地下水动态预报 DAMSM模型的研究及应用

李海军

(山西省水利水电科学研究院,山西太原 030002)

水资源合理开发利用、地下水的采补平衡,对保护生态环境有着非常重要的意义,一些发达国家对这一问题认识较早,非常注意地下水的采补平衡,而在我国还处于初级研究阶段。本研究通过对试点地下水的长期、及时监测资料,考虑地下水的动态性和受水文年份影响的随机性,建立地下水动态预测预报的 DAMSM模型(动态数据机理自记忆模型预报技术),进行地下水动态预测预报,及时、准确地掌握区域地下水环境状态,确定区域地下水资源的可供给量,为区域水资源总量分析和合理配置提供依据。

1 地下水位自动监测系统的建设

由于地下水的动态性和受水文年份影响的随机性,进行地下水位自动监测,及时、准确地掌握地下水位的变化情况,根据监测到的年地下水盈亏量和地下水动态预测预报结果,制定下年度的地下水开采计划。地下水位自动监测系统,为了重点推进以地下水位监测和控制为主的信息化建设,结合降雨、灌溉等资料分析地下水位的变化情况,在太原市小店区西温庄乡的我院节水示范基地,利用基地现有机井 2眼,深(200 m)、浅(60 m)井结合,建立地下水自动监测系统。该系统综合应用传感技术、自动控制技术、计算机技术等,实现地下水位监测、采集、存储、传输、数据进行分析、实现了地下水监测管理的自动化。

该系统在每个监测井上安装专用采集器;采集器实时采集地下水位数据,通过 A/D变送器把所采集的数据传输给智能控制器;智能控制器利用有线通讯模块把数据传回总控室;总控室接收到数据后通过数据处理软件对数据进行汇总、分析处理,并能够真实可靠地在显示屏上模拟显示当前静态水位、动态水位和水位曲线图等。

本系统包括硬件和软件两部分。

硬件部分由中央控制计算机、地下水位自动采集器、数据传输设备、自动控制技术等对地下水进行全面自动化监控、实时数据分析等。所有测量、控制单元集中安装在设备机箱中,便于维护管理。数据采集通过通讯设备由计算机控制,实现对机井水位变化参数的实时采集。

软件部分由远程监控模块、数据分析模块、数据库管理模块及远程监测终端(220 V供电)组成,可以实时显示地下水位状态,将采集到的数据进行存储、传输、分析运算等处理,及时、准确地提供地下水位的变化情况。软件操作界面见图 1。

图1 地下水动态监测系统软件界面图

2 地下水位动态预报的 DAMSM模型建立

2.1 概述

地下水位动态的变化是一个复杂的非线性过程,它受一系列自然和人为因素的影响。特别是地下水位的多年变化,由于年际间降水、蒸发及总体水均衡程度的差异以及各年的平均水位、水位变幅也有一定的变异性,使得多年地下水位的序列规律性较差,难于识别和预测。

较早的地下水位动态预测模型可分为确定性模型和随机模型,其中确定性模型的求解主要有解析法、数值法和物理模拟法,随机性模型有回归分析法、频谱分析法等,这些方法有的只适用于简单的水文地质条件,有的由于边界状况及水文地质参数的不确定性而难以精确反映地下水系统复杂的非线性关系,有的模型由于维数高而求解困难。近年来,一些新的理论和方法被用于地下水位变化的动态预测,如模糊识别、人工神经网络、径向基函数等,但这些方法均需要分析确定影响地下水位动态变化的主要因素,并需要收集整理与地下水位动态观测序列相应的多种影响因素数据,在实际中难免存在一定困难或误差。本研究运用动态数据反演建模法建立的地下水位动态预测自记忆模型,避免了众多数据的收集整理,只涉及地下水位观测序列本身,方便实用且具有较高的预测精度。

2.2 自记忆预报模型原理

基于物理运动不可逆性提出的自忆性原理,对于具有一组时间序列的系统,可将观测数据序列视为描写非线性动力系统的一个特解,通过反演导出系统的一个微分方程,以微分方程为动力核建立包含多个时次值的预报模型,称为自记忆模型。

2.3 地下水位预报模型的建立

利用小店区多年地下水位埋深长观井观测资料,本次选取 2007～2010年连续 4年 48个月地下水埋深观测资料,并编号 1—48。 建模样本为 1—40号,建模样本量 N=40;试报样本 41—48号,试报样本量 Q=8。根据上述方法,建立地下水埋深动态预测模型。取回溯阶,则反导得微分方程

据此建立自忆性方程,离散化后用最小二乘法求记忆系数,最终得到预报方程

3 地下水位动态预报的 DAMSM模型应用

利用地下水位动态预报的DAMSM模型对小店区 2010年 6月的地下水埋深进行模拟计算,实测值和模拟值及误差分析见下表 1,绝对误差和相对误差都比较小,符合模型预测精度。

选取小店区2007年和 2009年 36个月地下水位月末变化过程线,分析年内地下水位变化规律。可见,每年 2～4月地下水位最高,春灌开始后水位下降,8～10月地下水位最低。

对小店区实施了降水量与地下水水位关系的观测,取得了多个实测数据,得出地下水位与降雨关系,见图 2.

图2 小店区 2007-2009年地下水位与降水量关系图

从上图可以看出:夏季,地下水的蒸发和开采量最大,水位直线下降;进入秋季,降水量增加而蒸发量减少,地下水位保持在较低水位;冬春两季,由于气温低,蒸发很小,用水量相对也很小,故地下水位逐渐恢复,至三月份达到最高。

(1)地下水位下降月份 07、08、09年分别有 5、6、6个,占到全年的一半,主要集中在 2月至 7月份,从春浇开始一直到夏季丰雨季节来临一直是地下水位下降的时期。下降最多的是 2007年6～7月,累计下降 14.94m,下降持续最长的是 2009年,从 3月至7月连续 5月持续下降,累计下降9.45m。

(2)地下水位回升集中在 10月至来年 1月份,这与这个时期灌溉用水量大幅减少有关,对于超采区来说,即便夏季降雨量丰富,也难以保证地下水位回升。

(3)2007年 6～10月份连续的、丰富的降雨减少了农业灌溉用水同时回补了地下用水,使得 07年 8月份以后出现少见的水位持续回升;2008年 6月正值农忙季节,以往都是水位下降的时期,但是下了几场及时雨水位出现了回升;同样 2009年 7～8月份大量降雨,8月份后开始出现回升,紧接着 9月份降雨量减少,地下水位立马开始降低。可见超采区的地下水位与降雨关系更加紧密和明显,降雨量得多少,降雨次数的多少直接、明显的反应在地下水位的升降上。

表1 地下水埋深模型预报结果表

4 地下水位与灌溉、降水量关系分析

从前面的分析中我们可以知道降雨多少会直接影响地下水开采量的大小,从监测数据中我们分析得出,每次大的降雨都会造成地下水位的回升,不仅仅是因为地表水渗漏补充了,更多的是因为用于农业灌溉的地下水开采量小了。07～08年降雨减少 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,可见对超采区来说,降雨对地下水位的影响是全期的、紧密的、明显的、重要的。

5 结论及建议

由于项目经费限制,只安装 2个井的地下水位监测点,如要制定完整的地下水开采计划、对区域水资源总量进行分析和合理配置则需要进一步的监测,同时还应增加观测井的数量,才能使监测结果更具有代表性。

通过对试点地下水的长期监测资料,建立地下水动态预测预报的 DAMSM模型,进行地下水动态预测预报,及时、准确地掌握地下水环境状态,确定区域地下水资源的可供给量,进行区域水资源总量分析和合理配置,就能真正做到“用水总量控制和定额管理”。