本發(fā)明涉及地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型，尤其是涉及一種具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

自上世紀(jì)70年代開(kāi)始，我國(guó)開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)采地下水，開(kāi)采量每10年增加一倍。在大量開(kāi)采地下水的同時(shí)，由于監(jiān)管的缺乏、保護(hù)意識(shí)的薄弱，在全國(guó)已形成160多個(gè)地下水超采區(qū)，超采區(qū)面積達(dá)19萬(wàn)km²，嚴(yán)重超采城市近60個(gè)。由此引發(fā)了區(qū)域性地下水位下降、地面沉降、咸(海)水入侵、生態(tài)系統(tǒng)退化等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題，將嚴(yán)重影響和制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。對(duì)于地下水超采嚴(yán)重的地區(qū)，開(kāi)發(fā)一套能夠較為精確的具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水水位預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)顯得尤為重要，利用已監(jiān)測(cè)到的地下水位信息對(duì)未來(lái)地下水位動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行預(yù)測(cè)，不僅有助于地下水資源合理開(kāi)發(fā)與管理，也將為地下水超采區(qū)的壓采措施提供依據(jù)。

目前，地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法可分為兩大類(lèi)：確定性模型法和隨機(jī)模型法。兩大類(lèi)方法都各具優(yōu)缺點(diǎn)。其中確定性模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)Φ叵滤\(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制進(jìn)行描述，具有較強(qiáng)的理論基礎(chǔ)和相對(duì)成熟的求解方法；缺點(diǎn)是模型參數(shù)的獲取與確定，需要大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，而且模型假設(shè)條件較多，一定程度上無(wú)法真實(shí)細(xì)致的描述區(qū)域水文地質(zhì)條件，導(dǎo)致地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生偏差。隨機(jī)模型的優(yōu)點(diǎn)是其在構(gòu)建模型時(shí)只考慮對(duì)地下水水位產(chǎn)生影響的因素，利用概率統(tǒng)計(jì)理論尋找這些因素與地下水水位的關(guān)系，這對(duì)于資料相對(duì)匱乏，地下水系統(tǒng)非常復(fù)雜的地區(qū)較為適用；缺點(diǎn)是缺少對(duì)地下水系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)機(jī)制的描述，各要素間的物理關(guān)系或物理意義不明確。我國(guó)大部分地下水超采區(qū)的水文地質(zhì)條件復(fù)雜，資料相對(duì)匱乏，隨機(jī)模型更加適用。但目前還未形成一套具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型可供資料匱乏地區(qū)使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法及應(yīng)用，其解決的技術(shù)問(wèn)題是在資料相對(duì)匱乏的地區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同預(yù)見(jiàn)期地下水水位預(yù)測(cè)。

為了解決上述存在的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用了以下方案：

一種具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法，包括以下步驟：

步驟1、對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)；

步驟2、以月為預(yù)測(cè)長(zhǎng)度單位，構(gòu)建近期預(yù)測(cè)模塊；

步驟3、以年為預(yù)測(cè)長(zhǎng)度單位，構(gòu)建中期預(yù)測(cè)模塊；

步驟4、以五年為預(yù)測(cè)長(zhǎng)度單位，構(gòu)建遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)模塊。

進(jìn)一步，所述步驟1中對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)具體為：在水資源三級(jí)分區(qū)、行政分區(qū)和地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上，考慮各地區(qū)的地下水資源稟賦以及水文地質(zhì)條件，將研究區(qū)劃分為多個(gè)水文地質(zhì)單元，進(jìn)行分區(qū)地下水預(yù)測(cè)。

進(jìn)一步，所述步驟2中構(gòu)建近期(月)預(yù)測(cè)模塊具體如下：

地下水預(yù)測(cè)模型主要分為確定性模型和隨機(jī)模型，步驟2中選擇隨機(jī)模型構(gòu)建近期(月)預(yù)測(cè)模塊；

所述步驟2中近期(月)預(yù)測(cè)模塊的構(gòu)建采用相關(guān)分析法；將該近期(月)預(yù)測(cè)模塊的地下水預(yù)測(cè)方案分為兩個(gè)部分：

①11～5月份預(yù)測(cè)方案：

每年的11～2月為農(nóng)閑季節(jié)，地下水開(kāi)采量較少，此時(shí)地下水位多處于上升期；3～5月進(jìn)入農(nóng)忙季節(jié)，地下水開(kāi)采量增加，地下水位處于下降期；11～5月由于降水量稀少，地下水位的月變幅與降水量幾乎沒(méi)有關(guān)系，這個(gè)時(shí)間段的地下水變幅主要受開(kāi)采量的影響；由于地下水的開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精確度較差，另外這幾個(gè)月地下水的歷年變幅差別不是很大，因此采用各月歷年區(qū)域地下水平均變化幅度預(yù)測(cè)，即：

公式1中：H_i+1代表下月末區(qū)域平均水位(m)；H_i代表本月末區(qū)域平均水位(m)；代表本月末～下月末歷年區(qū)域平均水位變幅(m)；

②6～10月份預(yù)測(cè)方案：

通過(guò)分析6～10月份區(qū)域面平均降雨量與區(qū)域面平均月地下水位變幅，建立區(qū)域面平均降雨量與區(qū)域面平均月地下水位變幅的相關(guān)圖，區(qū)域面平均月地下水位變幅采用當(dāng)月某日區(qū)域面平均水位減去上月同日區(qū)域面平均水位。

上述步驟2中所述相關(guān)分析法是通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析水文現(xiàn)象之間相關(guān)關(guān)系的規(guī)律性，建立函數(shù)關(guān)系，據(jù)此進(jìn)行預(yù)測(cè)或控制的分析方法，為現(xiàn)有方法。以本發(fā)明中6～10月預(yù)測(cè)方案為例：通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，區(qū)域面平均降雨量與區(qū)域面平均月地下水位變幅之間存在相關(guān)關(guān)系，以歷史資料建立區(qū)域面平均降雨量(x軸)與區(qū)域面平均月地下水位變幅(y軸)的相關(guān)關(guān)系圖。在進(jìn)行預(yù)測(cè)時(shí)，以當(dāng)月面平均降雨量(x軸)可以查到當(dāng)月到下月區(qū)域面平均月地下水位變幅(y軸)，將此水位變幅值加上當(dāng)月地下水位值就得到下月地下水位預(yù)測(cè)值。

進(jìn)一步，所述步驟3中構(gòu)建中期(年)預(yù)測(cè)模塊具體如下：

中期(年)預(yù)測(cè)模塊采用隨機(jī)模型中的多元線性回歸的數(shù)學(xué)模型；地下水位動(dòng)態(tài)變化不僅受降水影響，還與當(dāng)?shù)氐叵滤_(kāi)采量大小有著密切的關(guān)系，降水量大的年份，開(kāi)采量較小，地下水位有所回升；降水量小的年份，開(kāi)采量較大，地下水位相應(yīng)呈下降趨勢(shì)；以此構(gòu)建的多元線性回歸的數(shù)學(xué)模型為：

y＝b₀+b₁x₁+b₂x₂ 公式2；

公式2中x₁為降水量，x₂為地下水開(kāi)采量，y為地下水位，b₀、b₁以及b₂為常數(shù)。

進(jìn)一步，所述步驟4中構(gòu)建遠(yuǎn)期(5年)預(yù)測(cè)模塊融合了灰色GM(1,1)模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具體如下：

步驟4.1、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練；

將連續(xù)n年的地下水水位觀測(cè)數(shù)據(jù)序列作為灰色GM(1,1)模型中隨時(shí)間變化的灰色過(guò)程，運(yùn)用時(shí)間序列來(lái)確定灰色GM(1,1)模型中微分方程的參數(shù)，從而建立相應(yīng)微分方程的模型，對(duì)第n+1年的地下水水位進(jìn)行預(yù)測(cè)；再用第2年到第n+1年連續(xù)n年的觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)第n+2年的地下水水位，依此類(lèi)推，將得到第n+1年到第n+5年連續(xù)5年的地下水水位預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，將這5年的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，5年對(duì)應(yīng)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)作為輸出，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；

步驟4.2、模塊預(yù)測(cè)流程；

將連續(xù)n年的地下水水位觀測(cè)數(shù)據(jù)序列作為灰色GM(1,1)模型的輸入，得到第n+1年的地下水水位預(yù)測(cè)值，并將此值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到修正的第n+1年地下水水位預(yù)測(cè)值；再以第2年到第n年的地下水水位觀測(cè)數(shù)據(jù)以及修正的第n+1年地下水水位預(yù)測(cè)值為灰色GM(1,1)模型的輸入，得到第n+2年的地下水水位預(yù)測(cè)值，并將此值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到修正的第n+2年地下水水位預(yù)測(cè)值；依此類(lèi)推，進(jìn)行5次循環(huán)，從而得到遠(yuǎn)期(5年)的地下水位預(yù)測(cè)值。

一種具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法的應(yīng)用，其特征在于：對(duì)特定區(qū)域地下水水位進(jìn)行近、中、遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)，從而對(duì)超采區(qū)的地下水資源進(jìn)行有效管理。

該具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建方法及應(yīng)用具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明提供了一種對(duì)地下水水位進(jìn)行近、中、遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)的模型構(gòu)建方法，有助于地下水資源合理開(kāi)發(fā)與管理，為地下水超采區(qū)的壓采措施提供依據(jù)。

(2)本發(fā)明將研究區(qū)分成了多個(gè)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)分區(qū)預(yù)測(cè)。

(3)本發(fā)明利用相關(guān)分析法、多元線性回歸的數(shù)學(xué)模型、灰色GM(1,1)模型以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別構(gòu)建了近期、中期、遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)模塊，建立了地下水位與主要影響因素的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，所需基礎(chǔ)資料少，操作性強(qiáng)；

(4)本發(fā)明遠(yuǎn)期(5)年預(yù)測(cè)模塊利用新陳代謝模式，避免了灰色GM(1,1)模型以及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)年限較短的缺點(diǎn)，能夠預(yù)測(cè)5年后的地下水水位，對(duì)管理部門(mén)制定下一個(gè)5年計(jì)劃、超采區(qū)治理規(guī)劃等工作提供數(shù)據(jù)支撐。

附圖說(shuō)明

圖1：本發(fā)明具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型的構(gòu)建流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖1，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

如圖1所示，一種具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型系統(tǒng)，

它包括下述步驟：

步驟1、對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)；

步驟2、以月為預(yù)測(cè)長(zhǎng)度單位，構(gòu)建近期預(yù)測(cè)模塊；

步驟3、以年為預(yù)測(cè)長(zhǎng)度單位，構(gòu)建中期預(yù)測(cè)模塊；

步驟4、以五年為預(yù)測(cè)長(zhǎng)度單位，構(gòu)建遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)模塊。

步驟(1)中對(duì)研究區(qū)進(jìn)行分區(qū)具體為：

在水資源三級(jí)分區(qū)、行政分區(qū)和地質(zhì)分區(qū)的基礎(chǔ)上，考慮各地區(qū)的地下水資源稟賦以及水文地質(zhì)條件，將研究區(qū)劃分為多個(gè)水文地質(zhì)單元，進(jìn)行分區(qū)地下水預(yù)測(cè)。

步驟(2)中構(gòu)建近期(月)預(yù)測(cè)模塊具體為：

該模塊地下水預(yù)測(cè)方案分為兩個(gè)部分：

①11～5月份預(yù)測(cè)方案

每年的11～2月為農(nóng)閑季節(jié)，地下水開(kāi)采量較少，此時(shí)地下水位多處于上升期；3～5月進(jìn)入農(nóng)忙季節(jié)，地下水開(kāi)采量增加，地下水位處于下降期。11～5月由于降水量稀少，地下水位的月變幅與降水量幾乎沒(méi)有關(guān)系，這個(gè)時(shí)間段的地下水變幅主要受開(kāi)采量的影響。由于地下水的開(kāi)采量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)精確度較差，另外這幾個(gè)月地下水的歷年變幅差別不是很大，因此采用各月歷年區(qū)域地下水平均變化幅度預(yù)測(cè)，即：

$H_{i+1}=H_i+\stackrel{\‾}{{\mathrm{\ΔH}}_{i+1}}---\left(1\right)$

式中：H_i+1代表下月末區(qū)域平均水位(m)；H_i代表本月末區(qū)域平均水位(m)；代表本月末～下月末歷年區(qū)域平均水位變幅(m)。

②6～10月份預(yù)測(cè)方案

通過(guò)分析6～10月份區(qū)域面平均降雨量與區(qū)域面平均月地下水位變幅，建立區(qū)域面平均降雨量與區(qū)域面平均月地下水位變幅的相關(guān)圖，區(qū)域面平均月地下水位變幅采用當(dāng)月某日區(qū)域面平均水位減去上月同日區(qū)域面平均水位。

步驟(3)中構(gòu)建中期(年)預(yù)測(cè)模塊具體為：

中期(年)預(yù)測(cè)模塊采用隨機(jī)模型中的多元線性回歸的數(shù)學(xué)模型；地下水位動(dòng)態(tài)變化不僅受降水影響，還與當(dāng)?shù)氐叵滤_(kāi)采量大小有著密切的關(guān)系，降水量大的年份，開(kāi)采量較小，地下水位有所回升；降水量小的年份，開(kāi)采量較大，地下水位相應(yīng)呈下降趨勢(shì)；以此構(gòu)建的多元線性回歸的數(shù)學(xué)模型為：

y＝b₀+b₁x₁+b₂x₂ 公式2；

公式2中x₁為降水量，x₂為地下水開(kāi)采量，y為地下水位，b₀、b₁以及b₂為常數(shù)。

步驟(4)中構(gòu)建遠(yuǎn)期(5年)預(yù)測(cè)模塊融合了灰色GM(1,1)模型與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具體如下：

步驟4.1、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練；

將連續(xù)n年的地下水水位觀測(cè)數(shù)據(jù)序列作為灰色GM(1,1)模型中隨時(shí)間變化的灰色過(guò)程，運(yùn)用時(shí)間序列來(lái)確定灰色GM(1,1)模型中微分方程的參數(shù)，從而建立相應(yīng)微分方程的模型，對(duì)第n+1年的地下水水位進(jìn)行預(yù)測(cè)；再用第2年到第n+1年連續(xù)n年的觀測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)第n+2年的地下水水位，依此類(lèi)推，將得到第n+1年到第n+5年連續(xù)5年的地下水水位預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，將這5年的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，5年對(duì)應(yīng)的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)作為輸出，對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練；

步驟4.2、模塊預(yù)測(cè)流程；

將連續(xù)n年的地下水水位觀測(cè)數(shù)據(jù)序列作為灰色GM(1,1)模型的輸入，得到第n+1年的地下水水位預(yù)測(cè)值，并將此值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到修正的第n+1年地下水水位預(yù)測(cè)值；再以第2年到第n年的地下水水位觀測(cè)數(shù)據(jù)以及修正的第n+1年地下水水位預(yù)測(cè)值為灰色GM(1,1)模型的輸入，得到第n+2年的地下水水位預(yù)測(cè)值，并將此值作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，得到修正的第n+2年地下水水位預(yù)測(cè)值；依此類(lèi)推，進(jìn)行5次循環(huán)，從而得到遠(yuǎn)期(5年)的地下水位預(yù)測(cè)值。

一種具有不同預(yù)見(jiàn)期的地下水分區(qū)預(yù)測(cè)模型構(gòu)建方法及應(yīng)用，提供了一種對(duì)地下水水位進(jìn)行近、中、遠(yuǎn)期預(yù)測(cè)的模型構(gòu)建方法，該方法是基于已監(jiān)測(cè)到的地下水位信息對(duì)未來(lái)地下水位動(dòng)態(tài)變化的預(yù)測(cè)，有助于地下水資源合理開(kāi)發(fā)與管理，為地下水超采區(qū)的壓采措施提供依據(jù)。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了示例性的描述，顯然本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)并不受上述方式的限制，只要采用了本發(fā)明的方法構(gòu)思和技術(shù)方案進(jìn)行的各種改進(jìn)，或未經(jīng)改進(jìn)將本發(fā)明的構(gòu)思和技術(shù)方案直接應(yīng)用于其它場(chǎng)合的，均在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。