（环境科学专业论文）阿拉善腰坝绿洲地下水位动态及预测模型研究.pdf

a b s t r a c t a l a s h a ny a o b ao a s i sc l o s e st ot h ee a s to ft h eh e l a nm o u n t a i na n di sw e s tt ot h et e n g g e l i d e s e r t i ti sa ni m p o r t a n tg r a i np r o d u c t i o na r e a w i t ht h ei n c r e a s ei nt h ep o p u l a t i o na n d e x p l o i t a t i o n ，t h eh i 曲一s p e e dd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y t h ee x c e s s i v ee x p l o i t a t i o no f t h eg r o u n d w a t e rl e a d st oas e z i e so fc a l a m i t i e s ，f o re x a m p l es u r f a c es u b s i d e n c e ，w a t e r p o l l u t i o n ，s a l tw a t e ra n ds oo n i th a sb r o u g h ts e r i o u si n f l u e n c et od e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r a l e c o n o m y i no r d e rt od i s p e la n da l l e v i a t et h e s ec a l a m i t i e s ，a l a s h a ne c o l o g ys o c i e t ye n t r u s t e d t h ei n t e r n a t i o n a ls t u d ya n dt r a i n i n gc e n t r eo fw a t e rr e s o u r c ea n de n v i r o n m e n tf o rd r ya n d h a l f - d r ya r e a ( c h i n ac o o p e r a t e dw i t hg e r m a n y ) t od or e s e a r c ho n t h i sp a p e rh a sa n a l y z e dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cl a wo ft h eg r o u n d w a t e rt a b l e o b j e c t i v e l y ，a c c o r d i n gt oi n v e s t i g a t i o na n dw i l de x p e r i m e n tf o ra l a s h a ny a o b a o a s i sa n da l l k i n d so ff a c t o rt h a ti n f l u e n c e dw a t e rl e v e lo fg r o u n d w a t e ri na l a s h a ny a o b ao a s i s ，c o m b i n i n g t h el o c a lo b s e r v a t i o nm a t e r i a l s ，a i m i n ga ts o m ee n v i r o n m e n t a lp r o b l e m so ne x p l o i t a t i o na n d u t i l i z a t i o no ft h eg r o u n d w a t e rr e s o u r c e t h e r ei sl i t t l es u r f a c ew a t e ri nt h ey a o b ao a s i s ，t h e r e f o r et h ew a t e rr e s o u r c eo fy a o b a o a s i si sm a i n l yt h eg r o u n d w a t e rt h a ts u p p l i e sf r o mh e l a nm o u n t a i na r e a w a t e rt a b l ei n a l a s h a ny a o b ao a s i si si n f l u e n c e db yr a i n f a l l 、e v a p o r a t i n ga n de x p l o i t i n gq u a n t i t y ，a m o n g t h e mb e c a u s ey a o b ao a s i sr e g a r d sa sap a r to ft h ec o n s u m p t i o nt y p eb a s i nt h a tm a i n l y c o n s u m e st h es t o r i n ga m o u n ta n dl a c k st h es u p p l y , i t sd y n a m i cc h a n g ei sm a i n l yi n f l u e n c e d b ye x p l o i t i n ga r t i f i c i a l l yb yt h el o c a l i t y y a o b ao a s i sm a i n l yh a sr e g u l a rc h a n g ei na c c o r d a n c e w i t hd i f f e r e n ts e a s o n a lt h ew a t e ro fa g r i c u l t u r a li r r i t a t i n gu n d e rt h ei n f l u e n c ew i t ht h e g r o u n d w a t e ro fw a t e rl e v e la n dt h ew a t e rl e v e li st h eh i 曲e s ti nm a r c h , t h ew a t e rl e v e li st h e l o w e s ti nj u l y t h ea n n u a lc h a n g eo fy a o b ao a s i sw a t e rt a b l es h o w sm a i n l ya st oi n c r e a s et h e w a t e rt a b l et od r o pw i t ht h ee x p l o i t i n ga m o u n tc o n t i n u o u s l y t h es u i t a b l ee x p l o i t i n ga m o u n t o fg r o u n d w a t e ri ny a od a mo a s i si sa tl a s td e t e r m i n e da s2 2m i l l i o nc u b i cm e t e r t h ea n n u a l t h ep r e d i c t i o nr e s u l to fw a t e rt a b l eo fg r o u n d w a t e rt h a tc o m b i n e st h eh e r e d i t a r y a l g o r i t h mi nb pn e u r a ln e t w o r k w i t ha l l o w e de x p l o i t i n ga m o u n t2 2m i l l i o nc u b i cm e t e r t h ea n n u a l e x p l a i n s d i f f e r e n tf r e q u e n c yo fr a i n f a l ld r o p sc o m p a r e dt ot h ew a t e rt a b l e i n19 8 3 ，b u ti tr e m a i n ss a m ec a p e r e dt ow a t e rt a b l ei n19 9 7u n d e rt h ep r e m i s eo f p r e d i c t e dt h ew a t e rt a b l ei n2 0 2 0t ob ea l l o w e de x p l o i t i n g t h ep r e d i c t e dv a l u eo f i t s w a t e rl e v e lm e e t st h er e q u e s tf o rt h ep r e c i s i o no f m o d e l sa nt h er e s u l ta c c o r d sw i t ht h e n l o c a la c t u a lc o n d i t i o n s ，s oi tc a nb ea p p l i e dt op r o d u c t i o np r a c t i c e s a tt h es a m et i m et h e r e s u l ti n d i c a t e st h a tt h el o c a lg r o u n d w a t e rk e e p ss t a b l es ol o n ga sc o n t r o l l i n gt h el o c a l e x p l o i t a t i o na m o u n to fg r o u n d w a t e ri na l l o w i n gt h ee x p l o i t i n ga m o u n t t h er e s u l tp r o v e s t h a tt h i sm o d e lh a sb e t t e ra p p l i c a t i o np r o s p e c t a n di tp r o v i d e st h ec o r r e s p o n d i n g p r o t e c t i v e m e a s u r ei n d e v e l o p i n g a n d u t i l i z i n g t oa l a s h a ny a od a mo a s i s s g r o u n d w a t e r i ta l s oo f f e r ss c i e n t i f i cb a s i sf o rr a t i o n a lu t i l i z a t i o no ft h ew a t e rr e s o u r c e k e y w o r d s ：a l a s h a ny a o b ao a s i s ，d y n a m i c s t a t eo fg r o u n d w a t e r , b pn e u r a ln e t w o r k ， p r e d i c t i o n i i i 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：夺处 论文知识产权权属声明 郦6 只1 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：拳l碲月7 日 导师签名：唏佩驴伽萨6 月j 日 长安大学硕士学位论文 第一章综述 1 1 问题的提出及研究意义 地下水资源作为干旱半干旱地区绿洲主要的供水水源，随着绿洲发展规模的不断扩 大，为了满足日益增长的供水需求，加大了对地下水资源的开采导致了地下水系统本身 再生能力的破坏和许多地质环境生态问题的出现，促使人们不得不加强对绿洲地下水的 研究。地下水动态能够直观而且准确地反映该地区地下水的实际情况。因此我们应着重 眼前问题的研究推动预测未来的研究，特别要跟踪大的人类水事活动对地下水动态的影 响，变被动为主动，把着重采前研究转变为采前采后研究结合，强化采后研究i h 这对加 强地下水动态的分析研究，对地下水资源的合理开发利用有着重要的意义。 阿拉善腰坝绿洲经过近三十多年的开发利用，由于过量开采地下水，区域水位大幅 度下降，地下水总硬度、矿化度、硫酸盐、氨氮等指标普遍超标，并有逐年增高的趋势； 同时地下水水质的恶化，使得原本匮乏的地下水资源问题更为严重。以上这些问题严重 制约了绿洲的可持续发展影响了人们的生存环境。因此，为能有一个健康、安全的生存 空间及稳定的社会经济发展环境，阿拉善( s e e ) 生态协会委托长安大学“国际干旱半干 地区水资源与环境研究培训中心( 中德合作) ”进行阿拉善腰坝绿洲水资源承载力与 可持续发展的研究，其成果为当地的持续发展提供了科学依据。本论文作者有幸参加 了这项研究工作，本论文应用该项目的有关资料和数据，侧重于地下水资源开采动态分 析和预测，运用b p 自组织神经网络模型，对绿洲的地下水水位进行预测，为绿洲的可 持续发展提供了科学依据。 1 2 国内外研究现状 地下水动态一般是指地下水水量，水位、水质等随时间的变化状态，在人们为了各 种目的开发、利用地下水以及进行与地下水有关的生产、建设和科学研究时，无法回避 地下水位随时间的变化即地下水动态这一课题，因而，地下水动态分析与预报是一项基 础性、长期性的任务嘲。为了合理有效的开发利用地下水，就必须对其在开采条件下的 动态，给予全面系统的观测研究，从而摸清其资源，掌握、控制与预报其变化规律，监 视其发展趋势，制定对策，以达兴利除害的目的。 自1 9 6 3 年苏联水文地质学家a a 康诺普梁采夫等撰写的地下水天然动态及其 规律一书发表以来，不少国家相继认识到，对地下水动态进行研究是认识地下水资源 形成及其性质最有效的方法之一。地下水动态预测是正确认识当地水文地质条件( 包括 第一章综述 对地下水资源性质的认识及数量评价) 与地下水合理开发利用之间的一个重要的中间环 节。掌据了这一环节就能科学地论证地下水资源的合理调配，提出与水害作斗争的积极 措施。因此，结合为工农业供水、土壤改良、矿产开发、环境监测、地震预报和地热能 利用等专门目的而进行的地下水动态研究也迅速开展起来。为了积累地下水动态的信 息，许多国家已建立或正在完善全国性的观测站网，并逐步实现观测工作自动化，设置 国家一级的统一数据库，从而对地下水长期观测资料实行全国性的系统管理。苏联七十 年代已由全苏联水文地质工程地质研究所建立起搜集、贮存和处理全国动态信息的地下 水动态自动化系统( a m 兀c ) ，并能整理出地下水动态系统软件。美国地质调查所从五十 年代末开始设置。水数据的贮存、检索系统( w a t s t o r e ) ，现已贮存了遍布全国的七十万 个井、泉的水文地质观测数据。英国、法国、德意志民主共和国、德意志联邦共和国、 荷兰、新西兰、匈牙利、波兰、南斯拉夫等国家对地下水动态的研究与观测也作了大量 的工作。我国对地下水动态的研究起步较晚，在基础理论研纪方面相对比较薄弱，对长 观资料也缺少统一管理。1 9 5 8 我国先后建立的数十个水文地质站，后来又由于种种原因， 多数没有坚持观测。1 9 7 8 年唐山地震以后，在我国东部京津唐地区及江淮平原一带首次 统一布置了深度大于千米的数十眼深层地下水长观井，并装置了自记水位计。自1 9 7 8 年以来，随着四个现代化建设的蓬勃展开，有关部门正在广泛地组织地下水动态研究与 观测工作，以五十年代建立的水文地质站( 如北京水文地质站、石家庄地下水长观站、 包头水文地质站等) 为核心的地下水动态长期观测工作也已全面开展。在联合国教育科 学及文化组织协助下以研究包气带水分动态为主的石家庄等地下水动态观测站正在积 极建设。北京水文地质工程地质公司、陕西地矿局第一水文地质工程地质队、河南地矿 局水文地质观测站等单位在地下水动态研究领域中都已取得了一定成绩。可以预料，在 不久的将来，地下水动态研究工作在整个水文地质工作中所占的比重将会进一步增加， 地下水动态研究在国民经济建设中的重要作用即将充分地显现出来。 1 2 1 地下水动态分析及预报的意义 ( 1 ) 为地下水资源的管理提供依据 地下水资源的合理开发利用，地下水资源管理目标的实现，从根本上讲，要依靠 地下水动态分以及预报的结果。因为只有在合理的动态预报模型下，各种管理模型才具 有现实意义和实现的可能。同时，地下水动态预报也是水资源管理机构发布行政指令或 是技术性措施的科学依据。 ( 2 ) 为地质灾害的预测和研究提供基本资料 2 长安大学硕士学位论文 近年来，随着人类活动范围的不断扩大，改造自然的加剧，各种地质灾害层出不 穷，例如滑坡、崩塌、矿山水害、地震、地面沉陷、地下水污染、土壤盐碱化等，这些 地质灾害中，很多与地下水动态有着密切的关系，例如滑坡、地面沉陷，土壤盐碱化等， 另有一些地质灾害，在发生前的预兆中，能在地下水动态变化中体现出来，例如地震， 因此，地下水动态的研究为预防和治理这些灾害提供了基本资料，也是地质灾害预报的 一个重要参考方面。 ( 3 ) 为工农业供水和工程建设提供背景资料 当前很多城市和地区的工农业供水持续紧张，影响了当地经济的发展，加强地下水 动态研究，合理开发利用地下水是解决水资源危机的一个重要环节，此外，同工程设计 和施工密切联系的浅层地下水位及其变化趋势于其他工程地质资料一样是城市规划、土 地利用、开发的重要资料。地下水的埋藏和分布情况是地基基础和土力学计算中不可缺 少的基本参数，建筑防水设计，抗浮设计，基坑支护设计及施工江水设计等都离不开地 下水位资料。 ( 4 ) 为农业水土工程的实施提供资料 众所周知，在我国还有很大面积的中、低产田，其中很多是盐碱地，因此地下水动 态的研究和预报为防制罐区土壤盐碱化，改造中、低产田合理灌溉和排水提供了重要资 料。 ( 5 ) 为分析水文地质条件提供了重要资料 在天然条件下，地下水的动态是地下水埋藏条件和形成条件的综合反应，因此，可 以根据地下水动态特征分析、认识地下水的埋藏条件、水量、水质形成条件和区分不同 类型的含水层。 1 2 2 地下水动态观测的基本任务口1 关于地下水动态观测工作的基本任务，应根据不同水位地质条件和不同开发利用目 的而定。在井灌区地下水观测的基本任务大致为： ( 1 ) 系统而准确的对灌区观测网中的各观测井( 孔) 进行水位、水质、水量和水温的 观测、记载与取样化验。对观测和化验所得的资料应及时进行整编和分析，发布 地下水情和预报。 ( 2 ) 通过多年观测和分析，应查明灌区的大气降水入渗，地表水的侧向补给，渠道渗 漏于灌溉回归水等对地下水的补给。 ( 3 ) 对灌区地下水资源，进一步根据多年的观测资料，进行准确的验算和评价，使地 3 第一章综述 下水的开发利用工作建筑在可靠的基础上。并同时探讨验证各种对地下水资源计 算的理论和方法( 包括有关水文地质参数的测定) 。 ( 4 ) 及时掌握并预报灌水季节、汛期和人工补给对地下水动态的变化。并统计和分析 地下水动态各要素的昼夜变化、季节变化、年变化和多年变化的周期性和规律性。 ( 5 ) 对地下水可能产生的污染和盐化的源地，要严格予以监测。如有发现异常，应立 即向有关主管部门报告，及时调查和防治，以防其继续蔓延和恶化。 ( 6 ) 研究与评价地下水人工补给的适宜方式、竖井排水与盐改的效果等。 1 2 3 影响地下水动态的主要因素 影响地下水动态的主要因素有气象因素、地质因素、水文因素、生物因素及人为 因素等，见表1 1 。 1 1 地下水动态影响因素 影响因素成因组 影响地下水动态的诸因素 年内( 季节) 变 合多年现显示变化昼夜变化偶然变化 化 气象要素( 降水、蒸发、气温、气压等)急剧的气温变化 气象的 引起的解冻、暴 太阳活动潮汐力 风雨等 新构造运动、喀斯特塌陷、喀斯特虹吸泉、火山地区地震、火山喷发、 地质的 的水热活动、间歇喷泉水热爆炸、滑坡 河流、湖泊及沼泽地的水文运动并把堵塞、河流 水位的凌汛、逆风顶托 冰川补给涨潮、退潮 水位涨落 生物的水土保持与流失植物蒸腾 矿山排水、城市 建设、水库建设 采矿塌陷、原子 人为的及回水农田水利灌溉、抽水、农田耕作人工补给 爆炸、水库放水 建设、石油开采、 造林 1 2 4 地下水动态预报的主要数学模型 地下水动态预测方法通常是多种多样的，最早对地下水动态进行预测，采用的是比较 直观也是最为简单的水均衡方法以及水文地质比拟方法【4 】，1 9 0 5 年，e 梅勒第一次用解析 法论证了泉水流量的预测方法【5 j 。2 0 世纪5 0 年代后期，e h 卡门斯基在解析法分析群孔 潜水动态的基础上，系统地研究了存在降水入渗条件下的有限差分法，并用它来预测地下 水动态的变化。在国内，由于水文地质观测站始建于1 9 5 8 年，缺乏长观资料，在地下水动态 预测方面的研究比较薄弱，2 0 世纪7 0 年代中后期才开始这方面的研究工作。1 9 7 6 年，原 河北地质局水文地质第四大队、河北大学数学系采用了回归方法对太行山地区大清河流 4 长安大学硕士学位论文 域的地下径流进行了分析、预报。1 9 7 7 年，我国首次由煤炭工业部煤炭科学研究院地质 勘察分院、武汉地质学院首次应用自回归模型进行河北黑龙洞泉的动态预测，随后的二、 三十年里，由于地下水开采量不断地增长，不同的预测方法也就相继问世。随着电子计算 机的应用，把地下水动态预测工作推向了一个新的阶段。地下水动态过程包含了影响其变 化的各种确定性因素和随机因素的信息。 当前有关地下水动态预测的数学模型已远近超过了今天在地下水动力学教科书中 讨论的数学模型范围。诸如确定性模型与随机模型、集中参数控型与分布参数模型、线 性模型与非线性模型、单一模型与耦合模型等都正在或即将在地下水动态预测方面得到 广泛的应用。目前常用的地下水资源计算方法及动态预测模型绝大多数属于确定性模 型，在模型中的变量都是确定性变量。对于受多种因素影响下形成的地下水这样一种预 测对象，人们在分析它的过去，。掌握一定变化规律以后，只能以带某种实现概率的数量 来进行预言，这种预言不能以某一确定性数字来表达，预测模型必然要带入某些随机变 量，在数学上属于随机模型的研究范畴在地下水动态预测中的集中参数控型占有它自 身性质决定的特殊位置。这也是由于地下水与环境因素之间存在广泛的联系决定的，正 是由于这一原因，有时对储存地下水的水文地质单元以一确定的参量来表达它的总体性 质，模型着重表达地下水与周围某一环境因素之间的特有的联系，更有利于突出问题的 主要方面。 ( 1 ) 确定性模型 9 0 多年来，围绕地下水位动态与各种影响因素关系的规律问题，不少学者建立了一 系列的方法和模型，其总体上主要可分为两大类：确定性模型和随机模型。1 9 0 5 年，e ， 梅勒第一次用提出了泉水流量的预报方法，1 9 3 5 年，由c v t h e i s 根据热传导理论建立 了地下水非稳定流理论，以后很多研究人员将t h e i s 理论进行了各种条件下的推广，目 前t h e i s 公式仍是区域地下水动态预报的基本公式；e m i l e r 在1 9 6 5 年给出了在补给缺失 条件下地下水运动方程的特解，在预报干旱季节地下水位动态中得到了成功的运用，但 由于他引进了一系列人为的假定，使其应用范围受到了较为严格的限n ；s e n e u m a n 在 1 9 6 9 年提出了平原区有越流条件地下水非稳定运动的解析解，其结果比较接近野外实际 条件，但由于公式的复杂性，使用起来颇为困难；6 0 年代后期，随着数值计算方法的不 断完善，计算精度有了很大的提高，但由于在很多情况下模型的边界未来时段给出的数 据都是随时间变化的，其可靠程度也是未知的，这就会给水位预报带来较大的误差。总 5 第一章综述 体来说，地下水动态预测中的确定性模型对于解决一些实际问题中曾起到了很大的作 用，但由于它是建立在许多认为假设的基础之上的，其所需要的条件在实际中往往难以 满足，因而极大的限制了该类模型的使用。 ( 2 ) 不确定性理论与方法 严格的说，任何一个地方水资源系统，都是不确定性系统，都不同程度地存在着随 机、模糊和信息不完全的性质( 丁晶等，1 9 8 8 ；c h c n ga n do u a z a r , 1 9 9 5 ) ，这就是不确定性 系统分析理论和方法产生和存在的基础。目前，用于预报的不确定性方法 7 1 主要有成因 分析法、数理统计法、频谱分析法、模糊数学法、灰色系统预测法、神经网络预测法等。 成因分析法就是设法通过对前期影响因子的分析来推断事物的未来结果。后几种方法均 以第一种方法为基础。数理统计法是一种常用的定量预报方法，它依据大量的历史资料， 通过应用概率论与数理统计原理来研究预测对象历史变化的统计规律，对未来的发展进 行预测。在数理统计方法中，最常见的用于地下水动态预报的随机模型主要有回归分析 模型。以下对各种模型、方法及使用情况做一简要介绍。 1 ) 回归分析模型【8 】 回归分析是研究变量之间的依赖关系的一种数学方法，一般来说，变量之间的关系 可大致分为两类：函数关系和相关关系。如果变量之间既存在密切的数量关系，又不能有 一个或几个变量确定求出另一个变量值，但在大量统计资料的基础上，又可以判别这类 数量变化之间所具有的规律性。这种关系就称为相关关系。降雨量、蒸发量、河道补给 量、开采量和地下水位之间就存在这种相关关系，回归分析法就是研究这种相关关系的 方法。他通常可以分为一元回归和多元回归。以下简要介绍多元回归模型。 当自变量为x ，( j = 1 ，2 ，n ) 时，y 是关于x 的线性回归方程可表示为： y = l + 厦x 2 + + ，x ，+ip,x u 式中，y 是因变量，j f 是自变量，f 是回归系数，u 是随机误差。 对于一个地下水流系统来讲，当研究地下水位动态( h t ) 的预测时，自变量可以考 虑是河流水位( h 。) ，降水序列( p 。) 、蒸发量( b ) 、开采量( q t ) ，灌溉回归系数( q 。) 等，回归方程可以成： h l = pl h t + p 2 e t + p 3 q t + p 4 q t + u t 式中的系数可以用最小二乘法求得。 2 ) 频谱分析方法 6 长安大学硕士学位论文 地下水动态在多数情况下是在一些具有明显周期性变动的的因素作用的历史过程。 因此，地下水动态也经常具有周期波动的特征。所以可通过提取或分离存在于变化过程 ( 主要是水位过程线) 中的周期成分将分离出来的周期分量再进一步用于地下水动态的 中、长期预报。频谱分析在物理学上早已是研究振动系列频率结构的一种方法，也即分 解系列谐成分的周期、振幅及初始相位的一个工具。地下水水位过程线也可以认为是由 许多不同频率、不同振幅的谐成分合成的。对地万水位过程线进行频谱分析最常用的方 法是富立叶变换方法，它包括解析方法( 如富氏级数、富氏积分) 和代数的方法( 如离散系 列的富氏变换) 。 3 ) 时间序列模型 时间序列是对某种统计指标按时问先后顺序排列所形成的数值序列。时间序列分析 主要是通过对时间序列建立一个描述该现象变化发展趋势的动态模型，并利用模型在时 间上进行外推，从而预测该现象的未来发展趋势。近一二十年来，不少学者在地下水动 态研究中作了大量的探讨，从自回归模型发展到一般季节模型，取得了良好的效果，它 充分考虑到了地下水位的继承性，实践证明时间序列是进行地下水动态中、长期预报的 有效方法。 4 ) 灰色系统预测法【9 】 灰色系统理论是由华中理工大学邓聚龙教授于1 9 8 2 年在国际会议上首次提出的。 自1 9 8 8 年开始应用于地下水动态预报研究。在地下水系统的研究中，通常系统含有大 量的已知信息，同时也存在许多未知或未确知信息。我们把未知的信息称为黑色的，将 已知的信息称为白色的。对于一个系统，若内部特性部分为己知，部分为未知或未确知， 则称该系统为灰色系统。在地下水位动态预报中应用灰色系统预报模型符合地下水系统 的特殊性。同时，灰色系统预报是根据自身的数据预测自身的发展，具有很好的继承性。 灰色系统预测法即认为“预测未来”本质上是个灰色问题，因为一个未出现的没有诞生的 未来系统，必然既有己知信息又有未知信息，且处于连续变化的动态之中。它把观测数 据系列看作随时间变化的灰色量或灰色过程，通过累加生成或累减生成逐步使灰色量白 化，从而建立相应的微分方程模型并作出预报。因为灰色系统预测模型经过了拓扑选择 和新陈代谢处理，该模型对地下水动态观测据样本长度也没有过高的要求，一般有8 - 9 个以上的数据构成的样本就可。在其他预测方面，黄克明1 0 】根据历年来宜昌市沮漳河 河溶站的年最高洪水位观测资料对未来年度最高洪水位进行预测。一般来说，统计资料 ( 年最高洪水位或最大洪峰流量) 变化幅值大又具有明显的周期性，这就使得作为灰色预 7 第一章综述 测模型的g m ( 1 ，1 ) 模型群的预测方蝴扑预测方法成为一种比较理想和值得实践的水 文中长期预测方法。付炜】以乌鲁木齐河流域为试验区，介绍了干旱区流域土地灌溉系 统的多目标灰色优势分析模型，并以该模型为基础建造了多目标灰色决策分析模型，对 最优局势的效果测度与综合决策矩阵的构成原理进行了深入探讨，并由此构造了地下水 位控制模型与土地灌溉系统的灰色模型，为流域地下水位的控制提供了一种新的研究方 法。 5 ) 模糊预测方法 模糊预测方法是从8 0 年代开始发展起来的新方法。陈守煜【1 2 1 先生在水文水资源模 糊集理论与应用中注意到：水文气象要素受到形成机制复杂性的制约，采用传统的精确性 描述方法的能力很低，往往满意的预报还需要靠人的经验来得到，数理统计的方法是无 法描述人的经验的，而模糊数学恰好能方便的做到这一点。1 9 8 5 年，陈守煜、周惠成【l 3 】 根据模糊控制的基本原理，以辽宁大伙房水库汛期入库流量为检验资料，提出了径流长 期预报模糊推理模式。1 9 9 1 年陈守剧1 4 】提出了模糊模式识别模型、模糊聚类模型，并 在此基础上建立了模糊模式识别预测模型。他还把模糊优化理论与动态规划理论结合起 来，为解决系统优化问题提供了一个有效途径。崔振才【1 5 】等人将其推展为多维，建立了 模糊优化多功能动态规划模型，用以求解水资源量的最优分配，实践证明是有效的。1 9 9 2 年王本德【1 6 】用农谚提示的前后期水文气象要素之间的模糊相关关系进行长期水文预报 方法。由于地下水系统内部情况十分复杂，目前对地下水系统的研究，还不可能顾及到 全部因素，但可以把地下水系统视为一个模糊系统。张国良【1 7 】等人认为地下水水位的变 化过程主要是一补给量，排泄量作为预测因子，水位变化作为预测对象，利用模糊关系 模型进行预测，可以收到较好的效果。 6 ) 人工神经网络方法 人工神经网络是当前国际学术界很活跃和非常重要的前沿研究领域。由于人工神经 网络的大规模并行处理、分布式储存、鲁棒性好、高度非线性、学习能力强等特征，掀 起了国际学术界研究和应用的高潮。其应用十分广泛，如智能控制、模式识别、知识处 理、非线性化、机器人研制等领域。人工神经网络应用于水资源系统预报问题主要有：洪 水预报、径流预报、水质预测、需水量预测、水库优化调度、电力负荷需求预测等。1 9 9 2 年，f r e n c h 等用神经网络研究了降雨的时空分布预报。1 9 9 3 年金耀初等【1 8 】在模糊预测 的基础上，提出了一种混合型的p i s i g m a 神经网络模型，使预报模型具有了很强的自适 应能力，并利用天津气象台1 9 5 2 - - 1 9 5 7 年共6 年历史资料对模型进行训练与检验，除 8 长安大学硕士学位论文 1 9 9 7 年天津市特大涝年结果误差较大外，其余各年预报结果都合格；邱林、聂相田【1 9 】 在模糊模式识别神经网络预报模型基础上，提出了最速下降共轭梯度结合的b p 算法， 实例证明有良好的预报精度；1 9 9 7 年王向东等【2 0 】应用神经网络b p 模型对华东地区冰雹、 龙卷风、雷雨大风和对流行暴雨等强对流天气成功地进行了短时预报，并应用异主元分 析神经网络算法，在不影响预报合格率的条件下降前期影响因子由6 9 个压缩到4 4 个。 1 9 9 7 年杨荣富等【2 1j 针对短期降雨径流预报问题，在传统b p 神经网络的基础上，提出 了两类降雨径流过程预报模拟网络模型：一类是实时输出反馈网络它的侧重点是考虑径 流时序上的自相关性；另一类是奢侈输出反馈网络，它的侧重点是考虑流域土壤水分等状 态因素的影响。谢新民等【2 2 】建立了径流实时预报的b p 神经网络模型，采用西大洋水 库1 9 7 5 1 9 9 5 年的入库径流系列对模型进行了检验，并通过对比说明b p 网络预报比相 关图法更优越，更能适应比较复杂的、影响因子众多的、高度非线性的预报问题。丁晶 2 a 1 将洪水形成规律的先验只是与结构的确定相结合，提出了一种新型的短期洪水预报的 b p 网络模型，实际应用表明它比传统b p 网络具有较高的预报模型；y a n g r o n g f u 【2 4 1 。 在他的研究工作中针对解决水文变量的相依性，提出了输出反馈网络，又用一个辅助神 经元来模拟流域的未知信息，如前期降雨、流域湿度、土壤含水率、流域河网蓄水量等， 建立了辅助输出反馈网络，并用具有记忆能力的惯性网络，模拟了水文系统较强的短时 记忆特征和较弱的长时记忆特征，他提出的三种网络有较好的实用性，对如何建立更符 合水文规律的网络模型提供了可借鉴的经验；邱林【2 5 】将模糊模式识别模型作为激励函 数引入神经网络开辟了神经网络拓朴结构建摸的新思路，为水文的中长期预报提供了一 种新的方法；夏军等分析了与水文系统的联系，提出了应用与水文预报的可行性，并 将与信息论中的编码理论相联系，提出了灰色人工神经网路，克服了网络过于庞大，很 难收敛，以及训练出来的网络联想能力不强的问题。 1 3 本文主要的研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 ( 1 ) 本文以阿拉善腰坝绿洲为研究对象，根据野外考察和试验和对现有的资料收 集总结分析了地下水动态的基本规律。 ( 2 ) 在地下水动态规律的基础上结合当地的实际情况，对影响地下水水位的因素 进行分析。 ( 3 ) 对腰坝绿洲多年来地下水位的年内动态变化和年际动态变化有了基本的认识， 并根据地下水位的动态变化特征确定出腰坝绿洲的合理开采量。 9 第一章综述 ( 4 ) 应用b p 神经网络，根据历年来的地下水水位的观测资料，在合理开采量确定 的条件下对腰坝绿洲的地下水水位进行预测，对其结果进行分析研究。 1 3 2 技术路线 本文根据阿拉善腰坝绿洲的的水文地质条件和收集的地下水动态长观资料，对阿拉 善腰坝绿洲的地下水动态特征进行分析，并以此为基础，在确定允许开采量的前提下， 依据数学模型进行地下水动态预报，一般要经历如下几个步骤：查明水文地质条件； 建立数学模型；确定计算方法进行计算；对计算结果进行分析或实地检验，如果 发现不合理或误差超出允许范围，则必须复查水文地质条件，修改数学模型或计算参数， 重新进行计算，直至两者基本一致为止最后才提出若干年后水文地质条件变化( 包括 水资源变化与水质演化等) 的预测研究的技术路线见图1 1 c 始) i + i查明尊文地质条件搜集地下水位长观震料 山 地下水动态特征分析建立数学模型 上上 允许开采量的确定 确定计算方法 上 确定允许开采量进行预测 上 1 、百瑾 ( 预测结果的初步检验) 上 厶理 提出结果 上 图1 1 研究的技术路线图 1 0 长安大学硕士学位论文 第二章腰坝绿洲的基本概况 2 1 自然概况 2 1 1 地理位置 腰坝绿洲隶属阿拉善左旗巴润别立镇，见图2 1 ，地理坐标为东经1 0 5 。3 4 1 0 5 。3 9 ，北纬3 8 。2 5 3 8 。3 6 ，东屏贺兰山，西邻腾格里沙漠。地形东高西低，研究区的 交通比较方便，银( 川) 巴( 音浩特) 公路经由绿洲东侧，北到旗府所在地不足4 0 k i n ， 南越贺兰山抵宁夏回族自治区首府一银川市约7 0 k i n 。 图2 1 腰坝绿洲地理位置示意图 2 1 2 地形地貌 腰坝绿洲地处贺兰山西侧洪积倾斜平原的边缘，绿洲西面与腾格里沙漠的边缘相接 第二章腰坝绿洲基本概况 ( 图2 2 ) 。绿洲西南的陶苏湖西侧有高约l o r e 、向西缓倾的沙梁，将腰坝绿洲与广为风 沙覆盖的巴彦达来湖所在地区的湖积平原隔离开来，形成小型的闭流盆地。腰坝绿洲所 在地为第四纪沉积盆地，盆地的基底由第三纪地层组成，在盆地中最深处基底埋深 2 0 6 m ，在盆地边缘埋深1 3 7 m 。盆地的长轴为南北方向，沉积中心在绿洲水管站一带。 西南角的陶苏湖为盆地的最低部分。 图2 2 腰坝井濯区地形剖面不意图 受贺兰山前四条南北向展布的断裂控制，贺兰山西侧山前地区形成了从东到西依次 降低的阶梯状地形：贺兰山地、山前台地和拱曲断块台地、断陷盆地、沙漠。南北向的 断裂构造控制了贺兰山西麓区域地貌的格局，并奠定了水文地质分区的基础。 腰坝盆地内的地貌类型主要有流水地貌和风积地貌两大类。流水地貌的发育受内、 外营力作用的共同控制，在盆地范围内形成洪积扇、洪积台地和洪积倾斜平原类的正地 形及冲沟盐碱滩地、湖泊洼地类的负地形。风积地貌主要受气候、岩性和地形因素的控 制以及地下水面高低的影响。在盆地西部和北部广泛发育，其类型主要为新月型沙丘和 新月型丘链；在洪积倾斜平原的中部和现代冲洪积扇前缘，亦有成片的平沙地分布，如 在格灵布降滩东北部头道沙子一带和腰坝滩哈拉木台大队( 科泊那木格) 以东，主要表 现为一种叠加地貌。 2 1 3 气象 贺兰山位于我国温带干旱与半干旱地区的分界线上，其西麓属于典型的大陆性干旱 1 2 长安大学硕士学位论文 气候，最大特点是干旱少雨，蒸发量远大于降水量。本区气候特征是冬季严寒，雨雪稀 少，夏季酷热，蒸发强烈，风大沙多，日照充足。 ( 1 ) 气温 据巴润别立气象站1 9 7 1 - - - 2 0 0 5 年3 5 年观测资料，年平均气温8 2 秒。最高气温为 3 7 2 硗最低气温为2 6 1 。最热在6 、7 、8 三个月，最冷为1 月和1 2 月。各月多年 平均气温，见图2 3 。 2 5 2 0 1 5 1 0 5 o 一5 1 0 i l l 、l 一3 4 一78 吣 ( 月) 图2 3 巴润别立多年各月平均气温分布图( 1 9 7 1 , - - - , 2 0 0 4 ) ( 2 ) 降水 据巴润别立气象站1 9 7 1 - 2 0 0 5 年3 5 年观测资料，该区多年平均降水量为2 0 7 4 r a m 。 最小年降水量为1 9 8 2 年的1 2 2 3 m m ，最大降水量为1 9 7 7 年的3 4 8 4 r a m 。1 9 7 1 乙2 0 0 5 年 平均月降水分布，见图2 3 ，降水在年内的分布一般5 1 0 月份降水量最多，占全年降 水的8 5 以上，1 1 月至次年4 月降水量很少。 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 o 12345678 91 0111 2 ( 月) 图2 4 巴润别立多年各月平均降水分布图( 1 9 7 1 - - , 2 0 0 4 ) 1 3 pv赠伊牵 第二章腰坝绿洲基本概况 ( 3 ) 蒸发 该区多年平均蒸发量为2 3 2 3 4 m m ，是平均降水量的1 1 倍。最小年蒸发量为1 9 9 2 年的2 0 1 2 6 r a m ，最大年蒸发量为1 9 9 7 年的2 5 2 5 6 r a m ，蒸发量年内分布不均，1 1 月 次年2 月蒸发量较小，在l o o m m 以下，蒸发主要集中于4 - 9 月，尤其是5 7 月蒸发量 最大，占总蒸发量的4 5 ，多年平均月蒸发量，见图2 5 。 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 5 0 2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 o 123456789l o1 11 2 ( 月) 图2 5 巴润别立多年各月平均月蒸发量分布图( 1 9 7 1 2 0 0 4 ) 2 1 4 水文 贺兰山西麓水文网较发育，尤其在山前台地地区，台地上沟壑纵横，将台面切割得 支离破碎。在洪积倾斜平原区，主要为分散在扇面上的宽浅沟槽吧及扇面水流汇集后又 形成的若干个冲沟，如腰坝滩北端的大沙沟。 ( 1 ) 水系 贺兰山西侧，三关一骡子山一线以北地区的水系，均为内陆水系。腰坝绿洲位于该 线以北，其中主要沟壑均源于贺兰山，部分冲沟源自绿洲南侧的低山丘陵区，见图2 - 6 。 腰坝绿洲东侧的沟系共有7 条，自北向南依次为：南寺沟、柳门子沟、黄渠沟、塔塔水 沟、白石头沟、青石咀子沟、长流水沟，腰坝绿洲南侧的冲沟主要为牛石头沟，另外有 上海沟，乌赛沟等。贺兰山是宁夏黄河流域与阿拉善左旗内陆水系的区域性分水岭，在 贺兰山西侧形成了腾格里沙漠盆地及位于沙漠盆地东缘、贺兰山山前沉降带的腰坝断陷 盆地。在此闭流的内陆盆地中心发育有咸水湖和干盐湖，东侧及南、北侧的水系是辐射 状，水流流向趋向盆地中心。长流水至骡子山一带的低山丘陵区为盆地南侧的地区分水 岭。骡子山以南的地表水流向南汇入乱井洼地；以