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?dāng)?shù)值模型已成功運(yùn)用于地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測和優(yōu)化管理的各個(gè)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(dòng)態(tài)各種因素當(dāng)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?dāng)?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(jī)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(jī)——確定(random-determination簡稱RD)耦合方法的地下水預(yù)報(bào)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(gè)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(qiáng)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(jì)80年代的5 m～10 m下降到目前的20 m～30 m,個(gè)別地區(qū)達(dá)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(yùn)動(dòng)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(gè)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(dòng)系統(tǒng)的觀點(diǎn)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(gè)有效單元格,同時(shí)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(dāng)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(gè)區(qū),7個(gè)亞區(qū)。

2.2 邊界條件概化及源、匯項(xiàng)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(bǔ)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(bǔ)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(cuò),各種開采井密布,源匯項(xiàng)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(bǔ)、蒸發(fā)、地下水開采等,利用Visual Modflow中各種模塊結(jié)合實(shí)地試驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入模型。

2.3 模型識別及檢驗(yàn)

模型選用了77個(gè)觀測井,識別期從1999年1月1日到2004年12月31日,檢驗(yàn)期從2005年1月1日至2008年12月31日,共10年時(shí)間進(jìn)行模型的識別及檢驗(yàn)。模型中設(shè)置時(shí)間步長為10,共100個(gè)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行分析(表1,圖1)。

表1 模型識別及檢驗(yàn)結(jié)果

圖1 實(shí)測與模擬灌區(qū)地下水位對比圖

通過對模型擬合和檢驗(yàn)過程中的擬合圖和主要統(tǒng)計(jì)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(zhǔn)確,模型能夠比較好的反映出該研究區(qū)的實(shí)際情況,模型水文參數(shù)取值合理,運(yùn)行穩(wěn)定,可以用來對灌區(qū)的地下水位進(jìn)行預(yù)測研究。

3 RD預(yù)報(bào)模型的建立

針對影響涇惠渠灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)的主要影響因素,在地下水位預(yù)測當(dāng)中,將對降雨量采用時(shí)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(jìn)行預(yù)測,結(jié)合灌區(qū)地下水運(yùn)動(dòng)三維數(shù)值模型來預(yù)測目標(biāo)年份的地下水水位動(dòng)態(tài)變化。

3.1 應(yīng)用時(shí)間序列預(yù)測降水量變化趨勢

時(shí)間序列分析是一種統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型方法,它是基于平穩(wěn)隨機(jī)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(jì)規(guī)律[5-6]。任何時(shí)間序列模型都是由趨勢項(xiàng)、周期項(xiàng)和隨機(jī)噪聲項(xiàng)這三部分組成的。本文利用灌區(qū)實(shí)驗(yàn)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(jī)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(yàn)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(jì)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(shí)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(biāo)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(jì)時(shí)間序列周期為1,隨機(jī)選擇12個(gè)訓(xùn)練樣本,6個(gè)檢驗(yàn)樣本和6個(gè)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(yàn),得出各模擬參數(shù)的預(yù)測值(圖3)。

4 研究區(qū)地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測

利用建立的RD預(yù)報(bào)模型,對2020年涇惠渠灌區(qū)地下水位進(jìn)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(gè)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(jìn)行了高低水位轉(zhuǎn)換,水位低的面積逐漸在向西北擴(kuò)大。

由圖4還可以看出,降落漏斗的面積仍在繼續(xù)擴(kuò)大,中心點(diǎn)的水位持續(xù)降低。灌區(qū)下游地區(qū)的幾個(gè)降落漏斗已經(jīng)連成一片,形成了一個(gè)包括3個(gè)小漏斗的大降落漏斗,其中心點(diǎn)水位的埋深已經(jīng)超過了40 m。另一個(gè)閻良站附近的降落漏斗,其影響范圍仍在擴(kuò)大,前鋒已經(jīng)到達(dá)樓底站附近,有向大漏斗靠近的趨勢。與此同時(shí),灌區(qū)中上游的三原縣城附近和三渠試驗(yàn)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(jī)輔助的探地雷達(dá)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(diǎn):

(1)減小雷達(dá)采樣過程中的干擾,從而減小圖像的相對運(yùn)動(dòng)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(jī)器進(jìn)行報(bào)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(xiàng)專門針對探地雷達(dá)使用的硬件設(shè)計(jì),目前還沒有同類產(chǎn)品,新裝置彌補(bǔ)了國內(nèi)在這個(gè)領(lǐng)域的空白。

[1]李大心.探地雷達(dá)方法與應(yīng)用[M].北京:地質(zhì)出版社,1994:119-126.

[2]張玉峰.地質(zhì)雷達(dá)在滑坡滑面分析中的應(yīng)用[J].中國西部科技,2009,8(30):21-24.

[3]董延朋,孔祥春.影響地質(zhì)雷達(dá)工作的因素分析[J].物探裝備,2007,(2):130-133,155.

[4]李福伸,賀芳丁.地質(zhì)雷達(dá)在大直溝水庫大壩質(zhì)量檢測中的應(yīng)用[J].水利技術(shù)監(jiān)督,2008,(5):41-43.

[5]汪 謀.地質(zhì)雷達(dá)探測效果影響因素研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2007,5(2):86-90.

[6]賀力勤,葛偉亮,高晶敏.單片機(jī)在超聲測厚儀中的應(yīng)用[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào),1997,17(3):388-392.

[7]舒紅宇,黃 偉,趙 海,等.單片機(jī)在磁電機(jī)在線檢測與加工設(shè)備中的應(yīng)用[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,(1):18-21.

[8]蘇清祖,江文根,單春賢,等.單片機(jī)在車輛行駛稱重儀中的應(yīng)用[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005,26(2):125-128.

[9]GeoScience M.Ramac GPR Hardware Manual[M].2005.

[10]郝建新,魏玉峰.地質(zhì)雷達(dá)探測干擾因素及圖像識別研究[J].華東公路,2009,(2):74-76.

[11]岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理[M].(第二版).北京:電子工業(yè)出版社,2004:463-474.

[12]岡薩雷斯.數(shù)字圖像處理(MATLAB版)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:285-289.

[13]王和文,孫樹國,葛增超.影響地質(zhì)雷達(dá)探測效果的不利因素分析[J].勘探地球物理進(jìn)展,2009,32(5):351-355,361.

[14]王 瓊,劉正瓊,陳雁翔,等.紅外遙控技術(shù)在智能抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2006,(Z3):1901-1902,1912.