运用数理统计和模糊数学评价秦皇岛洋戴河平原的海水入侵程度

doi:10.13249/j.cnki.sgs.2013.03.342

地理科学 ›› 2013, Vol. 33 ›› Issue (3): 342-348.doi: 10.13249/j.cnki.sgs.2013.03.342

运用数理统计和模糊数学评价秦皇岛洋戴河平原的海水入侵程度

章斌^1,²(), 宋献方¹(), 韩冬梅¹, 郭占荣³, 肖国强⁴, 杨吉龙⁴

1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室, 北京 100101
2.环境保护部华南环境科学研究所, 广东广州 510655
3.厦门大学海洋与地球学院, 福建厦门 361005
4.天津地质矿产研究所, 天津 300170

收稿日期:2012-06-25 修回日期:2012-08-07 出版日期:2013-03-20 发布日期:2013-01-31
作者简介:
作者简介：章斌(1985-),男,福建宁化人,助理工程师,硕士,主要从事水文地球化学方面的研究。E-mail：zhangbinem@gmail.com
基金资助:
国家重点基础研究发展计划(973)项目(2010CB428805)资助

Seawater Intrusion Degree Evaluation Based on Mathematical Statistics and Fuzzy Mathematics in Qinhuangdao Yangdai River Plain

Bin ZHANG^1,²(), Xian-fang SONG¹(), Dong-mei HAN¹, Zhan-rong GUO³, Guo-qiang XIAO⁴, Ji-long YANG⁴

1. Key Laboratory of Water Cycle and Related Land Surface Processes, Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, Beijing 100101, China
2. South China Institute of Environmental Sciences, Guangzhou, Guangdong 510655, China
3. Collegae of Ocean and Earth Sciences, Xiamen University, Xiamen, Fujian 361005, China
4.Tianjin Institute of Geology and Mineral Resources, Tianjin 300170, China

Received:2012-06-25 Revised:2012-08-07 Online:2013-03-20 Published:2013-01-31

摘要/Abstract

摘要：

运用数理统计方法获取秦皇岛洋戴河平原地下潜水和海水的水化学统计特征,据此优选出4项海水入侵评判指标,建立各评判指标的背景值及指标等级体系,并将模糊数学综合评价法和地理信息系统结合起来评价研究区潜水含水层的海水入侵程度。研究结果表明：氯离子Cl^-、电导率EC、溶解总固体TDS和潜在盐度是指示本区潜水含水层海水入侵程度的最佳指标,其判别海水入侵发生的下限值分别为250 mg/L、1 250 μs/cm、700 mg/L和8.5 meq/L;洋戴河平原潜水含水层的海水入侵程度总体上为中等水平,洋、戴河间浦河一带的潜水含水层海水入侵程度最为强烈。

关键词: 秦皇岛, 洋戴河平原, 数理统计, 模糊数学, 海水入侵程度

Abstract:

Analyzing the distribution map of seawater intrusion degree can increase the knowledge of seawater intrusion mechanism, which is not only the important reference for water supplies of production and daily life but also the core content of seawater intrusion survey and research. In this article, four effective indicators for seawater intrusion of Qinhuangdao Yangdai River Plain which is located in the northeast of Hebei Province were selected out according to the different hydrochemical characteristics of fresh groundwater, brackish groundwater and seawater using the method of mathematical statistics. And then, the background values and index system of those seawater intrusion indicators were built to carry on seawater intrusion degree evaluation work based on the approach of fuzzy synthetic evaluation and geographic information system. The research results can be showed as follows: The chloride ion (Cl^-), electric conductivity (EC), total dissolved solids (TDS) and potential salinity are the optimal seawater intrusion indicators which can help to distinguish the intruded samples from all groundwater samples. The background value of study area for chloride ion concentration, EC, TDS and potential salinity are 83.06-243.8 mg/L,600-1 222 μs/cm,341.82-679.14 mg/L and 2.92-8.05 meq/L, respectively. The lower limit value of chloride ion concentration, EC, TDS and potential salinity are 250 mg/L, 1 250 μs/cm、700 mg/L and 8.5 meq/L, respectively, which can manifest the occurrence of seawater intrusion. The groundwater samples identified seawater intrusion degree as rank II and rank III , make up 74% of all samples , which reveals that seawater intrusion degree of study area generally belongs to the medium level. On the basis of the distribution map of seawater intrusion degree, the seawater intrusion degree of the alluvial aquifers around Pu River between the Yang River and Dai River is the highest.

Key words: Qinhuangdao, Yangdai River plain, mathematical statistics, fuzzy mathematics, seawater intrusion degree

中图分类号:

X824

章斌, 宋献方, 韩冬梅, 郭占荣, 肖国强, 杨吉龙. 运用数理统计和模糊数学评价秦皇岛洋戴河平原的海水入侵程度[J]. 地理科学, 2013, 33(3): 342-348.

Bin ZHANG, Xian-fang SONG, Dong-mei HAN, Zhan-rong GUO, Guo-qiang XIAO, Ji-long YANG. Seawater Intrusion Degree Evaluation Based on Mathematical Statistics and Fuzzy Mathematics in Qinhuangdao Yangdai River Plain[J]. SCIENTIA GEOGRAPHICA SINICA, 2013, 33(3): 342-348.

图/表 9

表1

表2

表3

表4

表5

表6

图1

图2

表7

参考文献 24

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指标类型	海水入侵的初步判别指标
物理化学参数	EC、pH、ORP
水化学成分	K⁺、Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、Cl^-、SO₄²^-、NO₃^-
同位素	D、¹⁸O
微量元素	B、Li、Sr
特征离子比	Ca/Cl、Mg/Cl、(Ca+Mg)/Cl、Ca/Sr、Cl/HCO₃
水化学指标	硬度、SAR、TDS、潜在盐度

统计量	EC(μs/cm)	pH	ORP(mv)	K⁺(mg/L)	Na⁺(mg/L)	Ca²⁺(mg/L)	Mg²⁺(mg/L)	SO₄²^-(mg/L)
Pearson相关系数	0.890^**	0.06	0.17	0.32	0.694^**	0.646^**	0.676^**	0.4
显著性（双侧）	0	0.8	0.44	0.13	0	0	0	0.06
统计量	NO₃^-(mg/L)	δD(‰)	δ¹⁸O(‰)	B(mg/L)	Li(mg/L)	Sr(mg/L)	Ca/Cl	Mg/Cl
Pearson相关系数	0.420^*	0.501^*	0.462^*	-0.06	0.690^**	0.674^**	-0.458^*	-0.17
显著性（双侧）	0.05	0.01	0.03	0.78	0	0	0.03	0.44
统计量	(Ca+Mg)/Cl	Cl/HCO₃	Ca/Sr	TDS(mg/L)	硬度(mg/L)	SAR	潜在盐度(meq/L)
Pearson相关系数	-0.447^*	0.467^*	-0.16	0.888^**	0.690^**	0.39	0.983^**
显著性（双侧）	0.03	0.02	0.45	0	0	0.06	0

水样分类	水样编号	地下水化学类型	Cl^-(mg/L)	EC(μs/cm)	TDS(mg/L)	潜在盐度(meq/L)	分类编号
未入侵	G2	Cl·HCO₃-Ca	58.51	444	235.23	2.08	A
	G3	Cl-Ca	177.1	1014	563.53	6.19	A
	G4	HCO₃·Cl-Ca	135.4	934	507.272	4.49	A
	G11	HCO₃·Cl-Ca	74.32	624	369.19	2.55	A
已入侵	G12	Cl-Ca·Na	443.5	1563	896.15	13.48	B
	G16	Cl-Na·Ca	463.5	2290	1342.96	15.99	B
	G17	Cl-Na·Ca	769	4060	2048.02	24.49	B
	G19	Cl-Na·Ca	655.6	3490	2013.46	22.16	B
	G20	Cl-Na·Mg·Ca	675.4	2490	1488.48	21.88	B
	G21	Cl·SO₄-Na·Mg·Ca	540.1	2850	1644.17	19.80	B
	G22	Cl-Na·Mg	856.9	3230	1690.37	26.24	B
	G23	SO₄·Cl-Na	307.8	2750	1693.94	15.77	B

水样编号	地下水化学类型	Cl^-(mg/L)	EC(μs/cm)	TDS(mg/L)	潜在盐度(meq/L)	判别结果
G1	Cl·NO₃-Ca·Mg·Na	248.00	1438	763.33	8.66	A
G2*	Cl·HCO₃·NO₃-Ca·Na	58.51	444	235.23	2.08	A
G3*	Cl·NO₃·SO₄-Ca·Mg	177.10	1014	563.53	6.19	A
G4*	HCO₃·Cl-Ca	135.40	934	507.27	4.49	A
G10	Cl·HCO₃-Na	277.70	1152	663.52	8.51	A
G11*	HCO₃·Cl-Ca	74.32	624	369.19	2.55	A
G13	Cl·HCO₃-Ca·Na·Mg	118.00	741	411.98	4.10	A
G18	Cl·SO₄-Na·Ca·Mg	218.40	939	569.81	7.28	A

统计量	Cl^-(mg/L)	EC(μs/cm)	TDS(mg/L)	潜在盐度(meq/L)
平均值	163.43	911	510.48	5.48
标准偏差	80.37	311	168.66	2.57
背景值	83.06~243.8	600~1222	341.82~679.14	2.92~8.05

运用数理统计和模糊数学评价秦皇岛洋戴河平原的海水入侵程度

Seawater Intrusion Degree Evaluation Based on Mathematical Statistics and Fuzzy Mathematics in Qinhuangdao Yangdai River Plain

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指标	Ⅰ		Ⅱ		Ⅲ		Ⅳ
	无或轻度入侵		轻度入侵		中度入侵		严重入侵
	淡水或影响淡水		影响淡水或微咸水		微咸水		微咸水或咸水
	值范围	代表值	值范围	代表值	值范围	代表值	值范围	代表值
Cl^-(mg/L)	<250	125	250~500	375	500~1000	750	>1000	1500
EC(μs/cm)	<1250	625	1250~2300	1775	2300~4200	3250	>4200	6075
TDS(mg/L)	<700	350	700~1300	1000	1300~2300	1800	>2300	3275
潜在盐度(meq/L)	<8.5	4.25	8.5~16.5	12.5	16.5~32	24.25	>32	47.25

水样编号	Ⅰ	Ⅱ	Ⅲ	Ⅳ	H值	Cl^-(mg/L)	EC(μs/cm)	TDS(mg/L)	潜在盐度(meq/L)	评价结果
G1	0.397	0.603	0.000	0.000	1.603	248	1438	763.3	8.66	Ⅱ
G2	1.000	0.000	0.000	0.000	1.000	58.51	444	235.2	2.08	Ⅰ
G3	0.715	0.285	0.000	0.000	1.285	177.1	1014	563.5	6.19	Ⅰ
G4	0.830	0.170	0.000	0.000	1.170	135.4	934	507.3	4.49	Ⅰ
G5	0.000	0.052	0.739	0.208	3.156	646.6	4400	2216.0	24.87	Ⅲ
G6	0.000	0.000	0.530	0.470	3.470	1168	4600	2292.2	35.54	Ⅲ
G7	0.000	0.468	0.532	0.000	2.532	621.2	2380	1360.1	19.48	Ⅲ
G8	0.147	0.853	0.000	0.000	1.853	344.6	1500	908.3	11.76	Ⅱ
G9	0.000	0.005	0.864	0.132	3.127	906.1	3220	1953.7	28.66	Ⅲ
G10	0.483	0.517	0.000	0.000	1.517	277.7	1152	663.5	8.51	Ⅱ
G11	0.990	0.010	0.000	0.000	1.010	74.32	624	369.2	2.55	Ⅰ
G12	0.080	0.848	0.072	0.000	1.992	443.5	1563	896.2	13.48	Ⅱ
G13	0.942	0.058	0.000	0.000	1.058	118	741	412.0	4.10	Ⅰ
G14	0.081	0.901	0.018	0.000	1.937	401.3	1513	930.1	12.47	Ⅱ
G15	0.008	0.786	0.206	0.000	2.198	541.9	1733	1028.1	15.63	Ⅱ
G16	0.000	0.667	0.333	0.000	2.333	463.5	2290	1343.0	15.99	Ⅱ
G17	0.000	0.000	0.867	0.133	3.133	769	4060	2048.0	24.49	Ⅲ
G18	0.662	0.338	0.000	0.000	1.338	218.4	939	569.8	7.28	Ⅰ
G19	0.000	0.095	0.841	0.064	2.969	655.6	3490	2013.5	22.16	Ⅲ
G20	0.000	0.318	0.682	0.000	2.682	675.4	2490	1488.5	21.88	Ⅲ
G21	0.000	0.338	0.662	0.000	2.662	540.1	2850	1644.2	19.80	Ⅲ
G22	0.000	0.035	0.904	0.061	3.026	856.9	3230	1690.4	26.24	Ⅲ
G23	0.038	0.412	0.549	0.000	2.511	307.8	2750	1693.9	15.77	Ⅲ

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