利用信息量分析法寻找地下矿化水源

利用信息量分析法寻找地下矿化水源

А.Б·里森科夫^[1]

（俄罗斯国立地质勘探大学水文地质系教授）

【摘　要】采用信息分析法寻找地下矿化水源是一种从水文生态概念出发系统化研究问题的方法。本文简介了对水文生态系统进行模型化时的基本要求，并以在俄罗斯北高加索的两个应用实例说明了方法的应用步骤。该法具有一定应用前景。

【关键词】水文生态系统，信息模型，特征值，指标信息

Find source of underground mineralized water used by information analysis

A.B.Lisenkov（ЛисёнковА.Б.）

（Russia　State University of Geosciences）

【Abstract】To find source of underground mineralized water used by information analysis is systematic research method from hydro－ecological concept.This article introduces basic requirements of the model of hydro－ecological system，and shows the applying steps of this method by two examples at north Caucasus in Russia.This method has good application prospect.

【Key words】Hydro－ecological system，information model，eigenvalue，，indexical information

本文所研究的方法，是从水文生态概念出发的一种系统化研究问题的方法。水文生态系统是一种开放式的动态系统，它主要由4个子系统组成:水文地质子系统、地貌气候子系统、生态子系统和人类活动子系统。这些子系统在环境要素信息转换的每个阶段都有着相互联系（图1）。

图1　水文生态系统简图

Fig.1　The brief introduction chart of hydro—ecological system

1.采用信息分析法建立水文生态系统模型简介

1.1　模型的建立

I（Y∶X_n X_k）＝I（Y）－I（Y/X_n X_k）（1）

式中，I（Y）为评价对象Y的全信息量；I（Y:X_n X_k）为评价对象Y和复合指标X_n X_k的互信息量；I（Y/X_n X_k）为评价对象Y和复合指标X_n X_k的条件信息量。

如果复合指标X_n X_k在转换的过程中，条件熵等于0，即I（Y/X_n X_k）＝0，（也就是说补充一些新的评价指标值也不会增加与评价对象Y有关的信息量），那么I（Y:X_n X_k）＝I（Y），此时的预测结果是唯一值。

在实际研究中，将环境的自然要素模型化时，需要补充一些详细的环境要素指标。这样就会产生一些误差，并且这些误差在模型化的过程中会产生积累；因此，通常在寻找水源以及预测其储存量的问题时难免会有一定的误差。模型化过程中的误差（Δ）分为以下几类:

·高效型模型　Δ＜5%；

·有效性模型　Δ＝5%～15%；

·中效型模型　Δ＝15%～25%；

·低效型模型　Δ＝25%～35%；

·无效型模型　Δ＞35%

1.2　信息模型的优点

（1）信息模型对输入信息没有限制。在模型化时，可以采用地貌、地质和人类活动的特征，具有定性评价和定量（地下水量、矿化度值等等）的特点。

（2）信息模型作为概率模型，不具有限制性。

1.3　对水文生态系统进行模型化时，对指标信息的要求

（1）普遍性:在模型中要包含描述水文生态中所有子系统（人为活动子系统、地貌子系统、生态子系统、地质子系统）的指标。

（2）相关性:所包含的指标X_iX。根据专家的建议，这些输出指标对评价对象Y函数有不同的响应，该评价对象是黑箱模型Y＝R（X）中的预测函数。这里的指标X_i X为水文生态系统状态的指标；Y为能够描述水文生态状况的预测函数；R为运算法则。

（3）独立性:模型中所有的初始指标都同等重要，在模型化的过程中将这些指标分为有效值和无效值。

因子:主要的影响因素。公式（1）中，各因子X_i组成了各个子系统特征值的集合，它影响水文生态系统的形成、发展，它对外部作用也有响应（人为活动）。这些因子用组合的指标值X_k X_n来描述。

1.4　划分主要因子时必须考虑的因素

（1）所选取的因子中每一个因子对评价对象Y的影响都很大。

（2）当系统中空间位置点发生变换时，是否会影响评价对象Y的变化。

利比希（Liebig）的最小因子定律解释了第一个问题:有一类因素的最小变化可以影响评价对象Y的变化，这种因素被称之为限制因子。换句话说，限制因子是以最小的量制约系统发展轨迹的因子。在生态学中经典的限制因子例子是:

——狼群的最低数量会影响到保障麋鹿群存活的总数。

——最少饲料的用量，在一定程度上限制着乳牛的产量。

在水文地质研究中，地下水限制因子主要使用在以下两个方面:①地下水的储量和可利用量的限值；②地下水质量（最高允许浓度，用以确定饮用水毒理学指标的超标情况）。

在生态学中，与利比希定律类似的还有美国V.E·谢尔福达（V.E.Shelford）的耐受性法则，其内容是:对于所有因素中的每个因素都存在着耐受性的限值，当超过这个限值时，系统和子系统将不复存在。例如，当潜水位下降低于水位极限值时，将引发一系列的水文生态事件；当包气带中水分下降时，将会改变生长在表层土壤的植物种类，进而影响生态系统中的动物群，并使自然地貌发生变化，随着物种多样性的下降，最终导致生态系统功能的退化。

2.在寻找纳尔赞和埃森图基地区的矿化水时的应用实例

纳尔赞和埃森图基地区位于俄罗斯北高加索，在寻找上述地区地下水矿化水源时，所建立的信息模型是按照以下计算过程（图2）完成的。

首先，在所建立图件分析的基础上得到了特征值X_i，采用这些指标主要是为了形成空间信息模型。现将该区域格栅成一些小块，特征值位于每一个方格的中心点。

然后，完成计算指标值X_i的信息量，这些指标与评价对象Y有关。本例中，评价对象能够反映矿化水的特性，即:地下水矿化度和CO₂的浓度。

图2　建立信息模型简图

Fig.2　The brief chart of setting up information model

特征值X_i的信息量与矿化度值的互信息量在5%～30%范围内。为了使得信息量增加，对各指标进行了组合，使得互信息量达到50%，之后借助于这些指标值，可以完成识别模型，并在研究区中预测出地下水的矿化度值。

运用同样步骤可完成测试块中各指标值与CO₂气体含量的互信息。由于所得到的模型预测CO₂浓度高的地区时不具高效性，故在模型中增加了一些地质构造的特征值（如断层接触带，层间的线性密度，主要的断面），这些特征值都是根据卫星影像图读取的。这些特征值添加到预测信息模型后，模型就能够达到所要求的有效性，并可高精度地完成对CO₂浓度高的地区进行预测。预测矿化度和CO₂浓度前、后的对比图3～图6如下。

图3　预测前矿化度等值线图

Fig.3　The contour map of mineralization before forecast

图4　预测后矿化度等值线图

Fig.4　The contour map of mineralization after forecast

图5　预测前CO₂浓度等值线图

Fig.5　The contour map of CO₂ content before forecast

图6　预测后CO₂浓度等值线图

Fig.6　The contour map of CO₂ content after forecast

3.结论

（1）侏罗纪的地下水化学成分强烈变化发生在西北方向（地貌变化的方向和断裂的主要方向）。

（2）地下水的矿化度和到侏罗纪顶板处的深度之间的关系，明显的反映了在地下水化学成分形成过程中沉积层所起的作用。

（3）矿化度、底板的绝对标高与二氧化碳浓度之间的关系，反映了从底板处向上流动的液体会影响地下水的形成。

（4）CO₂气体是表征侏罗纪地下水饱和性的一个指标。监测项为:X₆到顶板的深度，X₉底板顶部的绝对标高，X₁₃渗流水平梯度，X₁₇断层接触点，X₁₉西北方向层间的线性密度。

（5）上述指标的计算结果表明，在解决寻找CO₂水源的预测问题时，预测模型具有很高的有效性（误差大约为25%）。

（6）方法的应用前景。在不确定的条件下（当存在各种因素的信息:生态、人为活动、水文地质、地质、经济等等），如何选取解决问题的有效措施，取决于模型Y＝R（X_i）中的Y。

进行各类勘察工作的规划，需剔除无效信息特征值，选取有效信息特征值进行绘图，这势必需要花费一些资金。本文采用的经验所得方法，可以将这部分的花销降低2～3倍。

4.附录（APPendix）

图7　埃森图基地区矿化水形成简图

Fig.7　The brief chart of the form of mineralized water at the base section of Essen map

表1　模型化所需指标

Table 1　The index is for modeling

续表

图8　对研究区栅格化后

Fig.8　The study area after rasterizing

图9　地貌

Fig.9　Geo morphologic map

图10　构造地质图

Fig.10　Tectonic geology map

图11　人为载荷图

Fig.11　Human load diagram

图12　K₂－P₁顶板厚度分布图

Fig.12　The chart of thickness distribution to K₂－P₁ roof

图13　K₂－P₁等高线

Fig.13　The contour line of K₂－P₁

图14　基岩顶板等高线

Fig.14　The contour line of bedrock roof

图15　沉积层等厚线

Fig.15　The contour line of sedimentary layer

图16　K₂－P₁的等厚线

Fig.16　The is opach of K₂－P₁

图17　K₂－P₁的水位线

Fig.17　The waterline of K₂－P₁

（俄译中:李军媛，中译英:郭曼）

【注释】

[1]作者简介:А.Б·里森科夫，俄罗斯自然科学院通讯院士，俄罗斯国立地质大学水文地质系教授。