灌区地下水动态变化与预测模拟研究

摘 要 地下水是人类生存的重要组成部分之一，由于自然因素和人为活动的巨大改变，导致地下水受到了严重的影响。地下水动态能够显示出地下水资源的综合开发利用是否合理。所以，地下水动态的变化与预测模拟对于地下水资源的可持续性发展有着重要的意义。文章利用回归方程对灌区的地下水动态进行了模拟。

关键词 地下水动态；回归分析；小波去噪；PLS模型

中图分类号：S274 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0126-01

地下水动态是指含水层中，各要素包括水位、水量、水温和物理性质在时间上的变化而变化的状态[1]。由于城市化进程的不断加快，气候的不断变化，致使对水量的需求不断地加大，致使地下水循环条件发生了变化，从而也引起了很严重的地下水问题。因此，对于地下水动态变化的预测模拟可以成为水资源的优化配置的重要依据。

1 研究进展

关于地下水动态预测的研究方法非常多，优缺点也十分明显。梅勒和卡门斯基分别在1905年、20世纪50年代，通过解析法对于泉水的流量和地下水动态进行了预测。来自苏联的康诺普良采夫仅在1966年就让更多的研究学者意识到地下水动态研究的重要性。1983年，我国就利用水均衡和水文地质比拟等最最简单的方法进行了地下水动态的模拟。伴随着国外模型研究的深入，以及GIS地理信息系统技术的不断发展，使地下水动态的研究更加严谨、更加多元。常用的预测模型有确定性模型和随机性模型，是根据变量的取值来划分的。

2 研究方法

2.1 回归分析模型

回归分析模型是较为常用的随机模型之一。对于北方灌区，影响地下水的因素相对比较简单，利用回归方法进行短期预报会有良好的适用性。

2.2 小波去噪

近年来，小波理论的发展十分迅速，由于其具备良好的时频特性，其应用也非常广泛[2]。小波去噪的原理是将地下水位数据进行信噪分离，去除高频信息，然后重新构建处理后的数据，最后，进行数据分析与预报。实测数据属于含有白噪声的非平稳信号[3]：

（1）

式中，：观测信号；：实测地下水位数据；：白噪声。

小波去噪包括三个步骤：首先，利用小波变换对地下水位信号进行小波分解，然后将分层后的各个高频系数进行阈值量化处理，最后利用利用小波逆变换对所获取的信号进行小波重构，得到所需要的信号。

3 研究实例

3.1 研究区概况

以大安灌区为例。该灌区位于大安市中部，属松嫩平原的一部分。大安市的近年来年均年降水量仅在400 mm左右，蒸发量却超过了1000 mm，温带大陆性季风气候。

3.2 小波去噪

首先，根据已有地下水和影响因子的数据进行小波去噪处理，结果见图1、图2。

a. 原始数据 b.去噪数据

图1 降水量去噪图

a. 原始数据 b.去噪数据

图2 地下水位去噪图

从图1到图2可以发现，在大安灌区内，降水量、蒸发量以及地下水位数据的噪声数据都比较明显，经过小波去噪处理之后的数据将波动较大的数据都已经去除了，变化比较平稳。

3.3 构建小波去噪的PLS模型

模型的因变量是地下水位，影响因子包括月平均降水量和月蒸发量，将2008-2012年的数据通过偏最小二乘法构建模型，然后对研究区进行2013年的地下水位预测。结果见表1。

通过表1可以看出，通过该模型进行地下水预测的结果与原数据的相对误差较小，尤其是在经过小波去噪之后的地下水位数据，结果显示，利用小波去噪的PLS模型可以有效地对研究区的地下水位进行预测。

参考文献

[1]陈葆仁，洪再吉，汪福.地下水动态及其预测[M].北京：科学出版社，1988.

[2]李加升，黄文清，戴瑜兴.基于自定义阈值函数的小波去噪算法[J].电力系统保护与控制，2008，36（19）：21-24.

[3]秦蓓蕾，王文圣，丁晶.偏最小二乘回归模型在水文相关分析中的应用[J].四川大学学报（工程科学版），2003，35（4）：115-118.