一种海水入侵模糊数学评价方法
【专利摘要】本发明公开了一种海水入侵模糊数学评价方法，通过选取待评估地区的评价因子以及获取评价因子的代表值，先对单因子进行评价，然后对所有评价因子进行综合模糊数学评价，最终建立适用于研究区科学、合理、实用型海(咸)水入侵模糊数学评价模型，使海水入侵评价取样同级样本之间的程度差别与不同级样本之间的程度差异误差最小化，使海(咸)水入侵区内水质演变的过渡性得到了客观体现，并在实际工程中得到有效应用，为海水入侵的防治工作的奠定了技术基础，研究成果可用于水文地质条件相似的近海分布区内海(咸)水入侵的评价。
【专利说明】
-种海水入侵模糊数学评价方法
技术领域
[0001] 本发明设及地下海(咸)水入侵评估领域，尤其设及一种海水入侵模糊数学评价方 法。
【背景技术】
[0002] 海(咸)水入侵是指海滨地区因过量抽取地下水，咸水体与地下淡水体的天然平衡 条件被破坏，从而引起咸水向地下含水层推移的一种有害水文地质作用。海(咸)水入侵是 一种缓变性地质灾害，是在特定区域自然与人类社会经济活动两大因素叠加影响的结果， 其形成主要是由于滨海地带地下水的过量开采，导致地下淡水水压低于与其有紧密水力联 系的地下咸水压，促使咸淡水界面向内陆逐步推进。
[0003] 海(咸)水入侵是沿海地区的普遍问题，目前全世界已经有几十个国家和地区发现 了海(咸)水入侵问题，如中国、荷兰、德国、意大利、比利时、法国、希腊、西班牙、葡萄牙、英 国、澳大利亚、美国、墨西哥、W色列等。海(咸)水入侵给当地的发展带来了严重危害，给当 地经济造成了巨大的损失，普遍性引起了国际社会的共同关注，有关国家积极开展研究与 治理。
[0004] 国际上海(咸)水入侵的研究经历了静力学、渗流动力学和渗流-弥散动力学等研 究阶段，学术研究的领域也从原来单纯的对咸淡水界面模型的模拟，发展到包括海水入侵 的的基本理论、数值模型、水文地球化学和环境同位素、研究和调查方法、防治和减缓对策、 生态影响、全球气候和海面变化影响等多个方面。其中海(咸)水入侵研究中，采用什么指标 和方法判断、评价海水入侵及入侵程度至关重要。传统的单一指标衡量和分级的方法往往 产生偏差，精度不够。但如何更好地解决运一问题目前尚未有统一认识。
【发明内容】
[0005] 针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种海水入侵模糊数学评价方法， 并在实际工程中得到有效应用，为海入侵防治工作的实施奠定了技术基础。
[0006] 为达到W上目的，本发明的技术方案为：
[0007] 包括W下步骤：
[000引1)、根据海水入侵区地下水水质特点及评价区的状况和待评估地区监测条件，采 取距离判别法选取待评估地区的评价因子W及评价因子的代表值;所述评价因子包括氯离 子浓度、矿化度(TDS)、钢吸附比（SAR)，W及咸化系数(A);
[0009] 2)、根据待评估地区控制性水井取样分析结果，建立所有评价因子的评价集；
[0010] 3)、建立各评价因子对海水入侵程度等级的隶属函数U，并根据评价集，求出各评 价因子的隶属矩阵R;
[0011] 4)、根据评价集W及评价因子的=级质量代表值的算数平均值，对每个评价因子 权重进行计算，得出权重模糊矩阵Q;
[0012] 5)、综合各评价因子的隶属矩阵R和权重模糊矩阵Q后，进行模糊矩阵的复合运算，
[0014] (1) 得出综合矩阵B，根据模糊数学最大隶属度原则，取其中最大者的等级为评判结果。[OOU]所述步骤3)中隶属函数1]为立级隶属函数，分别为化1、化1、化1，计算公式为：
[0015] (2)
[0016] (3)
[0017]其中，1 = 1，2,3,4评价因子的隶属度雨为1评价因子的实测值;曰1、曰2、^13为1评价 因子对应评价指标的=级代表值，所得R为一个4 X 3的矩阵。
[0018] 所沐巧骤4)对每个评价因子权重进行计算具体为：
[0019; (4)
[0020； (5)
[0021] 其中，i为评价因子1 = 1，2,3,4;胖1为1评价因子的权重系数;乂1为1评价因子的实 测值;G为i评价因子的S级质量代表值的算数平均值;尿为i评价因子归一化后的权重系 数；由；4项评价因子的权重系数南可组成1 X4的权重模糊矩阵Q。
[0022] 所述步骤5)中进行模糊矩阵的复合运算，得出综合矩阵B具体为：
[0023] B = Q ? R=(bj)n=(bl，b2,......，bn)(n = 3) (6)
[0024] 由式(6)所得结果矩阵B是一个1X3的矩阵，进而得出模糊评价集，将此评价集中 最大数值判断为此评价点的海水入侵的级别。
[0025] 与现有技术比较，本发明的有益效果为：
[0026] 本发明提供了一种海水入侵模糊数学评价方法，通过选取待评价地区的评价因子 W及获取评价因子的代表值，先对单因子进行评价，然后对所有评价因子进行综合模糊数 学评价，最终建立适用于研究区科学、合理、实用型海(咸)水入侵模糊数学评价模型，使海 水入侵评价取样同级样本之间的程度差别与不同级样本之间的程度差异误差最小化，使海 (咸)水入侵区内水质演变的过渡性得到了客观体现，并在实际工程中得到有效应用，为海 水入侵的防治工作的奠定了技术基础，研究成果可用于水文地质条件相似的近海分布区内 海(咸)水入侵的评价。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的流程框图；
[0028] 图2是本发明的实施例中海(咸)水入侵锋值线分布图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明做详细描述。
[0030] 海（咸）水入侵是一个有量变到质变的过程，单因子进行评价的边界并不十分明 显。就大范围宏观研究而言，运或许并不重要，但对于小范围局部区域、入侵前缘每年数米 至百余米的变动状况而言，运种"误差"则可能使人们得出错误的判断。
[0031] 如图1所示，本发明提供了一种海(咸)水入侵模糊数学评价方法，包括W下步骤：
[0032] 1)、根据海（咸）水入侵区地下水水质特点及评价区的状况和待评估地区监测条 件，采取距离判别法选取待评估地区的评价因子W及评价因子的代表值;所述评价因子包 括氯离子浓度、矿化度(TDS)、钢吸附比（SAR)，W及咸化系数(A);
[0033] 在传统采用单因子进行评价时很难将其归于某个类别。如用氯离子和矿化度单独 进行评价，有时会评价为两个不同的级别，传统的单一指标衡量和分级的方法看似明了准 确，但却忽略了入侵区内过渡性的客观事实，往往导致偏差，比如："同级"样本之间的程度 差别被淑没，不同级样本之间的程度差异则可能被夸大。模糊综合评判是处理运类外延边 界"模糊不清"问题的最好方法。
[0034] 为了对海(咸)水入侵程度作等级上的划分，采用多指标综合评判法。选择的评价 指标包括:氯离子、矿化度(TDS)、钢吸附比（SAR)、咸化系数(A)。其中钢吸附比（SAR)是美国 咸水实验机构用来表示农业灌概适宜性的一个参数，通过实验研究证明在海水入侵过程中 确实存在阳离子交替作用，钢吸附比（SAR)指标可W反映海水入侵过程中水岩(±)之间的 阳离子交换作用，咸化系数(A)则定义为地下水中特征离子比值。
[0035] 2)、根据待评估地区控制性水井取样分析结果，建立所有评价因子的评价集；
[0036] 参考已有的海(咸)水入侵等级划分建立评价集，采取距离判别法选取其代表值， 具体指标评价等级范围及代表值详见表1所示。
[0037] 表1海(咸)水入侵具体指标的等级划分及代表值(mg/L)
[00；3 引
[0039]注=(I)SAR为
(3)c为括号内单元的浓度 (mmol/L)
[0040] 3)、建立各评价因子对海(咸)水入侵程度等级的隶属函数U，并根据评价集，求出 各评价因子的隶属矩阵R;
[0041] 建立各水质评价因子对海(咸)水入侵程度等级的隶属函数，求出各评价因子的隶 属矩阵RdU为矩阵R的隶属函数，i(i = l，2,3,4)评价因子的隶属度按式(1)~(3)计算：
[00 创 。）
[0043] (2)
[0044] (3)
[0045] 式中，Uii、U2i、U3i为i评价因子对；级质量标准的隶属度;Xi为i评价因子的实测 值;曰1、曰2、如相评价因子对应评价指标的立级代表值(表1);计算所得R为一个4X3的矩阵。
[0046] 4)、根据评价集W及评价因子的=级质量代表值的算数平均值，对每个评价因子 权重进行计算，得出权重模糊矩阵Q;
[0047] W指标权重是表示各指标在决定水质上所起的度量。由于各评价因子在指标数值 上存在差别，并且其对水质质量影响的程度也有不同，因此需要对每个评价点各指标的权 重进行计算，i(i = l，2,3,4)评价因子的权重计算见式(4)、（5):
[0048] (4) (5)
[0049]
[0化0] 式中，Wi为i评价因子的权重系数;Xi为i评价因子的实测值；G为i评价因子的S 级质量代表值的算数平均值;雨为i评价因子归一化后的权重系数。由每个评价点的4项指 标的权重系数雨可组成1 X4的权重模糊矩阵Q。
[0051] 5)、综合各评价因子的隶属矩阵R和权重模糊矩阵Q后，进行模糊矩阵的复合运算， 得出综合矩阵B，根据模糊数学最大隶属度原则，取其中最大者的等级为评判结果。
[0052] 得出矩阵R和矩阵Q后，对其进行模糊矩阵的复合运算，得到评价点所属各级别的 综合矩阵B。根据模糊数学最大隶属度原则，取其中最大者的等级为评价点的评定结果。矩 阵B的计算见式(6):
[0053] B = Q ? R=(bj)n=(bl，b2,......，bn)(n = 3) (6)
[0054] 由式(6)所得结果矩阵B是一个1X3的矩阵，进而得出模糊评价集，将此评价集中 最大数值判断为此评价点的海(咸)水入侵的级别。
[0055] 下面，根据具体的实施例进行说明：
[0056] 选取日照山海天旅游度假区两城河地下水库库区范围内，位于日照市山海天旅游 度假区潮白河下游入海口近海区域。日照山海天旅游度假区两城河地下水库近岸海岸线长 度大于5km，由于不合理的开采地下水资源W及台风等原因 W及促使海(咸)水发生入侵。两 城河地下水库区海水入侵W第四纪沉积型(冲洪积砂层入侵型)和水动力场改变型(人为地 下水抽水扩散型)为主，该项目作为防治海水入侵建设的示范项目，通过现场实地调查和结 合取样分析，得出了两城河地下水库库区海(咸)水入侵锋面的空间分布位置，根据水文地 质调查和水样分析结果来反映地表海(咸)水和地下海(咸)水入侵空间展布和入侵特征。
[0057] 如图2所示，可见地表海(咸)水入侵主要是在潮软驱动力的影响下海水沿着两城 河、芦沟河河道上溯，在安家岭村至东河南村一带形成地表海水回灌入侵。
[0058] 在台风影响下，海水漫过下游橡胶巧进入两城河主河道汇水区内，由于浅层地下 水与两城河地表河水水动力条件联系紧密，形成沿两城河由东向西呈模形状分布的海水入 侵。根据现场生活饮用水源调查W及取样分析结果，界定W氯离子250mg/L确定海(咸)水入 侵锋值界线，可W看出入侵锋值线沿芦沟河河道-安家村-东河南村一线分布，入侵线呈模 形曲线延伸。
[0059] 第一、水文地质测绘
[0060] 对研究区展开大比例尺水文地质测绘与调查，查明研究区地质构造单元，区域水 文地质、环境地质特征，调查得出研究区内地表水、地下水海水入侵区域性入侵界限。
[0061] 第二、地下水取样分析
[0062] 在结合水文地质测绘与调查的基础上，结合地表水、地下水海水入侵区域性入侵 界限，对地下水进行定性分区，在分区内取代表性水样，进行室内离子化学分析。
[0063] 第=、海(咸)水入侵模糊数学评价
[0064] 1、选取C1-、矿化度、钢吸附比（SAR)、咸化系数(A)四项指标作为评价因子建立评 价集。采取距离判别法选取其代表值，具体评价水样点离子成分、指标评价等级范围及代表 值详见表2。
[0065] 依据表1，对该组水样评价因子做评价集计算，其计算过程W表格形式易于展现其 计算过程和目的，详见如下表3。
[0066] 表2水质分析成果简表 ^ f\r\A-71
[006引
[0069] 表3评价集的建立
[0070]
[00711
[0072] 2、建立各水质评价因子对海(成)水入侵程度等级的隶属函数，求出各评价因子的 隶属矩阵RdU为矩阵R的隶属函数，i(i = l，2,3,4)评价因子的隶属度按式(1)~(3)计算：
[0073] 式中，Uii、U2i、U3i为i评价因子对=级质量标准的隶属度;Xi为i评价因子的实测 值;曰1、曰2、^13为1评价因子对应评价指标的；级代表值(表3-2);计算所得1?为一个4乂3的矩 阵。数学表达形式W表4所示。
[0074] 表4隶属矩阵R
[0075]
[0076] 3、各评价因子在指标数值上存在差别，并且其对水质质量影响的程度也有不同， 因此需要对每个评价点各指标的权重进行计算，评价因子的权重计算见式(4)、巧）。由每个 评价点的4项指标的权重系数兩可组成1X4的权重模糊矩阵Q。数学表达形式W表5所示。
[0077] 表5权重模糊矩阵Q
[0078
[00巧」4、得出矩阵R和矩阵Q后，对其进打候糊矩阵的复合运算，得到矩阵B。
[0080]由式(6)计算结果所得矩阵B是一个1X3的矩阵，将此矩阵建立评价集，其中最大 数值所对应的级别判断为此评价点的海(咸)水入侵的级别。数学表达形式W表6所示。
[0081 ] 表6矩阵B
[0082]
[0083]由表3-5可知，D24水样点处地下水海(咸)水入侵模糊数学评价结果为:海水入侵 等级为II级(轻度入侵）。
【主权项】
1. 一种海水入侵模糊数学评价方法，其特征在于，包括以下步骤： 1) 、根据海水入侵区地下水水质特点及评价区的状况和待评估地区监测条件，采取距 离判别法选取待评估地区的评价因子以及评价因子的代表值;所述评价因子包括氯离子浓 度、矿化度(TDS)、钠吸附比（SAR)，以及咸化系数(A); 2) 、根据待评估地区控制性水井取样分析结果，建立所有评价因子的评价集； 3) 、建立各评价因子对海水入侵程度等级的隶属函数U，并根据评价集，求出各评价因 子的隶属矩阵R; 4) 、根据评价集以及评价因子的三级质量代表值的算数平均值，对每个评价因子权重 进行计算，得出权重模糊矩阵Q; 5) 、综合各评价因子的隶属矩阵R和权重模糊矩阵Q后，进行模糊矩阵的复合运算，得出 综合矩阵B，根据模糊数学最大隶属度原则，取其中最大者的等级为评判结果。2. 根据权利要求1所述的海水入侵模糊数学评价方法，其特征在于，所述步骤3)中隶属 函数U为三级隶属函数，分别为Uh、U2i、U 3i，计算公式为：其中，i = l，2,3,4评价因子的隶属度，Xi为i评价因子的实测值;ai、a2、a3为i评价因子 对应评价指标的三级代表值，所得R为一个4 X 3的矩阵。3. 根据权利要求1所述的海水入侵模糊数学评价方法，其特征在于，所述步骤4)对每个 评价因子权重进行计算具体为：其中，i为评价因子i = l，2,3,4;Wi为i评价因子的权重系数;Xi为i评价因子的实测值； G为i评价因子的三级质量代表值的算数平均值;兩为i评价因子归一化后的权重系数；由； 4项评价因子的权重系数兩可组成1 X 4的权重模糊矩阵Q。4.根据权利要求1所述的海水入侵模糊数学评价方法，其特征在于，所述步骤5)中进行 模糊矩阵的复合运算，得出综合矩阵B具体为： B = Q · R= (bj)n= (bl，b2,......，bn)(n = 3) (6) 由式(6)所得结果矩阵B是一个1X3的矩阵，进而得出模糊评价集，将此评价集中最大 数值判断为此评价点的海水入侵的级别。
【文档编号】G06F19/00GK105956360SQ201610242713
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】范尧, 赵正国, 董温荣, 邓继昌, 张志阔, 翟寅章, 郭庆华, 黄旭, 贾连杰, 杨义成, 初桂治, 陆海玉, 宋海波, 李汶谕
【申请人】山东省水利勘测设计院