石羊河流域地下水

1、石羊河流域地下水时空动态研究答 辩 人：朱小燕 指导老师：马金辉副教授地理信息系统专业硕士研究生学位论文答辩 2008年6月31号1一、绪论 1.研究背景及意义 石羊河流域地处西北内陆干旱区，是我国典型的资源型缺水地区，人均水资源占有量仅775立方米，耕地亩均水资源占有量仅280立方米，是河西走廊最早开采利用地下水的地区。 近二十年来，随着流域内经济社会的发展和人口的不断增加，水资源供需矛盾日趋突出，水资源开发利用严重超载，现已成为河西走廊人口密度最大、水资源最短缺、供需矛盾最突出、生态与环境恶化最严重的流域。 2二、研究内容国家政府高度重视多学科共同关注为流域水文地质研究提供基础资料，也为当

2、地地下水资源管理、地下水开发利用、工农业供水、水利工程建设以及流域生态恢复建设等提供可靠的决策依据 32.地下水研究历程 公元前7世纪公元1800年：感性认识、现象描述和主观推测。18001940年：水文学理论取得了突破性进展，地下水水文学的学科地位得以确立。1940年后：以计算机技术、遥感、GIS和数学模拟方法等诸多方法的引入和应用为主要标志，地下水研究进入了的快速发展阶段。4二、研究内容3.研究现状 地下水受自然因素与人为因素共同影响，具有强烈的时空变化特点，其动态过程存在地区上的差异性以及随时间变化的特点，特别是容易受到外界条件影响的浅层地下水，这种地区上的特征及多年变化比较明显。 现阶

3、段，数学模型法是研究地下水变化的主要方法，此类方法大体分为确定性模型和随机模型：5二、研究内容（1）确定性模型 由地下水运动微分方程、控制方程、初始条件和边界条件构成的数学模型，常用解析法、物理法、数值法进行模拟求解。（2）随机模型 地下水动态受多种因素的影响，包括气象、水文、地质、人为活动等，可以用概率统计分析方法找出这些不确定性因素的规律，从而建立相应的随机模型。6二、研究内容模型比较：确定性模型 1）能比较准确的预测地下水动态变化2）基于许多假设条件基础之上建立起来的，很难真实地模拟实际复杂的水文地质条件。随机模型1）无法表示出系统各个要素之间的动力学关系2）对于缺乏地下水地质资料或者含

4、水层参数资料不足，却积累一定数量的水文气象、开采量和地下水动态资料时，实用而有效。720世纪80年代开始 热衷于探讨石羊河流域地下水资源的综合开发利用状况，地下水动态变化特征、水资源转化等问题。步入90年代后 引入先进技术遥感、同位素技术； 地下水系统管理模式、水资源合理利用途径、地下水来源及年龄、流域环境变化、水资源承载能力与可持续发展研究等方面作了相关研究。4.石羊河流域水资源研究现状8二、研究内容2000年至今 1） 遥感、同位素技术被广泛应用于对探测地下水空间分布、地下水来源、流路、年龄等研究中； 2） 数值模拟软件、一般统计学方法、地统计学方法被广泛应用于模拟地下水系统的动态过程以及

5、时空分布变化，并进一步探讨影响地下水动态变化的因子； 3）通过数学模型方法建立水资源评价指标，来评价石羊河流域水资源承载能力、水资源脆弱性以及水资源危机等。9二、研究内容代表性的文献有： 肖笃宁（2003） 地统计学和GIS结合，定量研究了民勤绿洲地下水埋深和矿化度的空间变异特征及其与土地利用变化的关系； 张若玲（2006） 利用水平衡方法、同位素技术、地球化学技术分析总结了整个地区的地下水动态分布特征、同位素特征以及水化学分布规律； 孙艳伟（2007） 采用综合指数法、灰色关联投影法和基于MATLAB的人工神经网络，并结合地GIS对流域内各个分区的地下水脆弱性进行评价； Zhenmei Ma

6、（2008） 通过统计学方法分析了石羊河流域的径流量变化趋势和改变点，评估了气候变化和人类活动对流域径流的影响。10二、研究内容 小结： 大致包括以下研究内容： （1）地下水文要素的动态变化特征及时空分布； （2）地下水资源开发利用对生态环境的影响问题 （3）流域水资源分布特征及水资源转化规律的研究； （4）地下水资源管理模式优化及可持续利用评价 （5）气候变化和人类活动对水资源变化的影响。115本文研究内容及方法时域动态变化特征一般统计学方法空间分布特征地统计学方法绿洲地下潜水水系空间分布基于数字地下水位模型的地表径流模拟12312二、研究区概况13 石羊河流域水资源比较贫乏，属资源性缺水区

7、。从90年代末期开始，地下水就已经逐步成为石羊河流域的主要供水水源，年平均开采量占全流域水资源利用总量的50%以上。 14三、石羊河流域地下水位年际变化特征1.原理 根据地下水水位数据的特征，一个非稳定的地下水时间序列的组合模型，可表达为: h(t)=T(t)+P(t)+R(t) 其中:h(t)为地下水水位；T(t)为趋势函数；P(t)为周期函数；R(t)为随机特征函数；t为时间。151.1趋势及突变点检验趋势检验Mann-Kendall检验 原假设H0:时间序列数据(x1，xn)是n个独立的、随机变量同分布的样本 ；备择假设H1是双边检验:对于所有的k，jn且kj，xk和xj的分布是不相同的

8、，Mann-Kendall检验的统计变量S被定义为： 式中，分别为j，k年相应的测量值。且kj，16当n10时，标准的正态统计变量Z可用 下式计算：17突变点检验Pettitt 检验 水文序列变点检测与识别是上世纪70年代以来统计技术方面的研究热点，主要用以确定水文序列中突然出现变化的点，将时间序列划分为差异明显的各子时间段。 18则最显著的突变点为:突变点的显著性水平可以通过下式计算得出: 191.2时间序列模型 一个非稳定的地下水时间序列的组合模型是由趋势函数T(t)、周期函数P（t）和随机特征函数R(t)线性组合而成，模型的每一项 由以下函数构建：（1）趋势拟合 20（2）周期性分析 分

9、离趋势项后，对剩余的序列进行周期分析，主要采用谐波分析法识别和提取周期项P(t)。（3）自相关特征分析 消除趋势项和近似周期项后的剩余序列为平稳随机系列项，可直接对其用自回归模型求解 R(t)=0+1R(t-1)+ 2R(t-2)+pR(t-p) 212.数据说明223结果分析3.1地下水位年际变化特征及原因分析变化趋势检验结果23 根据上述六个站点地下水位随时间变化过程，可将其划分为以下四种模式： （1）单调下降型 （2）波动衰减型 （3）中末期加速型 （4）末期趋稳型变化模式分类24原因分析25 自1984年至2005年，分别由2.02和2.22亿立方米，减少到0.78和1.07亿立方米,

10、平均每年都以0.05亿立方米的速度逐年减少，整体也呈现逐年下降趋势。 263.2地下水位阶段变化特征及原因分析突变点检测结果27分阶段地下水位下降速度和下降加速度变化图28变点年原因分析29地下水位年际变化的模拟 R(t)=0+1R(t-1)+ 2R(t-2)+pR(t-p) 30拟合结果31四、石羊河流域地下水位空间分布特征1.原理 1.1数字地下水位模型的概念 本文所建立的数字地下水位模型（Digital Watertable Model，简称DWTM)，采用规则格网数据结构，该格网有多个大小相同且互相相邻的单元格组成，每一单元格的行列编号表示该单元格所对应位置的X、Y坐标，而单元格的值表

11、则示该X、Y坐标点的地下水位。321.2协同克立格空间插值方法 协同克里格法利用多个变量之间的互相关性，用这些变量对其中一个变量进行局部估计的方法，但是只有当两个变量之间相关性较大时，建立和计算交叉协方差函数和变异函数才有意义，协同克里格估计才能够保证精确和有效。其定义为： 设点处第个变量为待估变量，则其估计量是K个协同区域化变量样本点数据的线性组合：332 数据说明343结果分析（1）地下水位的空间分布特征3536空间分布特征： 地下水位的逐级递减方向与地表水系方向相一致，在山前地带地表水系与地下水联系紧密，地下水位相对较高，但在河流下游地区以及无地表径流的地区地下水位则较低。 地下水位的变化存在明显的分带特征，民勤红崖山水库前的地下水位变化带最为明显，这是由于受阿拉古山和红崖山的阻隔，民勤红崖山水库前后分属于两个不同的盆地，致使其前后差异明显。 地下水位在2001年的空间分布状态与1984年相比，民勤县东北部地区的地下水位低值区，逐渐向西南方向移动，地下水位低值区的面积有所扩大，这与民勤为缓解当地水资源供需矛盾，大量开采地下水的人为活动是密不可分的。37（2）地下水位下降幅度的空间分布特征38（3）地下水位空间异质性的逐年变化特征39（4）地下水