析

2.1 研究区域概况

以辽宁地区大凌河流域为具体实例，结合流域内建平、北票、黑山、北镇为4个计算片区，各片区地下水资源概况见表1。

表1 各片区地下水资源概况

2.2 指标检验

从地下水埋深、地下水补给量、含水层岩性、含水层土壤类型、地形坡度要素、包气带介质以及土壤导水系数等7项指标建立地下水脆弱性评估指标体系，并分析采用改进前后灰色聚类模型对指标的集中度、离散度、协调度进行指标检验，对比检验结果见表2。

表2 改进前后模型计算指标检验结果对比

从改进前后模型各地下水脆弱性评估指标的集中度、离散度以及协调度检验指标对比结果可看出，改进前后灰色聚类模型下各评估指标集中度在2.0～5.0之间，评估指标具有较好的集中度，相比于改进前的灰色聚类模型，改进后模型下地下水脆弱性评估各类指标的集中度均有一定程度改善，其集中度均有所增加，其中地下水含水层岩性集中度改善最为明显。从各评估指标离散度检验值可看出，改进前后模型下其指标的离散度均低于1.0，相比改进前，改进后的灰色聚类模型下各评估指标离散度相比于改进前均有所降低，评估指标的聚类程度有所改善。从改进前后模型各指标的协调度可看出，地下水脆弱性各评估指标的协调度在0.6～0.9之间，满足评估指标协调度检验值低于1.0的要求，相比于改进前模型，改进后模型下各指标协调度都有所提高。综上，相比于改进前的灰色聚类模型，改进后模型各评估指标的集中度、离散度以及协调度都有所提高，这主要是因为改进的灰色聚类模型对各指标权重进行综合计算，解决传统模型权重计算单一的局限，提高其指标评估求解的收敛度，使得其评估指标各检验特征值有所改善。

2.3 现状年地下水脆弱性评价

以建平、北票、黑山、北镇为4个典型片区，采用改进的灰色聚类模型对各片区2019年现状年的地下水脆弱性进行综合评估，通过建立不同评估指标之间的联系度分量对其指标综合权重值进行计算，在确定各指标综合权重基础上对各片区现状年地下水脆弱性进行综合评估，各指标综合权重值见表3，各片区地下水脆弱性综合评估结果见表4。

表3 现状年各片区地下水脆弱性评估指标综合权重

表4 现状年各片区地下水脆弱性综合评估结果

从各片区地下水脆弱性评估指标综合权重计算结果可看出，各片区地下水脆弱性评估各指标的权重值总体较为接近，地下水导水系数、补给量指标的综合权重值最高，地下水导水系数和地下水补给量具有较高的关联度，地下水导水系数越高其地下水补给量也相对越大。坡度和包气带介质在各类指标中综合权重值较低，其主要受土壤特性有关，其对地下水资源脆弱性影响程度相对较低。各片区地下水资源脆弱性指标综合权重总体较为客观。在对各类评估指标综合权重确定的基础上，对各指标的联系度分量进行计算，对各片区地下水脆弱性评价指数进行计算，北镇地下水脆弱性指数在各片区中最低，经评估其地下水资源处于非常脆弱的程度，这主要是因为北镇地下水资源补给量较低，使得其地下水脆弱性程度非常低，建平和黑山片区其地下水脆弱性评估指数分别为0.2755和0.1955，经评估其地下水资源处于脆弱的程度，而北票由于近些年来加大了区域地下水资源保护力度，地下水开采量明显减少，并通过地下水回灌等方式加大了区域地下水补给量，使得其地下水资源得到较为明显的改善，其地下水脆弱度经评估为不脆弱的程度。

2.4 远景年地下水脆弱性评价

表5 远景年各片区地下水脆弱性评估指标综合权重

表6 远景年各片区地下水脆弱性综合评估结果

从远景年各片区地下水脆弱性综合评估结果可看出，相比于现状年，通过增加其地下水补水量，降低地下水开采量，提高导水系数等措施后，各片区远景年下地下水脆弱性综合评指数都较现状年有较为明显的改善，北镇片区地下水脆弱性经评价为不脆弱，建平和黑山片区在远景年经评估其地下水脆弱性呈现较不脆弱的程度，相比于现状年均有所改善。结合不同年份地下水资源脆弱性评估指标数据，可以对其不同年份地下水脆弱性进行时空分布的评估，从而为区域地下水保护规划提供参考价值。