地下水動態預報 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)

水資源合理開發利用、地下水的采補平衡,對保護生態環境有著非常重要的意義,一些發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、及時監測資料,考慮地下水的動態性和受水文年份影響的隨機性,建立地下水動態預測預報的 DAMSM模型(動態數據機理自記憶模型預報技術),進行地下水動態預測預報,及時、準確地掌握區域地下水環境狀態,確定區域地下水資源的可供給量,為區域水資源總量分析和合理配置提供依據。

1 地下水位自動監測系統的建設

由于地下水的動態性和受水文年份影響的隨機性,進行地下水位自動監測,及時、準確地掌握地下水位的變化情況,根據監測到的年地下水盈虧量和地下水動態預測預報結果,制定下年度的地下水開采計劃。地下水位自動監測系統,為了重點推進以地下水位監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,在太原市小店區西溫莊鄉的我院節水示范基地,利用基地現有機井 2眼,深(200 m)、淺(60 m)井結合,建立地下水自動監測系統。該系統綜合應用傳感技術、自動控制技術、計算機技術等,實現地下水位監測、采集、存儲、傳輸、數據進行分析、實現了地下水監測管理的自動化。

該系統在每個監測井上安裝專用采集器;采集器實時采集地下水位數據,通過 A/D變送器把所采集的數據傳輸給智能控制器;智能控制器利用有線通訊模塊把數據傳回總控室;總控室接收到數據后通過數據處理軟件對數據進行匯總、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水位、動態水位和水位曲線圖等。

本系統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、數據傳輸設備、自動控制技術等對地下水進行全面自動化監控、實時數據分析等。所有測量、控制單元集中安裝在設備機箱中,便于維護管理。數據采集通過通訊設備由計算機控制,實現對機井水位變化參數的實時采集。

軟件部分由遠程監控模塊、數據分析模塊、數據庫管理模塊及遠程監測終端(220 V供電)組成,可以實時顯示地下水位狀態,將采集到的數據進行存儲、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 地下水動態監測系統軟件界面圖

2 地下水位動態預報的 DAMSM模型建立

2.1 概述

地下水位動態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律性較差,難于識別和預測。

較早的地下水位動態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條件,有的由于邊界狀況及水文地質參數的不確定性而難以精確反映地下水系統復雜的非線性關系,有的模型由于維數高而求解困難。近年來,一些新的理論和方法被用于地下水位變化的動態預測,如模糊識別、人工神經網絡、徑向基函數等,但這些方法均需要分析確定影響地下水位動態變化的主要因素,并需要收集整理與地下水位動態觀測序列相應的多種影響因素數據,在實際中難免存在一定困難或誤差。本研究運用動態數據反演建模法建立的地下水位動態預測自記憶模型,避免了眾多數據的收集整理,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,可將觀測數據序列視為描寫非線性動力系統的一個特解,通過反演導出系統的一個微分方程,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

利用小店區多年地下水位埋深長觀井觀測資料,本次選取 2007～2010年連續 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。根據上述方法,建立地下水埋深動態預測模型。取回溯階,則反導得微分方程

據此建立自憶性方程,離散化后用最小二乘法求記憶系數,最終得到預報方程

3 地下水位動態預報的 DAMSM模型應用

利用地下水位動態預報的DAMSM模型對小店區 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2007年和 2009年 36個月地下水位月末變化過程線,分析年內地下水位變化規律。可見,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,取得了多個實測數據,得出地下水位與降雨關系,見圖 2.

圖2 小店區 2007-2009年地下水位與降水量關系圖

從上圖可以看出:夏季,地下水的蒸發和開采量最大,水位直線下降;進入秋季,降水量增加而蒸發量減少,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,下降持續最長的是 2009年,從 3月至7月連續 5月持續下降,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月份連續的、豐富的降雨減少了農業灌溉用水同時回補了地下用水,使得 07年 8月份以后出現少見的水位持續回升;2008年 6月正值農忙季節,以往都是水位下降的時期,但是下了幾場及時雨水位出現了回升;同樣 2009年 7～8月份大量降雨,8月份后開始出現回升,緊接著 9月份降雨量減少,地下水位立馬開始降低。可見超采區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,從監測數據中我們分析得出,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業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

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

通過對試點地下水的長期監測資料,建立地下水動態預測預報的 DAMSM模型,進行地下水動態預測預報,及時、準確地掌握地下水環境狀態,確定區域地下水資源的可供給量,進行區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”。