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基于多源水文地質(zhì)信息綜合分析模型的應(yīng)用研究

2019-01-07 07:35林利森唐林波
江西水利科技 2018年6期
關(guān)鍵詞:分析模型富水蓄水

林利森,唐林波

(1.江西省水投建設(shè)集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330096;2.江西省水利廳工程建設(shè)稽察事務(wù)中心,江西 南昌 330009)

我國(guó)水資源蘊(yùn)含量豐富,但人均水資源占有量?jī)H為世界人均占有量的1/4,這就要求我們合理開(kāi)發(fā)和利用水資源。目前,水資源的開(kāi)發(fā)利用存在許多弊端和不足,這不僅降低了水資源的利用率,也極大制約了當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[1-4]。因此,對(duì)于地下水的合理勘測(cè)和開(kāi)采,不僅能夠解決水資源短缺的問(wèn)題,也能在一定程度上解決地下水開(kāi)采不合理與供水失敗情況的出現(xiàn)。

勘測(cè)開(kāi)發(fā)利用地下水的最重要前提是要對(duì)該地區(qū)的水文地質(zhì)信息進(jìn)行準(zhǔn)確的分析和判斷[5-7],但水文地質(zhì)信息不是單一的要素信息,而是與地層復(fù)雜的空間分布、地下水賦存狀態(tài)與運(yùn)行規(guī)律、地形變化等因素相關(guān)的綜合信息要素,因此,需要從多角度綜合分析地下水的運(yùn)行規(guī)律,才能達(dá)到對(duì)地下水的合理開(kāi)發(fā)利用,因此,建立相應(yīng)的多源水文地質(zhì)信息綜合分析模型,對(duì)于水資源的準(zhǔn)確合理開(kāi)發(fā)具有重要意義[8,9]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上,采用層次分析法、嫡值法以及加權(quán)算術(shù)平均法等理論分析手段[10],建立起基于多源水文地質(zhì)信息的地下水勘測(cè)綜合分析模型,對(duì)于水資源的精確勘測(cè)和合理利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 模型構(gòu)建

1.1 指標(biāo)體系的建立

地下水的準(zhǔn)確勘測(cè),需要對(duì)地下水的賦存、分布和運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了解和掌握,故此必須建立起一個(gè)統(tǒng)一的指標(biāo)體系,以便較為準(zhǔn)確地勘測(cè)和利用地下水。尋找地下水,首先需要尋找蓄水構(gòu)造,這其中包括地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造和構(gòu)造的匯水面積等;其次是地形分析,不同的地質(zhì)形態(tài),會(huì)孕育不同的地下水形成和分布規(guī)律;然后是地下水流向,包括補(bǔ)給、排泄區(qū)與透水層、隔水層的相互關(guān)系;再次,則是地下水位的影響,需要勘測(cè)了解清楚蓄水構(gòu)造是位于水位線的上部、中部還是下部;最后則是了解水質(zhì)的影響,這是判斷勘測(cè)結(jié)構(gòu)是否適用的基本因素。蓄水構(gòu)造、地形、地下水流向、水位以及水質(zhì)等構(gòu)成了體系的一級(jí)指標(biāo),而在各個(gè)一級(jí)指標(biāo)下又存在著多個(gè)二級(jí)指標(biāo),遵循科學(xué)性、動(dòng)靜結(jié)合、定量定性互補(bǔ)、實(shí)用性及目標(biāo)導(dǎo)向性等原則,從而可建立起相應(yīng)的地下水勘測(cè)指標(biāo)體系,見(jiàn)表1。

指標(biāo)因子賦值原則。蓄水構(gòu)造:(1)地層賦值。強(qiáng)透水性取0.6~1.0,透水性一般或弱透水性取0.2~0.6;不透水巖層取值小于0.2;(2)地質(zhì)構(gòu)造賦值。含張裂破碎帶取0.7~1.0,一般斷層破碎帶取0.3~0.7,無(wú)破碎帶等區(qū)域取值小于0.3;(3)匯水面積賦值。大于20 km2時(shí),取0.7~1,0;5~20 km2時(shí),取0.3~0.7;小于5 km2時(shí),取值小于0.4。若補(bǔ)給區(qū)為透水層,排泄區(qū)為隔水層,則取0.6~1.0,若補(bǔ)給區(qū)為透水層,排泄區(qū)為透水層,則取0.2~0.6,若補(bǔ)給區(qū)為隔水層,則取值小于0.2。當(dāng)蓄水構(gòu)造全部位于水位線以下時(shí),取值控制在0.7~1.0,當(dāng)蓄水構(gòu)造部分位于水位線以下時(shí),取值為0.2~0.7,當(dāng)蓄水構(gòu)造全部位于水位線以上時(shí),則取值為小于0.2。

表1 地下水勘測(cè)指標(biāo)體系

1.2 指標(biāo)因子賦權(quán)

層次分析法是一種簡(jiǎn)單實(shí)用的定性與定量相結(jié)合的多源信息分析方法,通過(guò)建立遞階層次模型和構(gòu)造出所有的判斷矩陣,再通過(guò)單排序和總排序的一致性檢驗(yàn),即可分析得到相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重。嫡值法是不確定信息的一種度量,嫡值越大,指標(biāo)的離散程度越大,表明該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響也越大,但所表示的指標(biāo)權(quán)重越小。利用層次分析法來(lái)計(jì)算指標(biāo)的主觀權(quán)重大小W1(i),利用嫡值法來(lái)計(jì)算所有指標(biāo)的客觀權(quán)重W2(i),即可得到指標(biāo)的綜合權(quán)重W(i)。那么根據(jù)最小相對(duì)信息嫡原理可以得到:

(1)

式中:W(i)表示權(quán)值,n表示元素個(gè)數(shù),i表示指標(biāo)。那么,利用拉格朗日乘子法即可優(yōu)化計(jì)算得到上述公式:

(2)

上式表明,當(dāng)取幾何平均數(shù)時(shí),計(jì)算所需的信息量最小,當(dāng)取其它形式的組合權(quán)重時(shí),那么就需要增加大量的其它實(shí)際上沒(méi)有獲得的信息。

1.3 綜合分析模型

綜合分析模型的構(gòu)建,通常有兩種方法:一種是加法合成,另一種則是乘法合成。加法合成的基本式為:

(3)

式中:xi表示指標(biāo)值,k表示冪次。當(dāng)k=1時(shí),上式即變?yōu)榧訖?quán)算術(shù)平均合成模型:

I=W1x1+W2x2+W3x3+……+Wnxn

(4)

根據(jù)地下水勘測(cè)要求和經(jīng)驗(yàn),判斷蓄水構(gòu)造在多源地質(zhì)信息情況下即多重指標(biāo)的綜合影響下的關(guān)鍵在于蓄水的高低程度是否滿足要求,那么就可以利用加權(quán)算術(shù)平均合成模型,同時(shí)根據(jù)富水程度指數(shù)的大小來(lái)統(tǒng)一表示蓄水構(gòu)造總程度的高低大小,即有:

(5)

式中:i表示蓄水構(gòu)造區(qū);j表示勘測(cè)指標(biāo);W(i)表示指標(biāo)的權(quán)重;Fij表示含水程度,其值大于0,小于1;Zi表示富水程度指數(shù),其值大于0,小于1。

2 模型實(shí)例論證

2.1 論證區(qū)概況

論證區(qū)位于江西省某缺水地區(qū),每年實(shí)際供水約為154 008 m3,缺水量達(dá)108 000 m3/a[11]。由于受到強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造活動(dòng)的影響,本地區(qū)的蓄水構(gòu)造十分復(fù)雜,地下水的賦存狀態(tài)和運(yùn)行規(guī)律不顯著,地質(zhì)剖面示意圖見(jiàn)圖1。假如僅以某一單要素地質(zhì)信息來(lái)勘測(cè)判斷該地的地下水情況,可能會(huì)存在較大的誤差和難度,因此,需要從各方面因素入手,綜合考慮多源水文地質(zhì)信息,才能達(dá)到預(yù)期的勘測(cè)效果。

圖1 論證區(qū)地質(zhì)剖面示意圖

2.2 論證結(jié)果分析

采用論證區(qū)1∶5萬(wàn)的地質(zhì)圖、剖面圖以及地形地貌圖等數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的分析論證。根據(jù)層次分析法和嫡值法計(jì)算結(jié)果,分別得到了一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表2和表3。從表中可以看出,一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重值均小于1,滿足計(jì)算要求,一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)的CR值均<0.1,表明模型計(jì)算滿足一致性的要求;再通過(guò)綜合分析模型,對(duì)可能的蓄水構(gòu)造進(jìn)行判斷,推測(cè)其富水程度:通過(guò)式(1)計(jì)算得到單指標(biāo)影響下的含水程度,再將計(jì)算結(jié)果代入(5)式,即可分析得到論證區(qū)的富水程度。經(jīng)計(jì)算,論證區(qū)的Zi值等于0.43,對(duì)比富水程度等級(jí)指標(biāo)(見(jiàn)圖2)可以看出,論證區(qū)的富水程度一般,需要在地下水勘測(cè)時(shí)選擇最佳“宜井位置”,通過(guò)控水點(diǎn)的賦值識(shí)別,如果有控水點(diǎn)剛好位于富水區(qū),那么該區(qū)域則適宜作為采水位置,即可成為宜井的最佳位置,通過(guò)識(shí)別計(jì)算最終選取的宜井位置見(jiàn)圖3。

表2 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重值

表3 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重值

3 結(jié) 論

圖2 富水程度等級(jí)示意圖

圖3 論證區(qū)宜井位置

本文針對(duì)復(fù)雜蓄水構(gòu)造區(qū)地下水勘測(cè)難度大的問(wèn)題,以層次分析法和嫡值法等為理論基礎(chǔ),選用加權(quán)算術(shù)平均法建立起基于多源水文地質(zhì)信息的地下水勘測(cè)綜合分析模型,來(lái)對(duì)蓄水地區(qū)的富水程度進(jìn)行判斷,并進(jìn)行了實(shí)例論證,對(duì)實(shí)現(xiàn)地下水的精確勘測(cè)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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