鄭 黎,劉 涵,杜海波,周 兵
(重慶精佳工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,重慶400041)
非平穩(wěn)時(shí)序模型在地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)中的可行性分析
鄭 黎,劉 涵,杜海波,周 兵
(重慶精佳工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司,重慶400041)
以陜西省寶雞峽灌區(qū)一典型井的水位埋深數(shù)據(jù)為資料,運(yùn)用回歸分析,傅立葉級(jí)數(shù)頻譜分析及自回歸模型分析等方法,建立地下水埋深的非平穩(wěn)時(shí)序模型。采用該模型對(duì)該典型井未來(lái)水位埋深進(jìn)行預(yù)測(cè),將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。分析該模型的預(yù)測(cè)精度及其誤差來(lái)源,闡述其應(yīng)用于地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的可行性,從而對(duì)如何提高該模型預(yù)測(cè)精度提出建議。
非平穩(wěn)時(shí)序模型;地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào);精度評(píng)價(jià)
寶雞峽灌區(qū)是陜西省最大的灌區(qū),為了滿足農(nóng)作物需水要求,局部地區(qū)大量開采地下水,導(dǎo)致地下水位下降、淺井吊泵等問(wèn)題產(chǎn)生,給灌區(qū)生態(tài)帶來(lái)了不利影響。因此,利用非平穩(wěn)時(shí)序模型研究地下水動(dòng)態(tài)變化的規(guī)律,對(duì)該模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)并分析其影響因素,這對(duì)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)地下水動(dòng)態(tài)變化情況,具有重要意義。
地下水位的非平穩(wěn)時(shí)序模型主要采用趨勢(shì)項(xiàng)、周期項(xiàng)和隨機(jī)項(xiàng)進(jìn)行組合,形式如下:
式中,H(t)為地下水位埋深的估計(jì)值,h(t),v(t),x(t)分別為趨勢(shì)項(xiàng),周期項(xiàng),隨機(jī)項(xiàng)的估計(jì)值。
在建立模型之前,需逐項(xiàng)分析其成分,即依次提取趨勢(shì)項(xiàng),周期項(xiàng),隨機(jī)項(xiàng)。其中趨勢(shì)項(xiàng)成分可以用逐步回歸分析方法確定;周期性變化項(xiàng)采用傅立葉級(jí)數(shù)頻譜分析法確定;從原序列中扣除趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)后即得隨機(jī)項(xiàng),可采用自回歸模型進(jìn)行擬合。將三者疊加后即形成地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)的非平穩(wěn)時(shí)序模型。本文重點(diǎn)分析其可行性,對(duì)基本建模理論不再贅述。
選取寶雞峽灌區(qū)405#典型井1991年至1999年的地下水埋深資料,采用上述方法建立非平穩(wěn)時(shí)序模型如下所示:
應(yīng)用所得模型對(duì)寶雞峽灌區(qū)405#井1991年至1999年的地下水埋深進(jìn)行擬合。擬合效果圖見圖1。同時(shí)運(yùn)用上述模型對(duì)該井2000年的地下水埋深作出試報(bào),試報(bào)結(jié)果見表1。從圖1可以看出,模型預(yù)測(cè)效果較好,基本能夠完整的反映地下水的動(dòng)態(tài)變化。
上述試報(bào)結(jié)果其平均相對(duì)誤差為2.05%,從計(jì)算結(jié)果來(lái)看,誤差還是比較小的。采用擬合效果指標(biāo),試報(bào)效果指標(biāo)分別對(duì)模型的預(yù)測(cè)精度進(jìn)行評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)結(jié)果見表3,從表3可以看出,后驗(yàn)差指標(biāo)為好,相對(duì)均方誤差指標(biāo)為合格。擬合準(zhǔn)確率指標(biāo)為好。試報(bào)效果指標(biāo)為合格。
表1 405#井2000年地下水埋深試報(bào)結(jié)果m
表2 405#井模型精度檢驗(yàn)指標(biāo)值
圖1 405號(hào)井地下水埋深擬合效果圖
本文根據(jù)寶雞峽灌區(qū)405#典型井1991年至2000年的地下水埋深數(shù)據(jù),建立了該典型井水位埋深的非平穩(wěn)時(shí)序模型。運(yùn)用所建模型對(duì)該典型井的水位埋深進(jìn)行擬合并進(jìn)行了試報(bào)。
總體來(lái)說(shuō),擬合效果較好,預(yù)測(cè)精度較高,基本能反映地下水埋深的總體變化趨勢(shì)。這說(shuō)明這種建模方法是可行的。但是,該模型依然存在局限性,部分時(shí)段預(yù)測(cè)精度不夠理想,偏差較大。綜合分析,影響其精度的因素主要為以下3個(gè)方面。
建模數(shù)據(jù)越長(zhǎng),模型的預(yù)測(cè)精度越高。因?yàn)樯倭繑?shù)據(jù)無(wú)法表現(xiàn)系統(tǒng)的全部變化規(guī)律,其預(yù)報(bào)結(jié)果也不可避免的會(huì)產(chǎn)生一定程度的誤差。
擬合函數(shù)的選擇對(duì)模型的預(yù)測(cè)精度的有較大影響。特別是趨勢(shì)項(xiàng)函數(shù)的選擇,對(duì)模型的預(yù)測(cè)精度有明顯影響。若趨勢(shì)項(xiàng)選擇不夠好,就不能全面反映水位曲線的整體變化趨勢(shì)。地下水位有時(shí)變化比較劇烈,起伏較大,采用初等函數(shù)進(jìn)行擬合,效果不太好,誤差也不可避免。
地下水位埋深受人為開采的影響,人們對(duì)地下水開采程度的大小,很大程度上影響了地下水位變化的劇烈程度。由于存在人為開采因素的影響,就使得地下水埋深的變化規(guī)律不明顯,受到的隨機(jī)性干擾也比較大。
本文通過(guò)實(shí)例分析,驗(yàn)證了非平穩(wěn)時(shí)序模型在地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)中的可行性。從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看,將該模型應(yīng)用于地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)是可行的。鑒于該模型也存在一定的局限性,在采用該模型進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)時(shí),要保證預(yù)測(cè)精度,就要盡力獲取更長(zhǎng)系列的建模數(shù)據(jù),建模數(shù)據(jù)越長(zhǎng),精度越高。其次,要盡可能用一些特殊函數(shù)擬合趨勢(shì)項(xiàng)。另外,地下水受人為因素的影響比較明顯,在進(jìn)行地下水動(dòng)態(tài)預(yù)報(bào)時(shí),單純采用該模型進(jìn)行預(yù)測(cè)并不能完全保證預(yù)測(cè)精度,要采用多種模型進(jìn)行綜合分析,這樣才能保證預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性,從而為地下水資源的合理開發(fā)利用提供理論依據(jù),促進(jìn)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展。
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P641.74
B
1004-1184(2012)04-0077-01
2012-05-04
鄭黎(1987-),男,湖北巴樂(lè)人,土家族,助理工程師,主要從事水事、水工規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。