基于变化环境的灌区地下水动态时空变异规律研究

论文摘要

宝鸡峡灌区是全国十大灌区之一,自灌区成立至今已有三十多年。在灌区的发展过程中,由于外部环境因素变化的影响,地下水系统循环条件发生了很大变化,直接影响着灌区地下水资源的演变趋势和开发利用格局。因此,研究变化环境因素对地下水动态的影响,探讨地下水动态的时空变异规律,对灌区地下水资源的合理开发和水资源的可持续利用具有重要的理论意义和应用价值。本文在总结归纳前人研究工作的基础上,从宝鸡峡灌区地下水循环的角度,分析了灌区地下水系统及外部环境因素的变化趋势,结合灌区地下水动态的演变特征,分析了地下水动态的主要影响因子;建立了地下水位动态的多元线性回归模型和BP神经网络模型,并对灌区地下水位进行了预测;将地统计学与GIS相结合,研究了灌区地下水位的时空变异规律。获得了如下主要研究结论:（1）概化了宝鸡峡灌区地下水系统,明确了气候因素和人类活动是地下水系统的外部环境因素,分析了地下水动态变化特征,分析结果表明:黄土台塬区地下水位自1982年至2005年,大致经历了四个阶段:水位上升期、水位平稳期、水位下降期和水位平稳（回升）期;渭河阶地区地下水位总体上呈现水位下降趋势。灌区范围内地下水硬度自2002年以来,呈现上升趋势,且上升趋势比较明显;碱度近几年变化不明显,基本上呈平稳趋势;矿化度呈上升趋势,但趋势不十分明显。（2）运用Mann-Kendall法、Spearman检验法和回归检验法对灌区1982～2007年的降水量、蒸发量、地表水灌溉水量和地下水开采量进行趋势分析,结果表明:灌区范围内降水量总体上呈下降趋势,但下降趋势不显著,且丰枯交替出现;灌区范围内蒸发量总体呈上升趋势,但上升趋势不显著且上升与下降呈周期性交替出现;灌区地表水灌溉水量呈下降趋势,且变化趋势显著;灌区地下水开采量呈上升趋势,变化趋势不显著。（3）运用灰色关联度分析法对灌区地下水位动态变化的主要驱动因素进行了研究。研究结果表明:黄土台塬区地下水动态的影响因素由大到小排序为:蒸发、降水、地表水灌溉、地下水开采;渭河阶地区地下水动态影响因素由大到小的排序为:蒸发、降水、地下水开采、地表水灌溉。通过黄土台塬区和渭河阶地区的对比分析可以发现各影响因子对渭河阶地区地下水动态的影响作用要大于对黄土台塬区地下水动态的影响作用。（4）利用宝鸡峡灌区地下水位动态及外部环境因素资料,建立了灌区地下水位动态的多元线性回归模型和BP神经网络模型,两种模型的地下水位模拟及检验精度分析表明,BP神经网络模拟和预测地下水位动态精度比多元线性回归模型高。结合地下水动态影响因素的变化趋势分析,应用所建模型,对灌区的地下水位动态进行了预测,表明未来几年内灌区地下水位整体上将呈现下降趋势,其中黄土台塬区地下水位下降速度要大于渭河阶地区地下水位的下降速度。（5）利用ARCGIS的地统计模块对地下水位进行空间分析,分别建立地下水位空间变异的球状、指数和高斯模型,通过各拟合参数的比较和Cross—Validatiom交叉验证发现克里格方法中高斯模型精度最高。由高斯模型分析得出:灌区地下水位具有强的空间相关性且呈现增强趋势;灌区地下水位具有明显的各向异性,且灌区内地下水位具有较好的空间连续性。长轴所在角度在65°方向,与灌区南部的渭河走向基本一致。克里格插值结果显示:灌区地下水位由西北方向向东南方向递减,2002年至2007年6年间地下水位变幅较小。地下水位的标准误差预测图表明模型进行地下水位空间预测精度较高,灌区内地下水观测井的分布较为均匀、合理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外研究进展及存在问题
• 1.2.1 变化环境对地下水动态的影响
• 1.2.2 地下水动态研究方法
• 1.2.3 地下水动态空间变异性研究
• 1.2.4 存在的主要问题
• 1.3 主要研究内容
• 1.3.1 灌区地下水系统概化
• 1.3.2 变化环境下地下水动态分析
• 1.3.3 灌区地下水动态的模拟和预报
• 1.3.4 地下水动态空间变异规律研究
• 1.4 研究方法及技术路线
• 1.4.1 研究方法
• 1.4.2 技术路线
• 第二章 宝鸡峡灌区地下水系统分析
• 2.1 灌区概况
• 2.1.1 自然地理
• 2.1.2 地形地貌
• 2.1.3 气候条件
• 2.1.4 河流水系
• 2.2 研究区地质及水文地质条件
• 2.2.1 地质构造
• 2.2.2 地下水赋存特征
• 2.3 灌区地下水系统
• 2.3.1 地下水系统概化
• 2.3.2 地下水的补给
• 2.3.3 地下水的排泄
• 2.3.4 地下水的径流
• 2.4 地下水化学特征
• 2.5 灌区地下水开发利用
• 第三章 灌区地下水系统外部环境因素及其变化趋势
• 3.1 环境因素变化趋势的识别方法
• 3.1.1 回归检验法
• 3.1.2 Spearman 秩次相关检验法
• 3.1.3 Mann-Kendall 法
• 3.2 资料来源及审查
• 3.3 气候因素及其变化趋势
• 3.3.1 降水量及其变化趋势
• 3.3.2 蒸发量及其变化趋势
• 3.4 人为因素及其变化趋势
• 3.4.1 地表水灌溉水量及其变化趋势
• 3.4.2 地下水开采及其变化趋势
• 第四章 变化环境下灌区地下水动态特征分析
• 4.1 地下水动态类型及特征
• 4.1.1 地下水位年内动态
• 4.1.2 地下水位年际动态
• 4.1.3 水质动态
• 4.2 地下水位动态变化主要驱动因子分析
• 4.2.1 灰色关联度分析法原理
• 4.2.2 应用实例及结果分析
• 第五章 地下水位动态的模拟和预报
• 5.1 地下水动态模拟模型概述
• 5.2 地下水动态的多元线性回归模型
• 5.2.1 多元线性回归模型的原理
• 5.2.2 基于多元线性回归模型的灌区地下水位动态模拟
• 5.3 基于Matlab 的人工神经网络模型
• 5.3.1 BP 人工神经网络模型的原理
• 5.3.2 基于BP 人工神经网络模型的灌区地下水动态模拟
• 5.4 灌区地下水位预测
• 第六章 灌区地下水空间变异规律研究
• 6.1 方法原理
• 6.1.1 地统计学原理
• 6.1.2 克里格插值
• 6.1.3 Arcgis 软件及地统计模块简介
• 6.2 数据预处理
• 6.3 灌区地下水位空间分布规律
• 6.3.1 地下水位样本统计分析
• 6.3.2 模型比选
• 6.3.3 地下水位空间变异特征及年际变化规律分析
• 6.3.4 各年份地下水位等值线图
• 6.3.5 模型精度检验
• 第七章 结论和讨论
• 7.1 结论
• 7.2 讨论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介