地下水動態(tài)預報 DAMSM模型的研究及應用

李海軍

(山西省水利水電科學研究院,山西太原 030002)

水資源合理開發(fā)利用、地下水的采補平衡,對保護生態(tài)環(huán)境有著非常重要的意義,一些發(fā)達國家對這一問題認識較早,非常注意地下水的采補平衡,而在我國還處于初級研究階段。本研究通過對試點地下水的長期、及時監(jiān)測資料,考慮地下水的動態(tài)性和受水文年份影響的隨機性,建立地下水動態(tài)預測預報的 DAMSM模型(動態(tài)數(shù)據(jù)機理自記憶模型預報技術),進行地下水動態(tài)預測預報,及時、準確地掌握區(qū)域地下水環(huán)境狀態(tài),確定區(qū)域地下水資源的可供給量,為區(qū)域水資源總量分析和合理配置提供依據(jù)。

1 地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng)的建設

由于地下水的動態(tài)性和受水文年份影響的隨機性,進行地下水位自動監(jiān)測,及時、準確地掌握地下水位的變化情況,根據(jù)監(jiān)測到的年地下水盈虧量和地下水動態(tài)預測預報結果,制定下年度的地下水開采計劃。地下水位自動監(jiān)測系統(tǒng),為了重點推進以地下水位監(jiān)測和控制為主的信息化建設,結合降雨、灌溉等資料分析地下水位的變化情況,在太原市小店區(qū)西溫莊鄉(xiāng)的我院節(jié)水示范基地,利用基地現(xiàn)有機井 2眼,深(200 m)、淺(60 m)井結合,建立地下水自動監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應用傳感技術、自動控制技術、計算機技術等,實現(xiàn)地下水位監(jiān)測、采集、存儲、傳輸、數(shù)據(jù)進行分析、實現(xiàn)了地下水監(jiān)測管理的自動化。

該系統(tǒng)在每個監(jiān)測井上安裝專用采集器;采集器實時采集地下水位數(shù)據(jù),通過 A/D變送器把所采集的數(shù)據(jù)傳輸給智能控制器;智能控制器利用有線通訊模塊把數(shù)據(jù)傳回總控室;總控室接收到數(shù)據(jù)后通過數(shù)據(jù)處理軟件對數(shù)據(jù)進行匯總、分析處理,并能夠真實可靠地在顯示屏上模擬顯示當前靜態(tài)水位、動態(tài)水位和水位曲線圖等。

本系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。

硬件部分由中央控制計算機、地下水位自動采集器、數(shù)據(jù)傳輸設備、自動控制技術等對地下水進行全面自動化監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)分析等。所有測量、控制單元集中安裝在設備機箱中,便于維護管理。數(shù)據(jù)采集通過通訊設備由計算機控制,實現(xiàn)對機井水位變化參數(shù)的實時采集。

軟件部分由遠程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊及遠程監(jiān)測終端(220 V供電)組成,可以實時顯示地下水位狀態(tài),將采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、傳輸、分析運算等處理,及時、準確地提供地下水位的變化情況。軟件操作界面見圖 1。

圖1 地下水動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)軟件界面圖

2 地下水位動態(tài)預報的 DAMSM模型建立

2.1 概述

地下水位動態(tài)的變化是一個復雜的非線性過程,它受一系列自然和人為因素的影響。特別是地下水位的多年變化,由于年際間降水、蒸發(fā)及總體水均衡程度的差異以及各年的平均水位、水位變幅也有一定的變異性,使得多年地下水位的序列規(guī)律性較差,難于識別和預測。

較早的地下水位動態(tài)預測模型可分為確定性模型和隨機模型,其中確定性模型的求解主要有解析法、數(shù)值法和物理模擬法,隨機性模型有回歸分析法、頻譜分析法等,這些方法有的只適用于簡單的水文地質(zhì)條件,有的由于邊界狀況及水文地質(zhì)參數(shù)的不確定性而難以精確反映地下水系統(tǒng)復雜的非線性關系,有的模型由于維數(shù)高而求解困難。近年來,一些新的理論和方法被用于地下水位變化的動態(tài)預測,如模糊識別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡、徑向基函數(shù)等,但這些方法均需要分析確定影響地下水位動態(tài)變化的主要因素,并需要收集整理與地下水位動態(tài)觀測序列相應的多種影響因素數(shù)據(jù),在實際中難免存在一定困難或誤差。本研究運用動態(tài)數(shù)據(jù)反演建模法建立的地下水位動態(tài)預測自記憶模型,避免了眾多數(shù)據(jù)的收集整理,只涉及地下水位觀測序列本身,方便實用且具有較高的預測精度。

2.2 自記憶預報模型原理

基于物理運動不可逆性提出的自憶性原理,對于具有一組時間序列的系統(tǒng),可將觀測數(shù)據(jù)序列視為描寫非線性動力系統(tǒng)的一個特解,通過反演導出系統(tǒng)的一個微分方程,以微分方程為動力核建立包含多個時次值的預報模型,稱為自記憶模型。

2.3 地下水位預報模型的建立

利用小店區(qū)多年地下水位埋深長觀井觀測資料,本次選取 2007～2010年連續(xù) 4年 48個月地下水埋深觀測資料,并編號 1—48。 建模樣本為 1—40號,建模樣本量 N=40;試報樣本 41—48號,試報樣本量 Q=8。根據(jù)上述方法,建立地下水埋深動態(tài)預測模型。取回溯階,則反導得微分方程

據(jù)此建立自憶性方程,離散化后用最小二乘法求記憶系數(shù),最終得到預報方程

3 地下水位動態(tài)預報的 DAMSM模型應用

利用地下水位動態(tài)預報的DAMSM模型對小店區(qū) 2010年 6月的地下水埋深進行模擬計算,實測值和模擬值及誤差分析見下表 1,絕對誤差和相對誤差都比較小,符合模型預測精度。

選取小店區(qū)2007年和 2009年 36個月地下水位月末變化過程線,分析年內(nèi)地下水位變化規(guī)律?？梢?每年 2～4月地下水位最高,春灌開始后水位下降,8～10月地下水位最低。

對小店區(qū)實施了降水量與地下水水位關系的觀測,取得了多個實測數(shù)據(jù),得出地下水位與降雨關系,見圖 2.

圖2 小店區(qū) 2007-2009年地下水位與降水量關系圖

從上圖可以看出:夏季,地下水的蒸發(fā)和開采量最大,水位直線下降;進入秋季,降水量增加而蒸發(fā)量減少,地下水位保持在較低水位;冬春兩季,由于氣溫低,蒸發(fā)很小,用水量相對也很小,故地下水位逐漸恢復,至三月份達到最高。

(1)地下水位下降月份 07、08、09年分別有 5、6、6個,占到全年的一半,主要集中在 2月至 7月份,從春澆開始一直到夏季豐雨季節(jié)來臨一直是地下水位下降的時期。下降最多的是 2007年6～7月,累計下降 14.94m,下降持續(xù)最長的是 2009年,從 3月至7月連續(xù) 5月持續(xù)下降,累計下降9.45m。

(2)地下水位回升集中在 10月至來年 1月份,這與這個時期灌溉用水量大幅減少有關,對于超采區(qū)來說,即便夏季降雨量豐富,也難以保證地下水位回升。

(3)2007年 6～10月份連續(xù)的、豐富的降雨減少了農(nóng)業(yè)灌溉用水同時回補了地下用水,使得 07年 8月份以后出現(xiàn)少見的水位持續(xù)回升;2008年 6月正值農(nóng)忙季節(jié),以往都是水位下降的時期,但是下了幾場及時雨水位出現(xiàn)了回升;同樣 2009年 7～8月份大量降雨,8月份后開始出現(xiàn)回升,緊接著 9月份降雨量減少,地下水位立馬開始降低?？梢姵蓞^(qū)的地下水位與降雨關系更加緊密和明顯,降雨量得多少,降雨次數(shù)的多少直接、明顯的反應在地下水位的升降上。

表1 地下水埋深模型預報結果表

4 地下水位與灌溉、降水量關系分析

從前面的分析中我們可以知道降雨多少會直接影響地下水開采量的大小,從監(jiān)測數(shù)據(jù)中我們分析得出,每次大的降雨都會造成地下水位的回升,不僅僅是因為地表水滲漏補充了,更多的是因為用于農(nóng)業(yè)灌溉的地下水開采量小了。07～08年降雨減少 226.1 mm,年均地下水位降低 2.35 m,08～09降雨增加 106.1mm,年均地下水位降低 1.03m,可見對超采區(qū)來說,降雨對地下水位的影響是全期的、緊密的、明顯的、重要的。

5 結論及建議

由于項目經(jīng)費限制,只安裝 2個井的地下水位監(jiān)測點,如要制定完整的地下水開采計劃、對區(qū)域水資源總量進行分析和合理配置則需要進一步的監(jiān)測,同時還應增加觀測井的數(shù)量,才能使監(jiān)測結果更具有代表性。

通過對試點地下水的長期監(jiān)測資料,建立地下水動態(tài)預測預報的 DAMSM模型,進行地下水動態(tài)預測預報,及時、準確地掌握地下水環(huán)境狀態(tài),確定區(qū)域地下水資源的可供給量,進行區(qū)域水資源總量分析和合理配置,就能真正做到“用水總量控制和定額管理”。