基于ELM模型的浅层地下水位埋深时空分布预测

选用石家庄平原区补排因子的多种组合为输入参数,利用28眼水井的实测资料作为预测目标值,首次建立基于极限学习机(Extreme learning machine,ELM)的地下水位埋深时空分布预测模型,讨论补排因子在不同缺失情况下对模型精度的影响;利用Arc GIS分析误差空间分布趋势,并与常用的三隐层BP神经网络模型进行对比。结果表明:基于水均衡理论的ELM地下水位埋深模拟模型能够准确反映人类和自然双重影响下地下水系统的非线性关系,模型输入因子中缺失降水量或开采量的模拟结果均方根误差(RMSE)比缺失其余因子的RMSE高2.00倍及以上,同时模型有效系数(E_(ns))和决定系数(R~2)进一步降低;与BP模型相比,ELM模型可使RMSE减小43.6%,误差区间降低46.4%,Ens和R2提高至0.99,且RMSE在空间相同区域上均明显呈现出ELM模型小于BP模型;ELM模型在南部高误差区的移植精度(RMSE低于1.82 m/a,E_(ns)高于0.95)高于BP模型(RMSE超过3.00 m/a,Ens低于0.85);因此,影响地下水位埋深的主导因素是降水量和开采量,且ELM模型在精度、稳定性和空间均匀性上较优,移植预测效果较好,可利用已知资料推求区域空间内其余未知水井的浅层地下水位埋深;该模型可作为水文地质参数及补排资料缺乏条件下浅层地下水位埋深预测的推荐模型。     

小波神经网络在白城地区浅层地下水埋深预测中的研究

针对白城地区浅层地下水位动态变化的复杂性和非线性,采用小波分析和人工神经网络相结合的小波神经网络模型(WA-ANN)对白城地区浅层地下水埋深进行分析和预报。将研究区5口井2002-2009年逐月的降水量、蒸发量、人工开采量和前期水位埋深4个因素作为输入层,地下水埋深作为输出层,建立浅层地下水埋深预测模型,并采用"后验差"法对模型精度进行检验。检验结果表明,WA-ANN模型能很好地模拟该区地下水埋深变化规律,且拟合和预报精度均较高,相对误差小于10%。2010年以后的预报结果显示研究区地下水位呈逐年下降趋势,预计到2015年将下降1m,应及时加以控制。同时,笔者希望本次研究能为浅层地下水埋深预测提供一种新的途径。     

基于多变量时间序列模型的地下水埋深预测——以渭库绿洲为例

为能够更好地预测干旱区渭库绿洲的地下水埋深及合理规划、开发地下水资源。以1995-2014年降雨量、蒸发量、农业用水量和地下水埋深等数据作为数据源展开研究。利用主成分分析法提取贡献率较大的因素,将其应用于多变量时间序列CAR(Controlled Auto-regressive)模型,从而建立地下水埋深的预测模型,并对模型进行验证。研究结果表明:渭库绿洲的地下水埋深受蒸发量、农业用水量的影响大,分别为0.533、0.466;模型预测值与实测值相对误差的平均值仅为1.483%,表明该模型在干旱区绿洲区域预测精度高、效果佳。预测趋势显示:若研究区蒸发量持续增加25%、降雨量减少15%、农业用水量减少15%时,地下水埋深将达到4.21 m,预测地下水埋深对渭库绿洲的生态环境和农业发展提供了有力的参考。     

基于RBF神经网络的地下水动态预测

以内蒙古自治区巴彦淖尔市金泉工业园区为例,基于园区B248号长观井2001-2008年的地下水埋深资料,首先建立了地下水埋深RBF神经网络预测模型,而后对该模型的模拟结果作误差分析,并将相应值与BP网络模型进行对比。RBF神经网络模型和BP网络模型的最大相对误差分别为9.88%和19.67%,最大绝对误差分别为0.81和1.56,均方误差分别为0.19和0.98。显然,RBF神经网络具有较高的预测精度和较强的非线性映射能力。用上述训练好的RBF神经网络模型对研究区2009-2013年平水年条件下的地下水埋深进行预测,结果表明,研究区已出现地下水位持续下降的趋势。最后,根据地下水资源保护规划方案,在逐时段压缩地下水开采量10%的情况下,研究区2025年即可恢复到2001年的地下水水位值。     

支持向量机在河套地区地下水矿化度预测中的应用

为研究内蒙古河套地区义长灌域年均地下水矿化度变化规律,选取灌域年蒸发量、引水量和年均地下水埋深作为影响因子,建立基于支持向量机的灌域年均地下水矿化度预测模型,并与多元回归预测模型和BP神经网络预测模型进行对比分析。结果表明:多元回归预测模型预测精度较差,BP神经网络预测模型较多元回归预测模型精度有较大提高,但支持向量机预测模型对灌域年均地下水矿化度的预测效果最好,其决定系数达到0.81,平均误差仅为0.15 g/L。由此可见,支持向量机方法在灌域年均矿化度预测研究中切实可行,为灌域地下水研究和生态环境改善提供新思路。     

基于长短期记忆神经网络模型的地下水水位预测研究

利用长短期记忆神经网络(LSTM)构建地下水水位预测模型,解决了传统神经网络预测模型处理时序数据时未考虑时间序列的问题,同时采用多影响变量输入的方式弥补了简单时序模型处理数据时过于依赖时间的缺点。以泰安市岱岳区满庄镇姜家园村046J地下水位监测井为例,采用2001-2016年的监测资料与相关气候数据,利用长短期记忆神经网络构建了地下水水位预测模型,以控制变量的方法确定最优参数,对该井的地下水水位进行了预测,并与单变量LSTM神经网络、BP神经网络预测模型作对比。研究结果表明:基于多变量输入的LSTM神经网络模型能够通过少量历史数据准确的预测未来地下水水位变化情况,特别是在一些资料匮乏的地区,预测误差要显著低于参与对比的预测模型,预测均方根误差仅为2.052。因此,基于多变量的LSTM神经网络模型能够作为简单有效的地下水水位预测工具,为区域水资源管理提供一定的参考。     

基于CAR-SVM模型的季节性冻融区地下水埋深预测

准确预测地下水埋深是灌区水资源管理的重要依据.考虑到地下水埋深在时间序列上呈现滞后性和非线性,耦合了多变量时间序列CAR与支持向量机SVM,构建了CAR-SVM地下水埋深预测模型.为了提高模型在冻融期的模拟效果,构建了季节性冻融灌区地下水埋深拟合模型--CAR-SVM(T-TF)模型.模拟结果显示,只考虑冻融期气温的CAR-SVM(T-TF)模型优于考虑全年气温的CAR-SVM(T)模型及不考虑气温的CAR-SVM模型.CAR-SVM(T-TF)模型在全灌区地下水埋深的模拟结果:在验证期模型决定系数R^{2为0.954,冻融期R2为0.973;RMSE均小于0.090 m,模型精度较高.将全灌区得到的3阶CAR-SVM(T-TF)模型结构用于灌区内5个灌域地下水埋深模拟,模型在各灌域均有较好的适用性.}     

基于改进的BP神经网络对蓄水坑灌冬季果园土壤温度预测

为准确预测冬季果园土壤温度,建立了蓄水坑灌条件下BP神经网络土壤温度预测模型(BP-WSPI-T)、遗传算法优化的BP神经网络土壤温度预测模型(GA-WSPI-T)和增量逆传播学习算法优化的BP神经网络土壤温度预测模型(IBP-WSPI-T),采用坑内平均气温、地表温度、沿相邻两蓄水坑中心连线距坑壁的距离和距坑壁5cm处分层土壤最低温度为模型输入,对距坑壁15、25和35cm处分层土壤最低温度进行预测,并通过与田间实测数据的统计学分析来判定预测效果。结果表明:BP-WSPI-T、GA-WSPI-T和IBP-WSPI-T模型的平均相对误差分别为8.19%、4.41%和7.57%,GA-WSPI-T模型的预测效果最好,较BP神经网络预测精度得到了很大的提高,建议采用GA-WSPI-T模型对蓄水坑灌冬季果园土壤温度进行预测。     

BP神经网络在浅层地下水矿化度预

针对导致黄河下游三角洲地区土壤盐渍化的浅层地下水因素,以该地区典型区域为研究对象,将人工神经网络引入地下水矿化度的模拟和预测中,建立了基于土壤盐分、地下水埋深和pH的地下水矿化度预测的BP神经网络模型,并与多元回归模型在拟合精度和预测性能方面进行了比较。结果表明：研究区域地下水矿化度与土壤盐渍化程度呈显著的相关性,多元回归模型能较好地拟合地下水矿化度;通过网络训练确定了地下水矿化度的BP神经网络的拓扑结构为5：8：1,BP神经网络的拟合精度明显优于多元回归模型;统计检验表明BP神经网络的预测性能亦优于多元回归方法,其预测精度提高了50.1%。该研究可为黄河三角洲地区盐渍化的水盐调控和预测预报提供理论基础与决策依据。     

基于灰色残差-马尔可夫藕合模型的农业需水量预测研究

将灰色残差模型与马尔可夫预测模型结合起来,建立灰色残差-马尔可夫藕合模型来预测农业需水量.先用灰色GM(1,1)模型进行预测,预测精度较低,因此对GM(1,1)模型进行一定程度的改进,建立灰色残差GM(1,1)模型;再用马尔可夫预测模型来判断残差预测值的符号,以提高预测精度.最后用华东某城市2002-2008年的农业用水量作为历史数据进行了预测,结果表明预测精度明显提高.预测结果可以为研究区域今后的节水灌溉发展提供理论依据,来有效地指导今后该地区的节水灌溉.     

熵权与改进TOPSIS结合模型在地下水资源承载力评价中的应用

地下水资源作为水资源的重要组成部分,对社会经济的健康发展具有重要的意义。以陕西省某典型灌区为研究对象,在建立TOPSIS模型过程中,以熵权对评价指标进行客观赋权,并引入“垂直距离”来代替常规TOPSIS模型中欧氏距离来改进TOPSIS模型,对灌区地下水资源承载力进行评价,结果表明,各分灌区地下水资源承载力存在差异,但总体上该灌区的地下水资源承载力潜力较小,并提出了提高地下水资源承载力的措施。研究成果对该地区地下水资源可持续利用具有重要意义。     

气候变化与人类活动对地下水埋深变化的影响

以通辽市科尔沁区为研究区,利用累积距平、M-K突变检验和累积量斜率变化率比较法,对降水量变化与地下水埋深变化进行突变检验,定量评估研究区气候变化与人类活动对地下水埋深变化的贡献度。结果表明:地下水埋深多年来呈显著上升趋势,降水对地下水埋深动态变化的影响存在明显的滞后现象,滞后期为3 a;研究区地下水埋深与降水量突变点为1998年,前期1980—1998年为基准期,后期1999—2016年为影响期;研究区气候变化对地下水埋深变化影响的贡献度为24.5%,人类活动对地下水埋深变化影响的贡献度为75.5%,人类活动是造成地下水埋深下降的主要原因。     

基于IBAS-BP算法的冬小麦根系土壤含水率预测模型

为在节水灌溉系统中精确测量和预测根系土壤含水率,将传统天牛须算法每次迭代过程中的一只天牛改进为一个天牛种群,建立了基于改进天牛须搜索算法优化的IBAS BP预测模型,并利用实测浅层土壤含水率数据,对深度50 cm冬小麦根系土壤含水率进行预测。结果表明,与PSO BP预测模型、GA BP预测模型以及原始BAS BP模型相比,IBAS BP模型可准确预测冬小麦根系土壤含水率,有效避免了网络陷入局部极小值的可能性,且相对误差均值仅为0.0045。     

磴口县地下水空间异质性分析及其对景观格局变化的响应

应用地统计学和地理信息系统方法,分析内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县地下水埋深对景观格局演变的响应。首先,通过半变异函数模型分析了磴口县地下水埋深的空间异质性特征,进而利用克里金插值对研究区2008、2016年的地下水埋深空间分布进行了拟合;其次,基于磴口县2008年与2016年的景观格局分布数据,研究了其景观格局演变特点;最后利用GIS叠加分析手段,将地下水埋深变化与景观格局演变数据进行耦合,分析了地下水埋深对景观格局演变的响应机制。研究结果如下：①空间上,磴口县地下水埋深大体遵循由东北向西南逐渐加深的趋势,研究时段内其空间异质性呈上升趋势,空间异质性中的随机扰动增强。②县域主要景观类型为林地,其次为沙地、裸地与水体,研究时段内建筑用地与水体增加明显,耕地与沙地略有减少。③景观格局演变对地下水埋深有较明显的影响,建筑用地的扩张使其加深,地表灌溉系统的不断完善使其上升。总体来看,磴口县地下水资源利用效率有较明显的提高。     

东北寒区水稻需水对地下水埋深的响应及灌溉模拟

【目的】揭示不同降水年型下东北寒区水稻需水对地下水埋深变动与灌溉的响应规律,进一步优化寒区水稻灌溉制度。【方法】以黑龙江庆安和平灌区灌溉试验站多年水稻灌溉试验及2017年地下水动态观测数据为依据,分析不同灌水模式下水稻耗水及地下水变化动态,验证AquaCrop模型在东北寒区水稻生长模拟中的适用性,并用于模拟分析25%、50%、75%降水年型下水稻需水与不同地下水埋深的相互关系及灌水量的响应规律,提出适宜该地区水稻高产的地下水埋深范围及其生育期净灌水量。【结果】①水稻生育期内,地下水埋深先浅后深,其中,分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期耗水量大,灌溉和降雨较多,地下水埋深较浅;②构建了3种降水年型下ET与GD、I的多元回归方程,综合考虑了水稻需水量与地下水埋深、生育期灌水量之间的相关关系,可用于稻田高效耗用水管理和地下水资源持续利用;③为实现东北寒区水稻高产和地下水埋深基本稳定的双重目标,地下水埋深应控制在2.0～2.5 m之间,水稻生育期净灌水量为:枯水年不宜低于现状灌水量,即300 mm;丰水年和平水年净灌水量可适当减少至现状灌水量的0.8倍,即240 mm。【结论】提出了适宜该地区水稻高产的地下水埋深范围及生育期净灌水量,为促进我国东北地区节水增粮,保护湿地生态环境,提高农业用水效率提供了理论依据。     

城乡统筹背景下重庆市水生态足迹分析及预测

为研究城乡统筹背景下重庆市水生态足迹情况,利用水生态足迹模型,分析了重庆市2000—2014年水生态足迹和水资源承载力,运用GRNN模型预测了2015—2018年城乡人均水生态足迹与人均水资源承载力。结果表明,12000—2014年重庆市水生态足迹总体呈上升趋势,由0.093 2亿hm~2增长到0.143 5亿hm~2。水资源承载力受降水量的影响,整体波动较大。水生态压力指数介于0.115 6~0.235 9之间,远小于1,水资源开发利用空间大。2城乡水生态足迹与水资源承载力有差异:农村总水生态足迹大于城市,但人均水生态足迹小于城市。农村总水资源承载力与人均水资源承载力均大于城市。城市水生态压力指数大于农村,但二者都小于1,说明城市水资源利用程度高,但城市发展对水资源的压力也大。3预计2015—2018年重庆市城乡人均水生态足迹总体上都呈上升态势,城市人均水生态足迹将由0.386 64 hm~2增长到0.409 62 hm~2,增长了6%。农村人均水生态足迹将由0.276 50 hm~2增长到0.336 57 hm~2,增长了22%。城乡人均水资源承载力在一定范围内相对稳定,水生态足迹增长将威胁水资源可持续利用。在充分考虑重庆市水资源的时空分布基础上,优化产业结构、转变发展方式、统筹城乡布局,可促进重庆社会经济可持续发展。     

基于线性规划和MODFLOW耦合技术的人民胜利渠灌区水资源优化配置研究

【目的】确定人民胜利渠灌区合理的农业水资源优化配置方案,为灌区水资源管理和机井布置提供科学依据。【方法】针对人民胜利渠灌区水资源分配不合理及灌区生态环境恶化问题,按照灌区地形地貌、工程类型和灌溉水源特点将灌区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个计算单元,基于线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型对灌区各计算单元进行不同水文年水资源优化配置,并模拟优化配置后地下水位动态变化。【结果】确定了不同水文年灌区的水资源优化配置方案:灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区不同水文年的井渠比例有所不同,平水年井渠比分别为1/3.14、1/3.25、1/2.92,丰水年分别为1/3.47、1/3.66、1/3.24,枯水年分别为1/2.75、1/2.77、1/2.60;平水年计算单元Ⅰ区模拟地下水埋深相比初始埋深下降0.01 m,水资源总量基本处于平衡状态;计算单元Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相对于初始埋深分别上升了0.12、0.15 m;丰水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别上升了0.1、0.23、0.3 m;枯水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别下降了0.17、0.08、0.04 m。【结论】线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型相结合能较好地模拟灌区地下水流场和预测地下水动态变化趋势,进而确定合理的水资源优化配置方案。     

On-farm water management in saline groundwater area under scarce canal water supply condition in the Northwest India

The study investigates the possibility of enhancing crop water productivity in the parts of Northwest India where groundwater quality is marginal and canal water supply is severely scarce. Soil, Water, Atmosphere and Plant (SWAP) model was calibrated and validated in three farmers’ fields with varying canal water availability and groundwater quality in the Kaithal Irrigation Circle of the Bhakra Canal system, Haryana. On the basis of predicted and observed soil water content, pressure heads, salt concentration at 2 week intervals and crop yields, the model was found suitable for use in the region. A few nomographs were prepared to provide a graphical method to predict the effect of different combinations of water quality and depth of water application on crop yield and soil salinity and to help develop some guidelines to the farming community. Water management alternatives at the field level were suggested to increase the yield and to maintain soil salinity below threshold level. The application of frequent irrigation in precisely leveled field would help in achieving 10% higher yield even when saline groundwater of 11 dS/m is used for irrigation.     

Impacts of water saving on groundwater balance in a large-scale arid irrigation district,Northwest China

Water saving practices are essential for sustainable use of water resources in semiarid regions. To understand the impacts of different water saving measures on groundwater resources, the Hetao Irrigation District in Northwest China was chosen in this study. Based on the data from 1991 to 2010, a groundwater balance model was calibrated and validated. The simulation results showed that irrigation-induced infiltration (92 % of the total groundwater recharge) and groundwater evaporation (92 % of the total groundwater discharge) were the primary factors controlling groundwater table fluctuations during irrigation seasons. The impacts of different water saving scenarios on groundwater balance components were then evaluated. The results revealed that the conjunctive use of water resources was the most effective way to improve water use efficiency (reducing surface water diversions by 52 %) and the depth to groundwater table increased by up to 79 cm. However, deeper groundwater tables may have a negative effect on crop growth due to reduced upward fluxes of groundwater into root zones. Therefore, future studies are needed to evaluate the impacts of different water saving measures on both water resources and crop yields. The results of this study provide further insights into effectively managing water resources in water-limited agricultural areas.