RD預(yù)報模型在渠井結(jié)合灌區(qū)地下水位動態(tài)預(yù)測中的運用

汪建武,賀 屹

(1.甘肅省水利廳,甘肅 蘭州 730030;2.長安大學(xué),陜西 西安 710054;)

近年來,地下水數(shù)值模型已成功運用于地下水動態(tài)預(yù)測和優(yōu)化管理的各個方面[1]。但由于地下水的形成和演化受到氣候、地質(zhì)、水文及生態(tài)等環(huán)境條件的影響[2],一方面,影響地下水位動態(tài)各種因素當中,其含水層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)等,都可以用確定性地下水數(shù)值模型來描述;另一方面,有些輸入變量是不確定的,如降水量、引水量、地下水開采量等變量,這種隨機性正是地下水系統(tǒng)模擬不確定性的重要原因。正是由于地下水系統(tǒng)的兩重性,才出現(xiàn)了基于隨機——確定(random-determination簡稱RD)耦合方法的地下水預(yù)報模型[3-4]。

1 研究區(qū)概況

陜西省涇惠渠灌區(qū)是我國西北一個典型的渠井結(jié)合灌區(qū),建區(qū)70多年來,對關(guān)中地區(qū)的糧食生產(chǎn)起著至關(guān)重要的作用。灌區(qū)位于陜西省關(guān)中平原中部,總面積為1 180 km2,屬于大陸性半干旱氣候區(qū),夏季氣溫高,雨量多而集中;冬季寒冷干燥,雨量稀少,蒸發(fā)作用強烈。多年平均降水量為538.9 mm,年平均蒸發(fā)量為1 212 mm。灌區(qū)由于取水河道上游修建水庫蓄水和工農(nóng)業(yè)用水量增加,河源來水量逐年銳減,再加上渠首水利工程設(shè)施年久失修,導(dǎo)致了該區(qū)地下水開采量的增加,灌區(qū)地下水埋深由20世紀80年代的5 m～10 m下降到目前的20 m～30 m,個別地區(qū)達到了50 m,引發(fā)了一系列的環(huán)境地質(zhì)問題。

2 基于Visual Modflow的灌區(qū)地下水三維運動模型

2.1 含水層概化及水文地質(zhì)分區(qū)

研究區(qū)第四系孔隙含水巖組分為淺層潛水——承壓水含水層組,上下兩個含水層之間分布有厚度穩(wěn)定的弱透水層。綜合研究區(qū)水文地質(zhì)條件,并考慮地下水開采利用現(xiàn)狀及供水意義,從地下水流動系統(tǒng)的觀點出發(fā),將研究區(qū)含水層系統(tǒng)概化為三層結(jié)構(gòu)立體化的水文地質(zhì)模型,水平方向劃分13 800多個有效單元格,同時利用MAPGIS軟件建立灌區(qū)三維地質(zhì)模型并導(dǎo)入到模型當中。

區(qū)內(nèi)潛水含水巖組的形成、分布、巖層相變及厚度變化主要受到基底地質(zhì)構(gòu)造和地貌單元的控制,因此,以地貌單元作為水文地質(zhì)分區(qū)的依據(jù),將灌區(qū)劃分為4個區(qū),7個亞區(qū)。

2.2 邊界條件概化及源、匯項的處理

研究區(qū)北部是黃土臺塬,灌區(qū)地下水系統(tǒng)從此方向接收上游含水層的側(cè)向補給,因此,將其設(shè)定為通用水頭邊界。涇河、渭河、石川河分別位于研究區(qū)的西部、南部和東部,為地下水的主要水平排泄區(qū),僅在汛期河水高水位期,對地下水產(chǎn)生短暫的補給,其量甚微。因此把這幾條河流設(shè)為排水溝邊界。

灌區(qū)內(nèi)渠系交錯,各種開采井密布,源匯項主要概化為:降雨、區(qū)內(nèi)河流入滲、渠道入滲、灌溉入滲、開采回補、蒸發(fā)、地下水開采等,利用Visual Modflow中各種模塊結(jié)合實地試驗數(shù)據(jù)輸入模型。

2.3 模型識別及檢驗

模型選用了77個觀測井,識別期從1999年1月1日到2004年12月31日,檢驗期從2005年1月1日至2008年12月31日,共10年時間進行模型的識別及檢驗。模型中設(shè)置時間步長為10,共100個時間步數(shù)。通過判別模型的平均殘差(Mean Sum of Residuals,MSR);均方差(Root Mean Square,RMS);標準化均方差(Normalized Root Mean Square,NRMS);相關(guān)系數(shù)(Correlation Coefficent,CC),對模型的精度和穩(wěn)定性進行分析(表1,圖1)。

表1 模型識別及檢驗結(jié)果

圖1 實測與模擬灌區(qū)地下水位對比圖

通過對模型擬合和檢驗過程中的擬合圖和主要統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析,可知該模型對涇惠渠灌區(qū)的水文地質(zhì)條件概化和邊界條件的確定比較合理、準確,模型能夠比較好的反映出該研究區(qū)的實際情況,模型水文參數(shù)取值合理,運行穩(wěn)定,可以用來對灌區(qū)的地下水位進行預(yù)測研究。

3 RD預(yù)報模型的建立

針對影響涇惠渠灌區(qū)地下水動態(tài)的主要影響因素,在地下水位預(yù)測當中,將對降雨量采用時間序列模型預(yù)測,灌區(qū)引水量和開采量采用基于 RBFANN結(jié)構(gòu)的方法來進行預(yù)測,結(jié)合灌區(qū)地下水運動三維數(shù)值模型來預(yù)測目標年份的地下水水位動態(tài)變化。

3.1 應(yīng)用時間序列預(yù)測降水量變化趨勢

時間序列分析是一種統(tǒng)計數(shù)學(xué)模型方法,它是基于平穩(wěn)隨機序列的相關(guān)分析與頻譜分析理論與方法之上,討論自身變化的統(tǒng)計規(guī)律[5-6]。任何時間序列模型都是由趨勢項、周期項和隨機噪聲項這三部分組成的。本文利用灌區(qū)實驗站1959年—2008年50年的降水量資料,采用最小二乘法提取其趨勢成分,用頻譜分析其周期成分,由ARMA(2.2)模型給出其隨機成分,得出灌區(qū)2010年—2020年降水量變化趨勢(圖2)。

圖2 降水量模擬檢驗及預(yù)測趨勢圖

3.2 基于RBF-ANN結(jié)構(gòu)的地下水開采量和引水量預(yù)測

徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(RBF-ANN)是一種3層前向式網(wǎng)絡(luò)模型[7-9],模型設(shè)計輸入變量為1985年—2008年涇惠渠灌區(qū)地下水開采量和引水量,輸出變量為預(yù)測時段地下水開采量和引水量,采用3層單輸入、單輸出,隱層單元待定結(jié)構(gòu)建立網(wǎng)絡(luò),以誤差指標最小為原則選擇網(wǎng)絡(luò)類型和隱層單元數(shù),建立模型。設(shè)計時間序列周期為1,隨機選擇12個訓(xùn)練樣本,6個檢驗樣本和6個測試樣本,隱含層傳遞函數(shù)采用雙曲正切S型,輸出層采用線性函數(shù),通過反復(fù)訓(xùn)練,檢驗,得出各模擬參數(shù)的預(yù)測值(圖3)。

4 研究區(qū)地下水動態(tài)預(yù)測

利用建立的RD預(yù)報模型,對2020年涇惠渠灌區(qū)地下水位進行預(yù)測,結(jié)果如圖4。

圖3 灌區(qū)地下水開采量和引水量預(yù)測圖

圖4 2008年與2020年灌區(qū)地下水位和埋深對比圖

由圖4可知,預(yù)測的2020年與2008年的現(xiàn)狀相比,雖然整個灌區(qū)流場的總體趨勢沒有發(fā)生多大變化,仍然呈現(xiàn)出從西北流向東南的態(tài)勢,但灌區(qū)地下水位不斷下降,降落漏斗的范圍、降深均呈增大的趨勢。至2020年,地下水位平均下降了4.1 m,平均下降速度為0.23 m/a。由此可見,地下水位進行了高低水位轉(zhuǎn)換,水位低的面積逐漸在向西北擴大。

由圖4還可以看出,降落漏斗的面積仍在繼續(xù)擴大,中心點的水位持續(xù)降低。灌區(qū)下游地區(qū)的幾個降落漏斗已經(jīng)連成一片,形成了一個包括3個小漏斗的大降落漏斗,其中心點水位的埋深已經(jīng)超過了40 m。另一個閻良站附近的降落漏斗,其影響范圍仍在擴大,前鋒已經(jīng)到達樓底站附近,有向大漏斗靠近的趨勢。與此同時,灌區(qū)中上游的三原縣城附近和三渠試驗站附近,地下水位持續(xù)下降,有出現(xiàn)新的降落漏斗的苗頭。

5 結(jié) 論

綜上所述,這種單片機輔助的探地雷達現(xiàn)場采樣方法相比于傳統(tǒng)的現(xiàn)場采樣方法主要具有如下優(yōu)點:

(1)減小雷達采樣過程中的干擾,從而減小圖像的相對運動模糊,提高圖像復(fù)原質(zhì)量;

(2)降低使用條件,減小使用環(huán)境限制;

(3)由機器進行報數(shù)操作,減少人工工作及人力成本。

在這種方法中所使用的輔助裝置作為一項專門針對探地雷達使用的硬件設(shè)計,目前還沒有同類產(chǎn)品,新裝置彌補了國內(nèi)在這個領(lǐng)域的空白。

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