石羊河流域地下3

1、石羊河流域地下水時(shí)空動(dòng)態(tài)研究答 辯 人：朱小燕 指導(dǎo)老師：馬金輝副教授地理信息系統(tǒng)專業(yè)碩士研究生學(xué)位論文答辯 2008年6月31號(hào)一、緒論 1. 1.研究背景及意義研究背景及意義 石羊河流域地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，是我國典型的資源型石羊河流域地處西北內(nèi)陸干旱區(qū)，是我國典型的資源型缺水地區(qū)，人均水資源占有量?jī)H缺水地區(qū)，人均水資源占有量?jī)H775775立方米，耕地畝均水資立方米，耕地畝均水資源占有量?jī)H源占有量?jī)H280280立方米，是河西走廊最早開采利用地下水的立方米，是河西走廊最早開采利用地下水的地區(qū)。地區(qū)。 近二十年來，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人口的不斷近二十年來，隨著流域內(nèi)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和人口的不

2、斷增加，水資源供需矛盾日趨突出，水資源開發(fā)利用嚴(yán)重超載，增加，水資源供需矛盾日趨突出，水資源開發(fā)利用嚴(yán)重超載，現(xiàn)已成為河西走廊人口密度最大、水資源最短缺、供需矛盾現(xiàn)已成為河西走廊人口密度最大、水資源最短缺、供需矛盾最突出、生態(tài)與環(huán)境惡化最嚴(yán)重的流域。最突出、生態(tài)與環(huán)境惡化最嚴(yán)重的流域。 2. 2.地下水研究歷程地下水研究歷程 公元前公元前7世紀(jì)世紀(jì)公元公元1800年：感性認(rèn)識(shí)、現(xiàn)象描述和主觀推年：感性認(rèn)識(shí)、現(xiàn)象描述和主觀推測(cè)。測(cè)。 18001940年：水文學(xué)理論取得了突破性進(jìn)展，地下水水文年：水文學(xué)理論取得了突破性進(jìn)展，地下水水文學(xué)的學(xué)科地位得以確立。學(xué)的學(xué)科地位得以確立。 1940年后：以計(jì)

3、算機(jī)技術(shù)、遙感、年后：以計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙感、gis和數(shù)學(xué)模擬方法等諸和數(shù)學(xué)模擬方法等諸多方法的引入和應(yīng)用為主要標(biāo)志，地下水研究進(jìn)入了的快速多方法的引入和應(yīng)用為主要標(biāo)志，地下水研究進(jìn)入了的快速發(fā)展階段。發(fā)展階段。二、研究?jī)?nèi)容3. 3.研究現(xiàn)狀研究現(xiàn)狀 地下水受自然因素與人為因素共同影響，具有強(qiáng)地下水受自然因素與人為因素共同影響，具有強(qiáng)烈的時(shí)空變化特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)過程存在地區(qū)上的差異性烈的時(shí)空變化特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)過程存在地區(qū)上的差異性以及隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，特別是容易受到外界條件影以及隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，特別是容易受到外界條件影響的淺層地下水，這種地區(qū)上的特征及多年變化比較響的淺層地下水，這種地區(qū)上的特征及多年

4、變化比較明顯。明顯。 現(xiàn)階段，數(shù)學(xué)模型法是研究地下水變化的主要方現(xiàn)階段，數(shù)學(xué)模型法是研究地下水變化的主要方法，此類方法大體分為確定性模型和隨機(jī)模型：法，此類方法大體分為確定性模型和隨機(jī)模型：二、研究?jī)?nèi)容（1 1）確定性模型）確定性模型 由地下水運(yùn)動(dòng)微分方程、控制方程、初始條件由地下水運(yùn)動(dòng)微分方程、控制方程、初始條件和邊界條件構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型，常用解析法、物理法、和邊界條件構(gòu)成的數(shù)學(xué)模型，常用解析法、物理法、數(shù)值法數(shù)值法進(jìn)行模擬求解。進(jìn)行模擬求解。（2 2）隨機(jī)模型）隨機(jī)模型 地下水動(dòng)態(tài)受多種因素的影響，包括氣象、水地下水動(dòng)態(tài)受多種因素的影響，包括氣象、水文、地質(zhì)、人為活動(dòng)等，可以用文、地質(zhì)、人為

5、活動(dòng)等，可以用概率統(tǒng)計(jì)分析概率統(tǒng)計(jì)分析方法方法找出這些不確定性因素的規(guī)律，從而建立相應(yīng)的隨找出這些不確定性因素的規(guī)律，從而建立相應(yīng)的隨機(jī)模型。機(jī)模型。二、研究?jī)?nèi)容模型比較：模型比較：確定性模型確定性模型 1）能比較準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)地下水動(dòng)態(tài)變化 2）基于許多假設(shè)條件基礎(chǔ)之上建立起來的，很難真實(shí)地模擬實(shí)際復(fù)雜的水文地質(zhì)條件。隨機(jī)模型隨機(jī)模型 1）無法表示出系統(tǒng)各個(gè)要素之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系 2）對(duì)于缺乏地下水地質(zhì)資料或者含水層參數(shù)資料不足，卻積累一定數(shù)量的水文氣象、開采量和地下水動(dòng)態(tài)資料時(shí)，實(shí)用而有效。20世紀(jì)世紀(jì)80年代開始年代開始 熱衷于探討石羊河流域地下水資源的綜合開發(fā)利用狀況，地下水動(dòng)態(tài)變化特征、水

6、資源轉(zhuǎn)化等問題。步入步入90年代后年代后 引入先進(jìn)技術(shù)，在地下水系統(tǒng)管理模式、水資源合理利用途徑、地下水來源及年齡、流域環(huán)境變化、水資源承載能力與可持續(xù)發(fā)展研究等方面作了相關(guān)研究。4.石羊河流域水資源研究現(xiàn)狀石羊河流域水資源研究現(xiàn)狀二、研究?jī)?nèi)容 20002000年至今年至今 1 1） 遙感、同位素技術(shù)遙感、同位素技術(shù)被廣泛應(yīng)用于對(duì)探測(cè)地下水空間被廣泛應(yīng)用于對(duì)探測(cè)地下水空間分布、地下水來源、流路、年齡等研究中；分布、地下水來源、流路、年齡等研究中； 2 2） 數(shù)值模擬軟件數(shù)值模擬軟件、一般統(tǒng)計(jì)學(xué)方法一般統(tǒng)計(jì)學(xué)方法、地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法被被廣泛應(yīng)用于模擬地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程以及時(shí)空分布廣泛應(yīng)用

7、于模擬地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程以及時(shí)空分布變化，并進(jìn)一步探討影響地下水動(dòng)態(tài)變化的因子；變化，并進(jìn)一步探討影響地下水動(dòng)態(tài)變化的因子； 3 3）數(shù)學(xué)模型方法數(shù)學(xué)模型方法建立水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)，來評(píng)價(jià)石羊河建立水資源評(píng)價(jià)指標(biāo)，來評(píng)價(jià)石羊河流域水資源承載能力、水資源脆弱性以及水資源危機(jī)流域水資源承載能力、水資源脆弱性以及水資源危機(jī)等。等。二、研究?jī)?nèi)容代表性的文獻(xiàn)有：代表性的文獻(xiàn)有： 肖篤寧（肖篤寧（20032003） 地統(tǒng)計(jì)學(xué)和地統(tǒng)計(jì)學(xué)和gisgis結(jié)合結(jié)合，定量研究了民勤，定量研究了民勤綠洲地下水埋深和礦化度的空間變異特征及其與土地利用變化的關(guān)綠洲地下水埋深和礦化度的空間變異特征及其與土地利用變化的關(guān)系；系

8、； 張若玲（張若玲（20062006） 利用利用水平衡方法、同位素技術(shù)、地球化水平衡方法、同位素技術(shù)、地球化學(xué)技術(shù)分析學(xué)技術(shù)分析總結(jié)了整個(gè)地區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)分布特征、同位素特征以總結(jié)了整個(gè)地區(qū)的地下水動(dòng)態(tài)分布特征、同位素特征以及水化學(xué)分布規(guī)律；及水化學(xué)分布規(guī)律； 孫艷偉（孫艷偉（20072007） 采用采用綜合指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)投影法和基綜合指數(shù)法、灰色關(guān)聯(lián)投影法和基于于matlabmatlab的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合地，并結(jié)合地gisgis對(duì)流域內(nèi)各個(gè)分區(qū)的地下對(duì)流域內(nèi)各個(gè)分區(qū)的地下水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)；水脆弱性進(jìn)行評(píng)價(jià)； zhenmei mazhenmei ma（20082008） 通

9、過通過統(tǒng)計(jì)學(xué)方法統(tǒng)計(jì)學(xué)方法分析了石羊河流分析了石羊河流域的徑流量變化趨勢(shì)和改變點(diǎn)，評(píng)估了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域域的徑流量變化趨勢(shì)和改變點(diǎn)，評(píng)估了氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)流域徑流的影響。徑流的影響。二、研究?jī)?nèi)容 小結(jié)：小結(jié)： 大致包括以下研究?jī)?nèi)容：大致包括以下研究?jī)?nèi)容： （1 1）地下水文要素的動(dòng)態(tài)變化特征及時(shí)空分布；）地下水文要素的動(dòng)態(tài)變化特征及時(shí)空分布； （2 2）地下水資源開發(fā)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響問題）地下水資源開發(fā)利用對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響問題 （3 3）流域水資源分布特征及水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究；）流域水資源分布特征及水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律的研究； （4 4）地下水資源管理模式優(yōu)化及可持續(xù)利用評(píng)價(jià)）地下

10、水資源管理模式優(yōu)化及可持續(xù)利用評(píng)價(jià) （5 5）氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水資源變化的影響。）氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)水資源變化的影響。5 5本文研究?jī)?nèi)容及方法本文研究?jī)?nèi)容及方法時(shí)域動(dòng)態(tài)變化特征一般統(tǒng)計(jì)學(xué)方法一般統(tǒng)計(jì)學(xué)方法空間分布特征地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法地統(tǒng)計(jì)學(xué)方法綠洲地下潛水水系空間分布基于數(shù)字地下水位模型基于數(shù)字地下水位模型二、研究區(qū)概況 石羊河流域水資源比較貧乏，屬資源性缺水區(qū)。從石羊河流域水資源比較貧乏，屬資源性缺水區(qū)。從90年年代末期開始，地下水就已經(jīng)逐步成為石羊河流域的主要供水代末期開始，地下水就已經(jīng)逐步成為石羊河流域的主要供水水源，年平均開采量占全流域水資源利用總量的水源，年平均開采量占全流域水資源

11、利用總量的50%以上。以上。 三、三、石羊河流域地下水位石羊河流域地下水位年際變化特征年際變化特征1. 1.原理原理 根據(jù)地下水水位數(shù)據(jù)的特征，一個(gè)非穩(wěn)定的地下水時(shí)間根據(jù)地下水水位數(shù)據(jù)的特征，一個(gè)非穩(wěn)定的地下水時(shí)間序列的組合模型，可表達(dá)為序列的組合模型，可表達(dá)為: : h(t)=t(t)+p(t)+r(t) h(t)=t(t)+p(t)+r(t) 其中其中:h(t):h(t)為地下水水位；為地下水水位；t(t)t(t)為趨勢(shì)函數(shù)；為趨勢(shì)函數(shù)；p(t)p(t)為周期函數(shù)；為周期函數(shù)；r(t)r(t)為隨機(jī)特征函數(shù)；為隨機(jī)特征函數(shù)；t t為時(shí)間。為時(shí)間。1.11.1趨勢(shì)及突變點(diǎn)檢驗(yàn)趨勢(shì)及突變點(diǎn)檢驗(yàn)

12、趨勢(shì)檢驗(yàn)趨勢(shì)檢驗(yàn)mann-kendallmann-kendall檢驗(yàn)檢驗(yàn) 原假設(shè)原假設(shè)h0:時(shí)間序列數(shù)據(jù)時(shí)間序列數(shù)據(jù)(x1，xn)是是n個(gè)獨(dú)立的、隨個(gè)獨(dú)立的、隨機(jī)變量同分布的樣本機(jī)變量同分布的樣本 ；備擇假設(shè)；備擇假設(shè)h1是雙邊檢驗(yàn)是雙邊檢驗(yàn):對(duì)于所有對(duì)于所有的的k，jn且且kj，xk和和xj的分布是不相同的，的分布是不相同的，mann-kendall檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量檢驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)變量s被定義為：被定義為： 式中，分別為式中，分別為j，k年相應(yīng)的測(cè)量值。且年相應(yīng)的測(cè)量值。且kj，111sgn()35nnjkkjksxx 式當(dāng)當(dāng)n10時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)統(tǒng)計(jì)變量z可用可用 下式計(jì)算：1

13、0sgn()001036(1)(25)( )18jkjkjkjkxxxxxxxxn nnvar s式10( )003710( )ssvar szsssvar s式 突變點(diǎn)檢驗(yàn)突變點(diǎn)檢驗(yàn)pettitt 檢驗(yàn)檢驗(yàn) 水文序列變點(diǎn)檢測(cè)與識(shí)別是上世紀(jì)水文序列變點(diǎn)檢測(cè)與識(shí)別是上世紀(jì)7070年代以來統(tǒng)計(jì)技年代以來統(tǒng)計(jì)技術(shù)方面的研究熱點(diǎn)，主要用以確定水文序列中突然出現(xiàn)變術(shù)方面的研究熱點(diǎn)，主要用以確定水文序列中突然出現(xiàn)變化的點(diǎn)，將時(shí)間序列劃分為差異明顯的各子時(shí)間段?；狞c(diǎn)，將時(shí)間序列劃分為差異明顯的各子時(shí)間段。 ,1,12,10sgn(),sgn()003210t tttt ttjtt ttjtjtjjtjuu

14、vttxxvxxxxxxxx其中，式,1,12,10sgn(),sgn()003210t tttt ttjtt ttjtjtjjtjuuvttxxvxxxxxxxx其中，式t,tp(t)=max u3 3式 則最顯著的突變點(diǎn)為則最顯著的突變點(diǎn)為:突變點(diǎn)的顯著性水平可以通過下式計(jì)算得出突變點(diǎn)的顯著性水平可以通過下式計(jì)算得出: t,tp(t)=max u3 3式 2t32- 6up(t)=2exp() 34t +t式 1.21.2時(shí)間序列模型時(shí)間序列模型 一個(gè)非穩(wěn)定的地下水時(shí)間序列的組合模型是由趨勢(shì)函一個(gè)非穩(wěn)定的地下水時(shí)間序列的組合模型是由趨勢(shì)函數(shù)數(shù)t(t)t(t)、周期函數(shù)、周期函數(shù)p p（t

15、t）和隨機(jī)特征函數(shù)）和隨機(jī)特征函數(shù)r(t)r(t)線性組合而成，線性組合而成，模型的每一項(xiàng)模型的每一項(xiàng) 由以下函數(shù)構(gòu)建：由以下函數(shù)構(gòu)建：（1 1）趨勢(shì)擬合趨勢(shì)擬合 k23kk0123kkk=0t(t)=c +ct+c t +c t + +c t =c t3-9式n22t=1n2t=1(h(t)-t(t)r =1-(h(t)-h(t)（2）周期性分析）周期性分析 分離趨勢(shì)項(xiàng)后，對(duì)剩余的序列進(jìn)行周期分析，主要分離趨勢(shì)項(xiàng)后，對(duì)剩余的序列進(jìn)行周期分析，主要采用諧波分析法識(shí)別和提取周期項(xiàng)采用諧波分析法識(shí)別和提取周期項(xiàng)p(t)p(t)。（3 3）自相關(guān)特征分析）自相關(guān)特征分析 消除趨勢(shì)項(xiàng)和近似周期項(xiàng)后的剩

16、余序列為平穩(wěn)隨機(jī)系消除趨勢(shì)項(xiàng)和近似周期項(xiàng)后的剩余序列為平穩(wěn)隨機(jī)系列項(xiàng)，可直接對(duì)其用自回歸模型求解列項(xiàng)，可直接對(duì)其用自回歸模型求解 kk0jjj=1j 122p (t)=a +a cos(jt)b sin(jt)nnn0t 1njt 1njt 11ax(t)n22 j(t1)ax(t)cosj1,2, ,knn22 j(t1)bx(t)sinj1,2, ,knn r(t)=0+1r(t-1)+ 2r(t-2)+pr(t-p) 2.2.數(shù)據(jù)說明數(shù)據(jù)說明 3結(jié)果分析結(jié)果分析 3.1地下水位年際變化特征及原因分析地下水位年際變化特征及原因分析變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果變化趨勢(shì)檢驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)上述六個(gè)監(jiān)測(cè)井地下水位

17、隨時(shí)間根據(jù)上述六個(gè)監(jiān)測(cè)井地下水位隨時(shí)間的變化過程，可將其劃分為以下四種模式：的變化過程，可將其劃分為以下四種模式： （1）單調(diào)下降型）單調(diào)下降型 （2）波動(dòng)衰減型）波動(dòng)衰減型 （3）中末期加速型）中末期加速型 （4）末期趨穩(wěn)型）末期趨穩(wěn)型變化模式分類變化模式分類原因分析原因分析 自自19841984年至年至20052005年，分別由年，分別由2.022.02和和2.222.22億立方米，減少億立方米，減少到到0.780.78和和1.071.07億立方米億立方米, ,平均每年都以平均每年都以0.050.05億立方米的速度逐億立方米的速度逐年減少，整體也呈現(xiàn)逐年下降趨勢(shì)。年減少，整體也呈現(xiàn)逐年下降

18、趨勢(shì)。 3.2地下水位階段變化特征及原因分析地下水位階段變化特征及原因分析突突變變點(diǎn)點(diǎn)檢檢測(cè)測(cè)結(jié)結(jié)果果分階分階段地段地下水下水位下位下降速降速度和度和下降下降加速加速度變度變化圖化圖變點(diǎn)年原因分析變點(diǎn)年原因分析地下水位年際變化的模擬地下水位年際變化的模擬k23kk0123kkk=0t(t)=c +ct+c t +c t + +c t =c t3-9式 r(t)=0+1r(t-1)+ 2r(t-2)+pr(t-p) 擬擬合合結(jié)結(jié)果果四、四、石羊河流域地下水位石羊河流域地下水位空間分布特征空間分布特征1. 1.原理原理 1.11.1數(shù)字地下水位模型的概念數(shù)字地下水位模型的概念 數(shù)字地下水位模型（數(shù)

19、字地下水位模型（digital watertable modeldigital watertable model，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱dwtm)dwtm)，采用規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該格網(wǎng)有多個(gè)大小相同，采用規(guī)則格網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，該格網(wǎng)有多個(gè)大小相同且互相相鄰的單元格組成，每一單元格的行列編號(hào)表示該且互相相鄰的單元格組成，每一單元格的行列編號(hào)表示該單元格所對(duì)應(yīng)位置的單元格所對(duì)應(yīng)位置的x x、y y坐標(biāo)，而單元格的值表則示該坐標(biāo)，而單元格的值表則示該x x、y y坐標(biāo)點(diǎn)的地下水位。坐標(biāo)點(diǎn)的地下水位。1.21.2協(xié)同克立格空間插值方法協(xié)同克立格空間插值方法 協(xié)同克里格法利用多個(gè)變量之間的互相關(guān)性，用這些協(xié)同克里格法

20、利用多個(gè)變量之間的互相關(guān)性，用這些變量對(duì)其中一個(gè)變量進(jìn)行局部估計(jì)的方法，但是只有當(dāng)兩變量對(duì)其中一個(gè)變量進(jìn)行局部估計(jì)的方法，但是只有當(dāng)兩個(gè)變量之間相關(guān)性較大時(shí)，建立和計(jì)算交叉協(xié)方差函數(shù)和個(gè)變量之間相關(guān)性較大時(shí)，建立和計(jì)算交叉協(xié)方差函數(shù)和變異函數(shù)才有意義，協(xié)同克里格估計(jì)才能夠保證精確和有變異函數(shù)才有意義，協(xié)同克里格估計(jì)才能夠保證精確和有效。其定義為：效。其定義為： 設(shè)點(diǎn)處第個(gè)變量為待估變量，則其估計(jì)量是設(shè)點(diǎn)處第個(gè)變量為待估變量，則其估計(jì)量是k k個(gè)協(xié)同區(qū)個(gè)協(xié)同區(qū)域化變量樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)的線性組合：域化變量樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)的線性組合：kakknakarzuzr 110#0)(jrjnajanakakrnjajk

21、jjarruuuu110110, 001),(),(112 2 數(shù)據(jù)說明數(shù)據(jù)說明3 3結(jié)果分析結(jié)果分析（1）地下水位的空間分布特征）地下水位的空間分布特征（2）地下水位下降幅度的空間分布特征）地下水位下降幅度的空間分布特征空間分布特征：空間分布特征：地下水位的逐級(jí)遞減方向與地表水系方向相一致。地下水位的逐級(jí)遞減方向與地表水系方向相一致。地下水位的變化存在明顯的分帶特征。地下水位的變化存在明顯的分帶特征。民勤縣東北部地區(qū)的地下水位低值區(qū)，逐漸向西南方向移民勤縣東北部地區(qū)的地下水位低值區(qū)，逐漸向西南方向移動(dòng)，地下水位低值區(qū)的面積有所擴(kuò)大。動(dòng)，地下水位低值區(qū)的面積有所擴(kuò)大。地下水位下降速度最大的地區(qū)為金川和武威交界處，地下地下水位下降速度最大的地區(qū)為金川和武威交界處，