李海軍

(山西省水利水電科學(xué)研究院,山西太原 030002)

水資源合理開發(fā)利用、地下水的采補(bǔ)平衡,對(duì)保護(hù)生態(tài)環(huán)境有著非常重要的意義,一些發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)這一問題認(rèn)識(shí)較早,非常注意地下水的采補(bǔ)平衡,而在我國(guó)還處于初級(jí)研究階段。本研究通過對(duì)試點(diǎn)地下水的長(zhǎng)期、及時(shí)監(jiān)測(cè)資料,考慮地下水的動(dòng)態(tài)性和受水文年份影響的隨機(jī)性,建立地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的 DAMSM模型(動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)機(jī)理自記憶模型預(yù)報(bào)技術(shù)),進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),及時(shí)、準(zhǔn)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)

由于地下水的動(dòng)態(tài)性和受水文年份影響的隨機(jī)性,進(jìn)行地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè),及時(shí)、準(zhǔn)確地掌握地下水位的變化情況,根據(jù)監(jiān)測(cè)到的年地下水盈虧量和地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果,制定下年度的地下水開采計(jì)劃。地下水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),為了重點(diǎn)推進(jìn)以地下水位監(jiān)測(cè)和控制為主的信息化建設(shè),結(jié)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(jī)井 2眼,深(200 m)、淺(60 m)井結(jié)合,建立地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等,實(shí)現(xiàn)地下水位監(jiān)測(cè)、采集、存儲(chǔ)、傳輸、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、實(shí)現(xiàn)了地下水監(jiān)測(cè)管理的自動(dòng)化。

該系統(tǒng)在每個(gè)監(jiān)測(cè)井上安裝專用采集器;采集器實(shí)時(shí)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總、分析處理,并能夠真實(shí)可靠地在顯示屏上模擬顯示當(dāng)前靜態(tài)水位、動(dòng)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(jì)算機(jī)、地下水位自動(dòng)采集器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、自動(dòng)控制技術(shù)等對(duì)地下水進(jìn)行全面自動(dòng)化監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析等。所有測(cè)量、控制單元集中安裝在設(shè)備機(jī)箱中,便于維護(hù)管理。數(shù)據(jù)采集通過通訊設(shè)備由計(jì)算機(jī)控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)井水位變化參數(shù)的實(shí)時(shí)采集。

軟件部分由遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端(220 V供電)組成,可以實(shí)時(shí)顯示地下水位狀態(tài),將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、傳輸、分析運(yùn)算等處理,及時(shí)、準(zhǔn)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(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面圖

2 地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的 DAMSM模型建立

2.1 概述

地下水位動(dòng)態(tài)的變化是一個(gè)復(fù)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(shí)別和預(yù)測(cè)。

較早的地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型可分為確定性模型和隨機(jī)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(jī)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(jiǎn)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(fù)雜的非線性關(guān)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(dòng)態(tài)預(yù)測(cè),如模糊識(shí)別、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、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(dòng)態(tài)變化的主要因素,并需要收集整理與地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)序列相應(yīng)的多種影響因素?cái)?shù)據(jù),在實(shí)際中難免存在一定困難或誤差。本研究運(yùn)用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)反演建模法建立的地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)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(cè)序列本身,方便實(shí)用且具有較高的預(yù)測(cè)精度。

2.2 自記憶預(yù)報(bào)模型原理

基于物理運(yùn)動(dòng)不可逆性提出的自憶性原理,對(duì)于具有一組時(shí)間序列的系統(tǒng),可將觀測(cè)數(shù)據(jù)序列視為描寫非線性動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)特解,通過反演導(dǎo)出系統(tǒng)的一個(gè)微分方程,以微分方程為動(dòng)力核建立包含多個(gè)時(shí)次值的預(yù)報(bào)模型,稱為自記憶模型。

2.3 地下水位預(yù)報(bào)模型的建立

利用小店區(qū)多年地下水位埋深長(zhǎng)觀井觀測(cè)資料,本次選取 2007～2010年連續(xù) 4年 48個(gè)月地下水埋深觀測(cè)資料,并編號(hào) 1—48。 建模樣本為 1—40號(hào),建模樣本量 N=40;試報(bào)樣本 41—48號(hào),試報(bào)樣本量 Q=8。根據(jù)上述方法,建立地下水埋深動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型。取回溯階,則反導(dǎo)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(yù)報(bào)方程

3 地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的 DAMSM模型應(yīng)用

利用地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的DAMSM模型對(duì)小店區(qū) 2010年 6月的地下水埋深進(jìn)行模擬計(jì)算,實(shí)測(cè)值和模擬值及誤差分析見下表 1,絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差都比較小,符合模型預(yù)測(cè)精度。

選取小店區(qū)2007年和 2009年 36個(gè)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(duì)小店區(qū)實(shí)施了降水量與地下水水位關(guān)系的觀測(cè),取得了多個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得出地下水位與降雨關(guān)系,見圖 2.

圖2 小店區(qū) 2007-2009年地下水位與降水量關(guān)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(jìn)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(duì)也很小,故地下水位逐漸恢復(fù),至三月份達(dá)到最高。

(1)地下水位下降月份 07、08、09年分別有 5、6、6個(gè),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(shí)期。下降最多的是 2007年6～7月,累計(jì)下降 14.94m,下降持續(xù)最長(zhǎng)的是 2009年,從 3月至7月連續(xù) 5月持續(xù)下降,累計(jì)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(gè)時(shí)期灌溉用水量大幅減少有關(guān),對(duì)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(shí)回補(bǔ)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(shí)期,但是下了幾場(chǎng)及時(shí)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(guān)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(yīng)在地下水位的升降上。

表1 地下水埋深模型預(yù)報(bào)結(jié)果表

4 地下水位與灌溉、降水量關(guān)系分析

從前面的分析中我們可以知道降雨多少會(huì)直接影響地下水開采量的大小,從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中我們分析得出,每次大的降雨都會(huì)造成地下水位的回升,不僅僅是因?yàn)榈乇硭疂B漏補(bǔ)充了,更多的是因?yàn)橛糜谵r(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(duì)超采區(qū)來說,降雨對(duì)地下水位的影響是全期的、緊密的、明顯的、重要的。

5 結(jié)論及建議

由于項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)限制,只安裝 2個(gè)井的地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn),如要制定完整的地下水開采計(jì)劃、對(duì)區(qū)域水資源總量進(jìn)行分析和合理配置則需要進(jìn)一步的監(jiān)測(cè),同時(shí)還應(yīng)增加觀測(cè)井的數(shù)量,才能使監(jiān)測(cè)結(jié)果更具有代表性。

通過對(duì)試點(diǎn)地下水的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料,建立地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的 DAMSM模型,進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),及時(shí)、準(zhǔn)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(jìn)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”。