（水文学及水资源专业论文）济南泉域地下水动态特征及监测网优化.pdf

i i ri ll ii l lill ii iiii 18 8 3 5 10 s t u d yo nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d w a t e ra n d m o n i t o r i n gn e t w o r ko p t i m i z a t i o nj i n a ns p r i n g b y z h a n gj i a n - z h i u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f z h a os h u q u a n ，x i n gl i - t i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h e u n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 1 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：醢建堇日期：垫! ! ：塑 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 d 么开口保密(年，解密后应遵守此规定) 论文作者签名：立丛址导师签名：蟑日期：力啤 济南大学硕仁学位论文 ! ! m mmm 曼皇曼曼曼曼孽曼邕皇皇曼曼舅 目录 摘要i i i a b s t r a c t 、f 第一章绪论1 1 1 课题的来源1 1 2 选题的背景和意义1 1 3 研究现状2 1 3 1 地下水动态分析预测研究现状2 1 3 2 地下水动态监测网研究现状8 1 3 3 当前研究中存在的问题1 0 1 4 本文主要研究内容1 0 1 5 研究思路及技术方法1 l 第二章济南泉域自然地理及水文地质条件概况1 3 2 1 地理位置1 3 2 2 地形地貌特征1 3 2 3 气象水文条件1 4 2 3 1 气象1 4 2 3 。2 水文1 4 2 4 1 地层构造1 5 2 4 2 水文地质条件1 7 第三章济南泉域地下水位动态特征1 9 3 1 地下水位的年内动态特征1 9 3 1 1 补给区地下水位动态特征1 9 3 1 2 径流区地下水位动态特征2 0 3 1 3 排泄区地下水位动态特征2 0 3 2 地下水位的年际动态特征2 2 3 2 12 0 0 3 年以前地下水位动态特征2 2 济南泉域地下水动态特征及监测网优化 3 2 22 0 0 3 年以后地下水位动态特征2 3 3 3 地下水位影响因素分析2 4 3 3 1 多元线性回归模型2 4 3 3 2 大气降水与地下水位2 7 3 3 3 人工开采与地下水位3 2 3 3 4 大气降水、人工开采与地下水位3 7 第四章济南泉域地下水位时间序列及趋势面分析3 9 4 1 地下水位时间序列分析3 9 4 1 1 时间序列模型3 9 4 1 2 济南泉域地下水位时间序列模型4 3 4 2 地下水位趋势面分析4 7 4 2 1 多项式趋势面分析模型4 7 4 2 2 济南泉域地下水位趋势面分析5 0 4 2 3 异常点的分析5 1 第五章济南泉域地下水位监测网优化5 5 5 1 地下水位监测网密度优化5 5 5 8 2 2 4 1 1 2 3 7 9 5 5 6 6 6 7 7 7 7 7 7 济南大学硕上学位论文 摘要 随着社会经济的高速发展，人们对于地下水资源的需求量不断增加。过量开采地 下水不仅会引起地面沉降、地裂、地陷等地质灾害，还会造成地下水位下降、地下水 质恶化等环境问题。本文以济南泉域为研究区域，分析了泉域内地下水位的年内及年 际动态特征，探讨了地下水位的影响因素，分析了地下水位的时间序列及趋势面，最 后对地下水监测网进行了优化。本文的研究成果对济南泉水的保护、地下水位预测及 监测网下一步优化有着积极作用。本文的主要结论及创新点有： 1 研究了近6 0 年地下水位的序列资料，分析得到以下结论：从整体上看，补给 区、径流区、排泄区地下水位与降雨量关系密切，呈明显季节性，其中补给区与径流 区地下水位一致性较好，排泄区地下水位在汛期上升最快；分别分析了上世纪六十年 代、七八十年代、九十年代及2 0 0 3 年以后地下水位特征，总体看，地下水位经历了 “上升持续下降波动上升 四个阶段，认为随着时间推移，地下水位受人为因素的 影响逐渐增加。 2 采用多元线性回归模型分别研究了大气降水、人工开采对地下水位的影响， 并通过建立多年降雨量、市区开采量、外围开采量与地下水位的回归模型研究了上世 纪六十年代、七八十年代大气降水与人工开采对地下水位的影响情况，认为六十年代 当年降雨量与前一年降雨量对地下水位有显著影响，而开采量没有显著影响，七八十 年代开采量尤其是外围开采量对地下水位有显著影响，降雨量没有显著影响，并认为 九十年代以后泉域地下水位受大气降水、人工开采、人为水利工程的联合影响，其中 人为水利工程影响较为显著。 3 采用灰色模型频谱分析模型一自回归模型的联合模型，分析了2 0 0 7 - 2 0 0 9 年趵 突泉月均地下水位的序列资料，发现近几年泉域地下水位呈逐年上升趋势，找到一个 时间为一年的主周期，这反映了地下水位的季节性变化，通过模型精度检验发现该模 型精度的良好，可用于地下水位的预测。首次将多项式趋势面分析模型应用于济南泉 域地下水位的分析，采用s u r f e r 软件作出了地下水位的趋势面偏差图，划分出了地下 水位的异常区域，并分析了异常点地下水位异常的原因。 4 针对济南泉域现有地下水监测网的布局情况，采用普通克里金法对监测点密度 进行优化，计算得到变差函数为y ( 办) = o 3 005 5 5 1 ，提出了在研究区域新增1 1 个 监测井去掉一个监测井的优化方案，优化后监测点的理论方差均满足监测需求。最后 i i i 济南泉域地下水动态特征及监测网优化 以地下水位均值的置信区间为优化目标，结合统计理论对地下水位的监测频率进行了 优化，认为5 天一次的监测频率是合理的。 关键词：地下水位；动态特征；监测网；地下水位趋势面：济南泉域； i v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t y , t h eq u a n t i t yd e m a n d e do ft h e g r o u n d w a t e rr e s o u r c e si so nt h ei n c r e a s e e x c e s s i v ee x p l o i t i n gg r o u n d w a t e ri sn o to n l y c a u s es u r f a c es u b s i d e n c e ，g r o u n df r a c t u r i n g , g r o u n ds e t t l e m e n ta n da n yo t h e rg e o l o g i c a l d i s a s t e r ，b u ta l s o c a b s eg r o u n d w a t e rr e c e s s i o n , g r o u n d w a t e rd e g r a d a 留 o na n do t h e r e n v i r o n m e n t a lp r o b l e m t h i sp a p e rm a k ej i n a ns p r i n g sa st h es t u d ya r e a , a n a l y s e dt h ey e a r a n da n n u a ld y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fg r o u n d w a t e rl e v e lo fj i n a ns p r i n g s ，d i s c u s s e dt h e i n f l u e n c i n gf a c t o ro fg r o u n d w a t e rl e v e l ，a n a l y s e dt h et i m es e r i e sa n dt r e n ds u r f a c eo f g r o u n d w a t e rl e v e l ，a tl a s t ，o p t i m i z e dt h eg r o u n d w a t e rm o n i t o rn e t w o r k t h er e s e a r c hi s s i g n i f i c a n tt oj i n a ns p r i n g s g r o u n d w a t e rp r o t e c t i o n , g r o u n dw a t e rl e v e lp r e d i c t i o na n d m o n i t o rn e t w o r ko p t i m i z a t i o n t h er e s u l t sa n di n n o v a t i o nw e r es u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 t h i sp a p e rr e s e a r c h e dn e a r l y6 0y e a r s s e q u e n c ed a t ao fg r o u n d w a t e rl e v e l ，t h em a j o r c o n c l u s i o n sa sf o l l o w i n g ：a saw h o l e ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eg r o u n d w a t e rl e v e lo f r e c h a r g ea r e a , r u n o f fa r e a , d i s c h a r g ea r e aa n dr a i n f a l lw a sc l o s e , p r e s e n t e do b v i o u ss e a s o n a l t h ec o n s i s t e n c yo fg r o u n d w a t e rl e v e lb e t w e e nr e c h a r g ea r e aa n dr u n o f fa r e ai sw e l l t h e g r o u n d w a t e rl e v e lo fd i s c h a r g ea r e ar i s e df a s t e s td u r i n gt h ef l o o ds e a s o n ；i th a sa n a l y s e dt h e g r o u n dw a t e rl e v e lc h a r a c t e r i s t i c so f6 0 s ，7 0 a n d 8 0 s ，9 0 sa n da f t e r2 0 0 3 a saw h o l e , t h e g r o u n dw a t e rl e v e lh a sb e e nt h r o u g h r i s e c o n t i n u e dt od e c l i n e - r i s ea n df a l l r i s e f o u r p h a s e s o v e rt i m e ，t h ei n f l u e n c eo fh u m a nf a c t o r so nt h eg r o u n dw a t e rl e v e lw a si n c r e a s i n g 2 m u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o nm o d e lw a su s e dt or e s e a r c ht h ee f f e c to fr a i n f a l la n d e x p l o i t a t i o no nt h eg r o u n dw a t e rl e v e l ，a n dt h r o u g he s t a b l i s h e dt h er e g r e s s i o nm o d e l b e t w e e ny e a r so fr a i n f a l l ，u r b a ne x p l o i t a t i o n , o u t s k i r t se x p l o i t a t i o na n dt h eg r o u n dw a t e r l e v e lr e s e a r c h e dt h ee f f e c to fr a i n f a l la n de x p l o i t a t i o no nt h eg r o u n dw a t e rl e v e lo f6 0 s ，7 0 a n d8 0 s ，9 0 sa n da f t e r2 0 0 3 t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h eg r e a te f f e c to nt h eg r o u n dw a t e r l e v e lw e r er a i n f a l li nt h es a m ey e a ra n dt h er a i n f a l li nt h ep r e v i o u sy e a rb u t e x p l o i t a t i o nn o t i n6 0 s ，t h eg r e a te f f e c to nt h eg r o u n dw a t e rl e v e lw e r ee x p l o i t a t i o ne s p e c i a l l yo u t s k i r t s e x p l o i t a t i o na n dt h er a i n f a l ln o ti n7 0a n d8 0 s a r e r9 0 s ，t h em a i nf a c t o ro ft h e g r o u n d w a t e rl e v e lc h a n g ew a sr a i n f a l l ，e x p l o i t a t i o na n dw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c t t h e w a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c tm a d et h eg r e a te f f e c to nt h eg r o u n dw a t e rl e v e l v 济南泉域地下水动态特征及监测网优化 3 t h ec o n j u n c t i v em o d e lo fg r a ym o d e l s p e c t r u ma n a l y s i sm o d e l a u t o - r e g r e s s i o n m o d e lw a su s e dt oa n a l y s i ss e q u e n c ed a t ao fg r o u n d w a t e rl e v e lm o n t h l yv a l u eo fb a o t u s p r i n gd u r i n g2 0 0 7a n d2 0 0 9 i tw a sf o u n dt h a tt h eg r o u n d w a t e rl e v do fs p r i n gr e g i o n s h o w e da ni n c r e a s i n gt r e n di nr e c e n ty e a r s i tf o u n dap r i m a r yp e r i o do fo n ey e a r , w h i c h r e f l e c t e dt h es e a s o n a lv a r i a t i o no ft h eg r o u n d w a t e rl e v e l t h r o u g ht h em o d e lp r e c i s i o nt e s t , i tf o u n dt h a tt h em o d e lp r e c i s i o nw a sw e l la n di tc o u l db eu s e df o rt h eg r o u n d w a t e rl e v e l p r e d i c t i o n t h ep o l y n o m i a lt r e n ds u r f a c ea n a l y s i sm o d e lw a su s e dt or e s e a r c ht h e g r o u n d w a t e rl e v e lo fj i n a ns p r i n g sf o rt h ef i r s tt i m e i tm a d eag r o u n dw a t e rl e v e lt r e n d s u r f a c ed e v i a t i o nm a pb ys u r f e r i tm a r k e do f ft h eg r o u n d w a t e rl e v e la b n o r m a lr e g i o no f j i n a ns p r i n g sa n da n a l y s e dt h er e a s o nf o r t h ea b n o r m a lg r o u n d w a t e rl e v e l 4 a c c o r d i n gt ot h ee x i s t i n ga r r a n g e m e n to f t h eg r o u n d w a t e rm o n i t o rn e t w o r ko fj i n a n s p r i n g s ，t h eo r d i n a r yk r i g i n gw a su s e dt oo p t i m i z et h ed e n s i t yo fm o n i t o r i n gp o i n t t h e v a r i o g r a mc a l c u l a t e d t 0b e7 ( 办) = 0 3 0 8 5 h o 邡5 1 i tp r o p o s e das c l l e i n et l l a tn e w l y i n c r e a s e de l e v e na n dg o tr i do fo n em o n i t o r i n gw e l l si nr e s e a r c ha r e a t h et h e o r e t i c a l v a r i a n c ew e r ea l l s a t i s f yt h em o n i t o r i n gd e m a n da f t e ro p t i m i z a t i o n a tl a s t , i tm a d e c o n f i d e n c ei n t e r v a lo ft h em e a no fg r o u n d w a t e rl e v e la st h eo p t i m i z a t i o no b j e c t i v e , c o m b i n e dw i t l lt h es t a t i s t i c a lt h e o r yo p t i m i z e dt h em o n i t o r i n gf r e q u e n c yo f g r o u n d w a t e r l e v e l t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em o n i t o r i n gf r e q u e n c yo fo n et i m ef i v ed a y sw a s r e a s o n a b l e k e yw o r d s ：g r o u n dw a t e rl e v e l ；d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；m o n i t o r i n gn e t w o r k ； g r o u n dw a t e rl e v e lt r e n ds u r f a c e ；j i n a ns p r i n ga r e a v i 济南大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 第一章绪论 本文依托于“山东省重大水文地质问题研究、“济南地区地下水动态监测网 优化 等项目开展工作。 1 2 选题的背景和意义 随着社会经济的高速发展、人口数量的快速增加，资源与环境问题开始成为 制约人类发展的关键，而淡水资源更是工农业发展以及人类生存的关键因素。据 科学时报报道，人类目前能够利用的淡水资源相当有限，只占全球水资源总量的 0 2 6 ，全世界约4 0 的人面临淡水不足问题，其中约3 亿人生活在极度缺水状 态中。由于人类的滥砍滥伐、过量开采地下水、污水的任意排放以及浪费水资源 等现象的不断发生，导致了海水入侵、地面沉降、生态系统的恶化以及生物多样 性的破坏等危害的发生。因此，2 1 世纪水资源的问题将是影响人类延续与发展 的重大问题。现如今我国正处于经济发展的迅猛时期，对于水资源的需求量日益 增加，我国正面临着资源与环境的大挑战。 济南是闻名于世的泉城，然而济南又是我国北方水资源严重匮乏的城市之 一，全市人均占有水资源量3 5 1 立方米，不足全国人均占有水资源量的六分之一， 市区人均占有水资源量2 2 5 立方米，仅为全国人均占有水资源量的十分之一。由 于管理、监督手段不健全，开采布局不合理，致使泉域地下水严重超采，泉水停 涌，并引起了地裂地陷等一系列地质环境问题。 地下水包括水量和水质两个方面，地下水水量、水质以及物理性质随时间的 变化被称为地下水动态【l 】。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【1 1 。为了及时、全面的掌握地下水的动态特征，人们建立了地下水动态监测 网，地下水动态监测网的作用就是对地下水位以及水质变化过程进行实地监测。 济南泉域地下水动态特征及监测网优化 影响地下水动态监测网监测精度的因素包括：监测点的密度、监测点的合理性、 监测频率的大小等。对地下水监测网的优化研究的目的是在满足一定的地下水研 究信息量的前提下，布设最佳的地下水监测点以及最佳监测频率，以使得地下水 监测的投入最d d 2 。本文以济南泉域为例，对济南泉域的地下水动态以及地下水 监测网的优化进行研究，在系统分析研究济南泉域地下水位动态特征的前提下， 提出地下水监测网的优化方案。因此，本文的研究内容对济南泉域泉水保护、地 下水位预测等地下水相关方面的研究有着积极的作用和现实意义。 1 3 研究现状 1 3 1 地下水动态分析预测研究现状 地下水动态分析是研究地下水动力条件、水力联系、地下水场等的重要手段。 关于地下水动态分析预测，最早的理论方法是水均衡方法以及水文地质比拟法。 最先得到广泛应用的方法是解析法，1 9 0 5 年e 梅勒第一次用解析法提出泉水流 量衰减的基本公式。随着其他科学技术的迅速发展，地下水动态分析预测的理论 方法也得到了扩充，各种分析预测理论不断出现，大大提高了地下水动态的分析 预测精度。从整体上看，地下水动态分析的理论模型包括确定性模型和随机模型， 其中确定性模型主要包括解析解法理论、数值解方法理论、电模拟解法，随机模 型主要包括回归分析法理论、频谱分析法理论、时间序列分析理论、随机微分方 程理论【1 1 。近年来，随着电子计算机技术的迅速发展和应用，一些现代地下水动 态分析预测的理论，如人工神经网络理论、灰色系统理论、模糊预测理论等，得 到了空前发展，事实也证明了，这些现代理论有着以往理论所没有的优点。 1 3 1 1 地下水动态分析预测的确定性模型 1 3 1 1 1 解析解法理论 解析法是最早被应用于地下水动态分析预测的方法之一，其理论方法是通过 已知的区域水文地质条件，建立地下水动态的确定性数学模型，通过求解数学模 型，进而对地下水动态进行分析预测。但由于数学模型求解所需的初始条件的问 题，使得解析法的应用范围只局限于形状规则、边界条件简单、含水层性质均一 得区域，这大大影响了解析法的推广。因此，这种方法仅局限于简单的水文地质 2 济南大学硕士学位论文 条件区域的地下水动态分析预测。 由于解析解法的局限性，它不能很好的对具体的水文条件进行模拟。它的使 用范围很窄，这也是该方法不能得到广泛应用的原因。万峥等人( 2 0 0 8 ) 选用大 井法、排水沟法和回归分析法三种较常用的解析方法估算霍林郭勒市沙尔呼热南 露天矿区疏干排水量，为优化配置利用水资源提供依据【3 1 。 1 3 1 1 2 数值解方法理论 数值模拟法的迅速发展是从上世纪六七十年代开始的。数值模拟法的发展是 结合电子计算机技术的发展而被应用于地下水动态研究的，由于数值模拟法可以 模拟较复杂边界的非均质含水层，也可以得到一个水文地质单元内的地下水动态 变化情况，因此，该方法在国内外都得到了迅速发展。陈喜等人( 2 0 0 6 ) 对位于 岩溶地区的小南海泉泉域地下水进行了数值模拟和水平衡分析，模拟了泉流量动 态变化与区域地下水关系【4 】。 数值模拟法的应用也使得水文地质计算的发展得到了长足的进步，数值模拟 法目前主要包括有限差分方法、有限单元方法、边界元法、有限分析法等。李平 等人( 2 0 0 8 ) 针对商丘实验区水文地质特点，采用有限单元法对浅层地下水非稳 定流的二维运动偏微分方程进行离散得出任一结点有限元方程，很好地模拟商丘 实验区地下水位动态变化【5 1 。汪家权等人( 2 0 0 5 ) 在分析了济南泉群研究区域岩 溶水贮存和运动特征的基础上，建立了三维有限元数学模型，并利用等参有限元方 法求解，探讨了济南市“保泉”与“供水”的可行性，为科学管理济南市泉群区域内地 下水资源提供依据【6 1 2 4 】。 随着计算机技术的不断发展，由美国研发的下水专业软件g m s ( 7 】以及基于 有限差分原理研发的模拟地下水流的软件m o d f l o w 引，在地下水系统的数值 模拟中得到了广泛的应用。徐军祥等人( 2 0 0 8 ) 根据济南泉域岩溶地下水系统特 征，采用m o d f l o w 模拟裂隙岩溶介质地下水运动规律，进行了回灌补源条件 下的地下水、地表水联合调蓄模拟，结果表明趵突泉枯水期水位控制在2 7 6 m 以 上，四大泉群能够保证长年喷涌，同时在西郊增大开采量，提出济南泉域允许开 采量不超过3 9 万m v d 是泉域生态地质环境功能修复的前提【9 1 。王庆兵等人( 2 0 0 9 ) 利用以上两种软件，建立了济南泉域地下水稳定流和非稳定流模拟模型，分析了 地下水流场及泉水流量变化趋势，并圈划了泉群地下水汇流带【l o 】。 济南泉域地下水动态特征及监测网优化 1 3 1 1 3 电模拟解法 电模拟解法是利用地下水运动的流场和电流场的相似性，从而对地下水运动 方程进行模拟求解。根据导电介质的不同，该方法可为连续介质电模拟和非连续 介质电模拟两种。其中非连续介质电模拟又叫电网络法，它可由差分原理和变分 原理建立，其优点是可以模拟各种复杂边界条件、各向异性、非均质的区域，其 缺点是模型制作周期长【1 1 1 。 1 3 1 2 地下水动态分析预测的随机模型 1 3 1 2 1 回归分析法理论 回归分析法理论是以数理统计原理为理论基础，根据所研究的变量之间的相 关关系，建立回归方程、求解方程，最后再由数理统计的理论对方程进行分析， 进而讨论变量之间的相关关系。根据自变量的多少，回归分析可分为一元回归分 析和多元回归分析；由自变量和因变量的相关关系，回归分析又可分为线性回归 分析和非线性回归分析；此外，还有自回归分析。回归分析往往应用于水文地质 条件尚未搞清，边界条件复杂的地区，它可以考虑较多影响因子，通过对实测资 料的分析对影响因子进行筛选，最后建立地下水动态的预报方程。杨丽丽等人 ( 2 0 0 8 ) 针对淄博市地下水水位动态特征和地下水水位建立了地下水位与开采 量、降水量的二元非线性回归模型，并进行了模拟精度分析。结果表明：该模型用 于地下水水位与地下水开采量、降水量之间定量关系的分析，符合实际，适用性好， 可作为对淄博市地下水多年动态进行预测的一种方法【1 2 1 。向速林等人( 2 0 0 6 ) 根 据地下水流量与其影响因素之间存在的相关关系，采用多元回归分析模型，建立 了一个基于线性回归分析法的地下水流量预测模型，并将其用于遵义市海龙坝 的地下水流量预测。结果表明预测精度较高，建立的模型较符合本研究区的实际 情况【1 3 】。秦秀梅等人( 2 0 0 6 ) 以葫芦岛市塔山高桥一带水源地为例，通过线性回 归、非线性回归分别建立地下水水位与地下水开采量、降水量之间的关系方程。 结果表明，地下水水位多年动态主要受控于地下岩溶水的人工开采，而降水量对 其影响不大【1 4 】。 值得指出的是回归分析法对地下水动态变化的预测只可用于短期的预测，长 期预测误差较大，而且该方法需要较长序列的观测资料。 4 济南大学硕上学位论文 1 3 1 2 2 频谱分析法理论 频谱分析用于地下水动态的基本思路是地下水动态曲线是由大量谐成分与 随机成分合成，通过对已取得的一定数量观测数据的分析，可得到与该观测数据性 质有关的一定的谱参数，利用这些参数又可以人工再造未来时刻可能出现的有序 数列，从而实现地下水动态的中长期预报【l 】。黄友波等人( 2 0 0 2 ) 应用频谱法分析 法对水文时间序列的代表性进行了分析【1 5 】。李平等人( 2 0 0 5 ) 应用频谱分析法对 吉林西部的地下水动态进行了分析和预报，反映了地下水位的季节性变化和气候 变化规律，为吉林西部的地下水开发和水资源管理提供了依据【1 6 1 。燕双建等人 ( 2 0 0 9 ) 借助于频谱分析，利用实测降水系列资料预测了淄河流域未来降水，预 测结果为防汛抗旱工作提供了依据【1 刀。在利用频谱分析法进行预测分析时，应当 指出的一点是，当一些随机成分占的比重较大时，其预测结果误差大，还不十分 理想。 1 3 1 2 3 时间序列分析理论 所谓时间序列是指某变量在有相同时间间隔一系列时间f 2 厶下，得到的 离散有序数列x ( 1 ) ，x ( 2 ) ，取刀) 。利用数学理论对这些时间序列进行处理的方法就 叫做时间序列分析法。近年来，随着计算机技术的发展，时间序列分析法在地下 水动态预测、地下水资源评价等方面得到了广泛的应用。时间序列分析的模型主 要有：滑动平均模型、自回归模型、自回归滑动平均模型等。杨忠平等人( 2 0 0 5 ) 运用时间序列分析理论对吉林西部地下水位动态变化进行了分析和预报。揭示了 地下水位的季节性变化和多年变化规斜1 8 】。仲维政等人( 2 0 0 8 ) 结合m a t l a b 7 1 ，通过趋势项、周期项、随机项的迭加建立地下水a r ( p ) 时间序列预报模型，对石 羊河流域平原区预报了近年的地下水水位，预报结果显示该区地下水位将持续下 降，应及时加以控制 1 9 】。 由于时间序列分析是以研究对象的变化趋势为基础，通过过去和现在的变化 趋势来推求未来的变化趋势，因此，当研究对象受到影响因素的影响较大时，时 间序列分析的预测往往误差较大。 1 3 1 2 3 随机微分方程理论 5 济雨泵域地下水动态特征及j l f 测网优化 地下水系统是一个复杂的随机系统，在进行地下水资源评价、地下水动态分 析等方面的研究时，我们注意到在建立的地下水确定性微分模型中，其水文地质 参数如：渗透系数、贮水系数等在含水层中不是呈均匀分布的，而是呈空间分布 的，另外，地下水模型的源汇项如：降雨入渗、河流的补给等都存在不确定性。 为了更客观得描述地下水系统，我们建立带有随机参数的地下水的数学模型，这 种数学模型便是随机微分方程。潘宏雨等人( 1 9 9 9 ) 详细论述了地下水系统作为 随机系统的客观合理性，应用随机模型于地下水资源有关计算问题的可行性和必 要性，介绍了地下水动态数据的随机处理方法，讨论了用随机微分方程模拟、预测 地下水位【2 0 】。 随机微分方程在理论上能够很好的进行地下水资源的各项研究，但由于随机 微分方程的求解往往是一个复杂的数学问题，近年来，应用此方法进行地下水动 态分析预测的研究很少。 1 3 1 3 其他理论 1 3 1 3 1 人工神经网络理论 人工神经网络( a n n ) 是对人脑或自然的神经网络若干基本特征的抽象和 模拟，是一种非线性的动力学系统。它具有大规模的并行处理和分布的信息存储 能力、良好的自适应性、自组织性及很强的学习、联想、容错及抗干扰能力【2 1 1 。 近年来，在地下水动态分析预测方面应用较多有b p 神经网络和r b f 神经网络等。 在地下水动态分析预测中，人工神经网络不仅能够考虑自变量与因变量之间的关 系，而且还可以考虑多个自变量之间的关系，并且因变量也可以是多个，人工神 经网络的这种并行处理能力是普通数理统计法所不能达到的。刘志明等人( 2 0 0 6 ) 运用b p 神经网络方法构建了地下水动态监测网的质量评价模型，并以甘肃省武 威盆地的地下水位监测网为例进行了实例研裂2 2 1 。罗金明等人( 2 0 0 8 ) 阐述了 r b f ( 径向基函数) 神经网络具有结构自适应确定、输出与初始权值无关的优良 特性。通过m a t l a b 仿真，将网络应用于某地的地下水动态模拟与预测，取得了 良好效果，并与b p 网进行了对比表明，r b f 网络是一种值得推广的地下水动态 模拟与预测神经网络模型【2 3 】。迟宝明等人( 2 0 0 8 ) 针对地复杂的地下水非线性动 力系统，提出了基于遗传算法的b p 神经网络地下水动态预测模型。通过实例分 6 济南大学硕士学位论文 析，结果表明基于遗传算法的b p 神经网络地下水动态预测模型明显优于b p 神 经网络模型，是一种预测短期地下水位比较理想的模型【2 4 】。 人工神经网络在处理非线性、随机性等问题时有着其他方法无法比拟的优 点，但，人工神经网络在学习的过程中容易陷入局部极小、网络存在冗余连接、 隐含层单元数难以确定等缺陷是该方法在应用和发展过程中有待进一步解决的 问题。 1 3 1 3 2 灰色系统理论 灰色系统理论最先是由我国学者邓聚龙教授于1 9 8 2 年提出的。灰色系统是以 一个包含有已知信息、未知信息和不确定信息的系统。灰色系统论就是从控制论 的角度去建立模型，在分析影响因素间的关联性的基础上，用“灰数据映射”的方 法来处理随机量，从而发现系统的规律性，使系统的未知信息和不确定信息逐渐 变为确定性信息。 在地下水动态分析预测方面，灰色系统论把观测到的时间序列作为已知信 息，而未来的时间序列便是未知信息和不确定信息。其中应用较为广泛的模型是 g m ( 1 ，1 ) 模型，该模型通过对时间序列累加的方法实现序列的非线性到线性的 转变，再利用已建立的微分方程对数据处理，求解方程，再对结果作依次累减便 得到预测结果。程银才等人( 2 0 0 8 ) 应用双向差分方法建立g m ( 1 ，1 ) 灰色预测模 型，并用于地下水动态预测中。实例应用结果表明，该方法对具有波动性和周期性 的地下水动态预测时，比传统的灰色模型更有效【2 5 1 。孙金丹等人( 2 0 0 8 ) 在讨论 了g m ( 1 ，1 ) 灰色预报和马尔柯夫预报的优缺点的前提下，提出了灰色与马尔柯夫 相耦合的灰色马尔柯夫预报模型，最后以河南某地区地下水埋深为例，验证了该方 法的可行性【2 6 1 。张维涛等人( 2 0 0 9 ) 以平度市南部粮产区具体情况以及其地下水 的开采利用状况为研究对象，运用灰色理论的算法建立g m ( 1 ，1 ) 模型，用该 模型对该地区的地下水动态变化趋势进行预测【2 7 1 。刘洪等人( 2 0 0 9 ) 在灰色理论 基础上，详细阐述了地下水水位时间序y u g m ( 1 ，1 ) 动态模型的建立过程。以无锡 市为例，对模型进行了评定和检验。结果表明，模型的预测精度较高，具有一定 的实用价值【2 引。 1 3 1 3 3 模糊预测理论 7 济南泉域地下水动态特征及监测网优化 模糊理论的发展最早是由美国的教授l a z a d e h 在1 9 6 5 年提出模糊集合理论 开始的。模糊理论是以模糊集合理论为基础，针对现实中事物存在的模糊性对其 进行量化，进而对其进行评估的方法。 模糊理论用于地下水动态分析预测是从上世纪8 0 年代开始的。由于影响地下 水动态的因素如：水文地质条件、降雨入渗等都存在着模糊成分，而采用确定的 描述方法往往不能达到满意的结果，这时根据人们的经验进行描述取得的预测结 果较好，而模糊理论恰恰能够利用这一点。同时可以看出，模糊预测理论适用于 水文地质条件、边界条件等掌握较清楚的地区。孙才志等人( 1 9 9 9 1 论述了目标 函数聚类法的原理与计算过程，并应用该方法对某河流附近的1 5 个观测孔的水 位动态进行分