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水 利 学 报 年 月 第 卷 第 期 文章编号 突变理论在海河流域地下水环境风险评价中的应用 李绍飞 孙书洪 王向余 天津农学院水利工程系 天津 清华大学土木工程系 北京 摘要 介绍了突变理论基本原理及评价方法 根据海河流域地下水环境特征及几十年的演变过程 提出了地下水环 境风险评价指标体系 并将其应用于流域内天津 沧州 衡水 石家庄和唐山等 个典型区域的地下水环境风险评 价中 应用结果表明 该方法的评价结果与相关资料显示的各区域地下水环境实际情况基本吻合 与应用较成熟 的模糊综合评价结果基本一致 并验证了突变理论方法用于地下水环境风险评价的可行性 相对于以往评价方 法 突变理论评价法无需确定指标权重 减少人为主观因素 且计算简便 为区域地下水环境质量综合评价提供了 新的方法 关键词 突变理论 地下水环境 风险评价 指标体系 海河流域 中图分类号 文献标识码 海河流域地处温带半干旱季风气候区 多年平均降水量 是我国东部沿海降水最少的地区 地下水承担着全流域近 的供水需求量 自人类对地下水实施开采活动以后地下水环境状况在逐 渐发生改变 回顾 世纪海河流域地下水的开发历程 大致可划分为初期 扩大 大力发展和超采 个 时期 相应地 地下水系统先后经历了稳定自然演变 可恢复调节自然演变 过渡性自然演变以及不正 常的自然 人工二元演变模式等阶段 世纪 年代以来 深 浅层地下水都处于严重的超采状态 水位持续下降 长期过量无序地开采地下水 不仅大量消耗了地下水天然储量 改变了补给排泄条件 引起水位下降 平原地区降落漏斗逐年扩大 地面沉降 海水倒灌等一系列环境地质问题 并且 水量减 少使得水体自净能力减弱 水环境变差 近年来 类优质地下水呈明显下降趋势 这种情况下 开 展海河流域地下水环境风险评价问题的研究是很有意义的 根据地下水环境区域划分的研究结果 海河流域地下水系统可初步划分为山区 山前地带和中东部 平原三个大的地下水环境分区 山区地带人工开采程度不高 目前地下水环境问题最为严重的是山前地 带和中东部平原浅层地下水分区 本文重点对其加以研究 以往在地下水环境综合评价问题的研究中 多采用主观权重确定的方法 如 法 模糊综合法 灰色关联法等 而本文则基于突变理论 对地下 水环境构成因子众多 涵盖领域广的复杂巨系统构建分层递阶评价指标体系 利用初始模糊隶属函数和 归一公式对其进行量化递归运算 最后得到不同区域地下水环境风险的总突变隶属函数值 此法优点 在于 没有对评价指标采取权重 却考虑了各指标间的相对重要性 减少了主观人为性 又不失科学性和 合理性 并且计算简易准确 很值得应用和推广 突变理论综合评价方法 突变理论 是法国数学家 创立的一门研究非连续变化和突变 质变 现 象的新兴数学学科 被誉为 微积分以后数学上的一次革命 突变理论能够直接处理不连续性 而不 收稿日期 作者简介 李绍飞 女 黑龙江人 博士 讲师 主要从事水环境问题研究 联系任何特殊的内在机制 特别适用于内部作用尚未确知系统的研究 虽然突变理论的证明涉及数学 基础较深 但应用模型相对简单 因此运用领域广阔 十多年来 已在许多领域取得了大量应用性成果 也适用于多目标评价问题的研究 多目标评价即是对多个对象 指标 的选优排序 而这多种对象 指 标 表现出不同的质态 因而可用突变数学模型进行对象的多种目标 准则 排序选优 突变理论基本原理 突变理论的特点是根据系统的势函数将系统的临界点分类 研究分类临界点 附近非连续变化状态的特征 从而归纳出若干个初等突变模型 一般所讲的突变理论是指 归 纳的 个初等突变模型 进行综合评价时 常用的突变模型有尖点突变 燕尾突变和蝴蝶突变 皆为 一个状态变量 见表 其中