基于替代模型的地表水地下水耦合模型不确定性分析

在地表水地下水耦合模拟过程中,源汇项的不确定性会影响模型输出结果的可靠性,故对其进行不确定性分析十分必要。针对一假想算例建立了地表水地下水耦合模拟数学模型,并运用Hydro Geo Sphere软件对其进行同步并行求解。采用Monte Carlo方法分析源汇项的不确定性对于地表水地下水耦合模拟输出结果的影响。在不确定性分析过程中,为减少多次调用模拟模型所产生的计算负荷,采用拉丁超立方抽样和Kriging方法建立模拟模型的替代模型。结果表明:地表水地下水耦合模拟模型能够描述研究区地表水流与地下水流的水力联系;采用Kriging方法建立模拟模型的替代模型,能减少不确定性分析的计算负荷;结合风险评估,地下水水位低于地下水生态水位阈值的风险值为0.2;基于替代模型对地表水地下水耦合模拟模型进行不确定性分析,大幅度地减少了计算成本,为决策者的实际工作提供参考。     

基于因子分析的TOPSIS法改进对浅层地下水综合评价

地下水综合评价是一种兼具绝对性、相对性和多指标性的一种综合评价法,在评价过程中存在相关性或多重共线性问题。先通过因子分析来克服相关性或多重共线性,再通过对TOPSIS方法的改进和拓展(加权欧氏距离平方的TOPSIS法)来达到兼具绝对性与相对性综合评价的要求,可以使评价结果更为客观。以福建省晋江市浅层地下水为验证研究区来阐述评价方法的实施过程和效果,并通过地统计法中的Kriging插值实现评价结果可视化。评价结果显示晋江市浅层地下水水质整体处于良好水平,可为合理保护和利用浅层地下水提供决策依据。     

基于Kriging插值方法改善地下水数值模型的精度

为了建立更符合研究区的地下水数值模型,提升模型的计算精度,提高水资源的管理水平。采用Kriging插值和地统计分析的方法对研究区现有的地下水监测网进行优化,分析了地下水监测站网优化前后所建立地下水数值模型的计算精度。结果表明,监测站网标准差由优化前的0.2~2.7变为优化后的0.5~0.8,整体标准差显著减小;优化后的监测站网所建立的地下水数值模型的精度优于利用原有的监测站网所建立的模型,更有助于模型的后续计算。     

基于GIS技术的咸阳市地下水空间分布规律研究

通过地下水水位观测资料,将咸阳市(秦都、渭城)按地貌和地质条件分为黄土台原区、渭河北阶地区和渭河南阶地区3个区,利用GIS软件Kriging插值法,并结合地表高程信息对3个分区进行地下水水位插值,探讨咸阳市区地下水位空间规律,并分析Kriging插值误差,讨论基于GIS软件插值效果。     

地下水资源可持续性管理研究——以吉林省平原区为例

随着人类地下水开发利用活动的加剧,地下水相关的生态地质环境问题日益显现,给社会经济的稳定发展带来了不利影响.这与传统地下水资源管理认识不全面、管理方法存在缺陷有关,研究结合吉林省平原区实际情况,提出对地下水资源进行功能评价,从资源功能、生态功能及地质环境功能三方面统筹考虑地下水资源状况,并进行地下水可持续性区划,为新时期地下水资源管理提出了新思路.     

石羊河流域地下水化学演变对水循环更新响应及模拟

采用水文地质调查和水化学技术,通过对石羊河流域山前和中游武威盆地地下水的补径排关系及水化学模拟研究,探讨了该地区地下水化学演化规律对水循环更新的响应。研究结果表明,流域地下水从上游到下游矿化度逐渐升高,溶解性总固体(TDS)质量浓度在131~1 750 mg/L之间;水化学类型呈现明显分带特征,从HCO-3-SO2-4-Ca2+-Mg2+型逐渐转换为SO2-4-HCO-3-Mg2+-Ca2+型。利用GIS软件中的Kriging空间插值方法对研究区1989—2009年TDS进行模拟,结果显示:在时间上,随着年份增加,盆地南部地下水TDS值由于降水和融水的冲释,呈减小趋势,中部先升高后下降;在空间上,自山口沿径流方向,TDS质量浓度逐渐增大。由于河流渗漏对地下水的补给作用,石羊河河床带TDS质量浓度明显偏低。地下水储水量和地下水埋深下降速率分别为3.04×108m3/a和0.47 m/a。随着地下水位埋深的增大,TDS质量浓度呈减小趋势,降低速率在11.12~50.41 mg/(L·a)之间。     

济南地区地下水动态监测网优化

地下水动态监测网通过获取地下水信息进而对地下水资源进行有效管理。以济南地区岩溶地下水为例,采用普通克里金法与地下水位趋势面分析相结合的方法对62个地下水监测井进行了优化,计算结果表明现状监测网密度较小,经监测网的优化,整个研究区需增加11个监测点,观测频率1次/5d。优化结果与济南地区水文地质条件基本吻合,对于济南保泉供水及水资源管理提供借鉴。     

西安城区地下水位监测网优化设计

进行地下水位监测可获得评价区域地下水时、空分布的必要信息。采取地下水动态类型编图的方法对西安城区地下水位监测网进行了优化设计,将整个西安城区分成71个动态类型区,使用ArcGIS生成地下水动态类型分区图;根据现有资料,对比3种半变差函数模型,确定了适宜西安城区的Kriging插值模型,进而取得西安城区地下水位监测网优化前、后的估计误差标准差等值线图。结果显示,标准差由0.46~2.98m变为0.25~1.02m,优化后的研究区整体标准差范围明显减小。最终确定在西安城区布设97眼监测井,其中在原有61眼监测井中保留44眼,新增监测井53眼。优化后的监测网能够更准确地获取有效的监测数据。     

降水量的空间变异性和空间插值方法的比较研究

为了比较降水量空间变异性研究的各种空间插值方法的优劣，选择无定河流域，运用逆距离加权法、趋势面拟合法、样条插值法、普通Kriging法和泛Kriging法等空间插值方法对流域的降水量进行了插值及空间场的变异分析。就普通Kriging法而言，结果显示降水量半变异函数符合一般的球状模型。把各种插值的连续空间分布与实际观察数据进行比较，结果表明：几种插值方法并无显著差异，但其中以普通Kriging法和逆距离加权法整体效果最好，尤以普通Kriging法环形模型最佳。最后分别运用上述插值方法对流域的降水量进行了空间插值并成图。     

地下水系统的状态空间分析方法

本文依据现代控制理论的观点和方法,介绍状态空间分析法在地下水分析中的应用。重点阐述承压含水层非稳定二维流的建模与解算方法。既是学术探讨,又具有实用性。     

山区降水空间分布的插值分析

降水空间分布信息是进行区域水资源管理的基础,同时也是区域防洪减灾中所需的重要信息。采用地质统计学方法克里金方法,建立了区域降水插值模型。并以黄河故县以上集水区域为例,进行多年平均月降水插值实验。由于研究区域为地形起伏的山区,因此降水空间分析中又建立了融合地形信息的人工神经网络模型。此外还选取泰森多边形法、距离平方反比法、线性回归法,采用交叉验证法对各方法的插值精度进行对比分析。研究显示,克里金方法和融合地形信息的人工神经网络模型插值精度较高。。     

基于数据同化的地下水埋深插值研究

以西北干旱区典型县域磴口县为研究区,以2015年8月份40个地下水采样点的样品数据为基础,引入集合卡尔曼滤波(En KF)数据同化将其优化作为主变量,以蒸散发量反演结果以及归一化植被指数(NDVI)数据为协变量,进行协同克里金插值,同时与未采用同化的协同克里金插值结果以及经同化采用普通克里金插值结果进行交叉验证。结果表明:三者在较大空间尺度上对地下水埋深空间分布趋势的模拟基本一致,南部沙漠地区整体较高,在空间分布上表现为明显的地理规律性。同化后的数据进行协同克里金插值的结果改善最显著,平均误差、均方根误差、平均标准误差均优于未同化插值结果,其中平均误差仅为0.270 5 m。与普通克里金插值方法相比,协同克里金插值考虑蒸散发与NDVI的协同作用,精度明显提高,平均误差减小0.409 7 m,均方根误差减小0.078 4 m,平均标准误差减小1.016 7 m。     

基于贝叶斯克里金的山东省小麦产量时空相依模型

为解决农作物产量预测中的相依性问题,在贝叶斯层次模型的基础上,使用GB2分布替代正态、逻辑斯特等分布形式,并对其尺度、形状、峰度、偏度参数同时引入时间效应t以及采用克里金方法体现的空间效应,与此同时在模型中增加多种协变量以探究影响产量的因素。基于山东省小麦产量数据的实证结果表明:相较于对时间趋势和产量分布分别拟合的两步法,嵌入式模型更好的模拟农产量的时空相依特征、减少预测误差的叠加;GB2分布的引入为拟合农产量提供更大的灵活性;克里金方法的引入改进了模型的预测效果。基于克里金方法的嵌入式时空模型可有效提高小麦产量预测的准确性、降低区域产量保险费率。     

基于环境因子和R-STPS的林地土壤有机质预测模型

研究了基于环境因子和混合插值的林地土壤有机质预测模型。首先应用数字地形与遥感影像分析技术获取地形因子与遥感指数,然后分析土壤有机质与环境因子的相关性,最后用环境因子对土壤有机质进行空间预测。针对回归克里格法(RK)需要计算半变异函数的缺陷,提出了一种空间插值方法,即回归-光滑薄板样条插值法(R-STPS)。将这2种插值方法用于顺昌县土壤有机质的空间预测。结果表明,RK与R-STPS的预测精度、计算效率、预测的研究区土壤有机质空间分布的总体趋势相近。R-STPS无需计算半变异函数,使用方便,因此更有优势。     

田间土壤水分特征曲线的标定和Kriging估值研究

对田间同深度土壤水分特征曲线进行了标定，探讨了其标定系数的半方差特征,并对其标定系数进行了Kriging估值。研究表明，田间同深度不同点的土壤水分特征曲线存在显著的空间变异性, 通过确定不同点的标定系数可以将田间不同点的土壤水分特征曲线用一个统一的曲线来表达,同时田间同深度不同点的标定系数存在显著空间相关性,利用 Kriging估值方法可对其标定系数进行最优估值,用较少点的实测土壤水分特征曲线确定整个田块的土壤水分特征曲线的空间分布。     

土壤有机碳空间变异性对采样密度的响应研究

以北京地区土壤有机碳(SOC)为目标变量,对比4种不同采样密度下SOC质量比空间变异的结构变化以及在不同采样密度下不同空间预测方法对SOC质量比空间预测不确定性方面的表现。结果表明,SOC质量比关于地形因子的趋势属于宏观趋势,以低采样密度的趋势拟合效果最优;随着采样密度的增加,SOC质量比及其去趋势后残差的系统内部随机变异逐渐增强,结构变异逐渐减弱,变异函数的分布也越平稳,空间预测的不确定性也逐渐减小。另外,变异函数的变程可能也影响空间预测的不确定性;增加采样密度和引入地形因子辅助的回归克里格法均可以提高北京地区SOC质量比的预测精度;在预测精度不降低的情况下,引入地形因子辅助可以在一定程度上减少采样的数量。     

Study on the estimation of precipitation resources for rainwater harvesting agriculture in semi-arid land of China

Rainwater harvesting agriculture (RHA) can be a valuable practice in increasing crop productivity in the semi-arid region of Loess Plateau in China. Due to lack of the detailed data of precipitation resources in the region, there have been some difficulties in the development of rainwater harvesting agriculture. In this research, based on the precipitation data in the last 40 years and topographical maps at 25 observation stations in and around Dingxi County, Gansu Province, China, the raster digital elevation models (DEM) and the average annual precipitation (AAP) databases in the study areas were established using ARC/INFO geographical information system (GIS) technology. By means of interpolation approaches, statistical model and comprehensive approach including nine methods (inverse distance weighted (IDW), trend (TRE), spline (SPL), ordinary Kriging (OKR), universal Kriging 1 (UK1), universal Kriging 2 (UK2), Thissen polygon (THP), multivariate regression (MVR) and comprehensive approach (COM)), the spatial and temporal changes of AAP were calculated and comparatively analyzed. Results indicate that simulating precision of the comprehensive method is the best in the nine approaches, and its maximum relative error is 6.40% and the range of error is 11.66%. The next is ordinary Kriging method with exponential model to simulate semivariogram, and its maximum relative error reaches 6.76%. As far as the seven kinds of interpolation approaches are concerned, the precision of ordinary Kriging method is the best, and the error of statistical model is relatively high, of which the maximum relative error reaches 9.04%. The AAP in Dingxi County calculated by comprehensive approach is 420 mm, and the water deficit of spring wheat is about 226 mm, so rainwater harvesting agriculture is feasible in the study area if reasonable harvesting technologies are taken. The AAP information system, established by raster precipitation spatial databases using optimized methods, can quickly and timely calculate the total quantities and the spatial changes of precipitation resources on any scales in the study areas, which has an important role in runoff simulating, engineering planning, strategy developing, and decision making as well as water management in rainwater harvesting agriculture.     

基于辅助信息的森林蓄积量空间模拟

以北京市密云县一类清查的样地蓄积量为研究对象,结合与蓄积量相关的辅助因子,采用普通克里格法、协同克里格法对森林蓄积量进行空间插值估测,并与文献[25]同一研究区的基于偏最小二乘法回归法估测结果进行比较分析。结果表明,普通克里格法、基于辅助信息的协同克里格法、偏最小二乘回归法的蓄积量估测值与实测值间的相关系数分别为0.389、0.845、0.766;基于辅助信息的协同克里格法要优于普通克里格法和偏最小二乘回归法,能够明显提高预测精度;与普通克里格法相比,所产生的均方根误差减小了71%,预测值和实测值的相关系数提高了54%。最后生成了密云县森林蓄积量空间分布图。研究表明应用地统计学方法进行蓄积量估测具有很好的应用前景,可以为森林蓄积量的估测提供一种可行的方法。     

基于土壤类型和微量元素辅助信息的土壤属性空间模拟

为探讨大尺度区域土壤属性空间化的方法,以吉林省为例,研究土壤养分（pH值、有机质、速效磷、速效钾和碱解氮）和地形地貌、微量元素等变量之间的关系;并在考虑土壤类型基础上,将相关性较高的变量作为协因子进行土壤养分的Cokriging插值研究。结果表明,pH值与经度、有效铁、锰和速效氮的相关系数分别高达-0.66、-0.71、-0.70和-0.67;有机质与经度、pH值、有效钙、锰的相关系数分别为0.55、-0.58、0.56和0.52;碱解氮与经度、纬度、pH值、有效铁、锌的相关系数分别为0.57、-0.57、-0.67、0.56、0.54;速效磷与速效钾、有效锌的相关系数分别为0.67和0.64。分析发现以相关性较高的微量元素作为协因子进行Cokriging插值精度均优于采用地形变量作为协因子的Cokriging插值。交叉检验和检验站验证结果表明,与普通Kriging相比,基于土壤类型和微量元素的Cokriging插值在增加估值精度方面有所提高。