GM(1,1)分解模型与ARIMA模型在岩溶地下水模拟中的对比研究——以柳林泉流量模拟为例

本文运用GM(1,1)分解模型和ARIMA模型分别模拟柳林泉流量。根据影响特征将泉水流量变化分为两个时段研究:1957—1973年泉水流量处于自然状态;1974—2009年泉水流量受气候变化和人类活动双重影响。运用第1时段的数据建模获得自然状态下泉水流量的模型,将模型外推,获得第2阶段自然状态下泉水流量,然后根据水量平衡原理,减去同期实测流量,获得人类活动对泉水流量衰减的贡献。GM(1,1)分解模型的结果显示,从20世纪70年代到21世纪初柳林泉衰减量为2.26m3/s;ARIMA模型的结果为2.32m3/s;与同期实际衰减量2.27m3/s比,相对误差分别为0.44%和2.20%,表明两种模型都适用于泉水流量的模拟。对比人类活动和气候变化对柳林泉流量衰减的贡献,两个模型得到同样结果,即人类活动的贡献是气候变化的8～9倍。实证研究显示,GM(1,1)模型适用于指数序列的模拟,对具有周期波动的泉水流量,可通过周期修正提高精度;而ARIMA模型能够较好地反映泉水流量相对于降水量的时间滞后效应,能比较准确地模拟泉水流量与降水量的量化关系。      

人类活动对柳林泉域水文过程影响研究

20世纪50年代以后,柳林泉流量日益减少,人类活动成为其衰减的主要原因。通过分阶段应用灰色系统模型,定量地描述人类活动对柳林泉水文过程的影响。第一阶段(1957~1973年),柳林泉水流量只受自然条件的影响,第二阶段(1974~2009年)柳林泉水流量受自然条件和人类活动的双重影响。运用灰色关联分析和GM时滞模型,通过比较分析得到人类活动对柳林泉水文过程的影响。结果显示:人类活动导致泉水流量相对于降水量的时间滞后由0年增长到4年,即地下水压力波在传播过程中受到人类活动的干扰,强度被削弱,传播速度变缓。降水量对泉水流量的灰作用系数由第一阶段的1.127 2×10-2下降到了第二阶段的7.75×10-3,说明由于人类活动使降水量对泉水流量的补给强度减弱。     

典型北方山前岩溶泉历史流量序列重建研究

泉水流量序列的缺失严重影响对水文地质条件变化的认识,故对缺失的泉水流量序列重建具有重要意义。以北方某典型山前岩溶大泉泉群实测流量、流入下游湖水流量和补给区降水量为研究对象,基于泉水动态的周期性和趋势性,采用多元线性回归模型、考虑泉流滞后降水的多元线性回归模型、SARIMA模型和SARIMA与多元线性回归相结合模型,开展了1961—1974年缺失的该典型大泉泉群流量序列的重建研究。结果表明采用SARIMA和多元线性回归相结合模型重建的流量结果较合理。     

神头泉流量衰减的时间序列分析

神头泉流量自七十年代初以来不断衰减。本文采用混合回归的随机模型,分别就降水量与松散层地下水开采量对泉流量的影响进行了时间序列分析。结果表明:泉流量变化具有周期性和滞后性;降水量对泉流量衰减影响很小;开采松散层地下水是引起泉流量衰减的主要原因之一。此外,深层岩溶水开采量(包括采煤排水)及泉口取水量的增大也是引起1985年之后泉流量衰减的主要原因。      

柳林泉域降水补给的时滞研究

柳林泉位于山西省柳林县东川河河谷,是中国北方最大的岩溶泉之一.1984～2005 年间的平均流量为 3.29 m3/s.流域内的大气降水是泉水的主要补给来源.根据柳林泉域水文地质条件的灰色系统特征,通过对泉域降水补给的时滞问题研究,提出了带有时滞的灰色关联分析模型.在此基础上,运用该模型对泉域不同地区的降水量与泉水流量进行了时滞分析.结果表明,柳林泉域不同区域的降水对柳林泉域的补给时滞存在差异.离石、中阳和方山的降水时滞分别为 3 a、4 a 和 6 a.该方法可应用于山西省其它岩溶大泉的岩溶水动态分析.     

郭庄泉流量衰减机理研究

为研究郭庄泉流量衰减机理,以郭庄泉流量的衰减量为母因素,煤矿排水量、岩溶水开采量、降水量及汾河流量为子因素。采用灰色关联度分析法,分析泉流量的衰减量与相关因素之间的关系。分析结果可知:郭庄泉流量衰减最为密切的因素为岩溶水的开采量,其次为矿坑排水量,再次为降水量及汾河流量,说明郭庄泉流量的减小与岩溶水的开采及煤矿的开采有密切的关系;在后期保护工作中应加强地下岩溶水的开发利用管理,避免乱采现象,加大采煤保水的研究,有效合理开发利用区域地下水资源。研究结果对修复郭庄泉流量,保护郭庄泉域生态环境具有重要意义。     

我国北方岩溶泉域生态修复策略研究

我国北方岩溶分布面积广,岩溶泉水资源丰富,是岩溶区工农业及居民生活的优质供水水源。但在全球气候变化和采煤等强烈人类活动的叠加作用下,我国北方岩溶泉水流量衰减,水质恶化,岩溶泉域生态环境功能下降。通过合理、适度的人工干预,强化岩溶大泉的自然恢复机能,并最终实现泉域生态环境修复,是当前我国生态文明建设的先行区和重点领域。论文在分析研究晋祠泉断流原因的基础上,针对性地提出并科学地评估了汾河二库强化渗漏补给、泉域岩溶水关井压采、煤矿区保水限采、近源生态补水和远源河道渗漏补给等一系列措施及预期效果,以期推进晋祠泉域岩溶地下水生态环境得到根本性改善。该研究工作有望对我国北方岩溶大泉的生态修复形成示范效应,为遏制我国岩溶区生态恶化现象提供科学依据。      

基于地下水压力波传播过程的泉水流量灰色系统模型

根据岩溶地下水的运动特征,提出了岩溶地下水压力波形成与传播的概念模型,运用灰色系统理论建立了岩溶地下水的水文模型,包括泉水流量对降水量水力响应时间的求解方法及泉水流量对降水量的响应模型,并以山西柳林泉为研究对象,建立了泉水流量对泉域内不同区域降水量的水力响应时间求解模型。结果表明,泉域南部岩溶裸露区的水力响应时间为1年;泉域北部岩溶覆盖区的水力响应时间为7年,所得结论与泉域地质构造一致。基于南、北二区的水力响应时间,建立了带有时滞的描述泉水流量与降水量关系的GM(1,3)模型,模型回代检验的平均误差为6.05%;模型预测检验的平均误差为12.19%。研究证明,岩溶地下水的运动过程是压力波的形成与传播过程,泉水流量是地下水系统对大气降水的响应;水力响应时间是反映岩溶地下水压力波特性的主要参数,通过它可以实现对岩溶地下水过程的定量化描述和含水层的非均质性识别,基于岩溶地下水压力波传播原理建立的泉水流量对泉域内降水的响应模型可以比较准确地模拟泉水流量,为岩溶地下水资源的开发利用和保护提供了基础资料。     

降水入渗补给滞时的确定及其在泉流量模拟与预测中的应用

由于岩溶含水系统的调蓄作用,降水入渗补给泉水具有明显的滞后,滞后时间视具体水文地质条件而定.本文以济南泉域为例,利用逐步回归方法确定降水对泉水入渗补给的滞时为一年,说明不仅当年的降水量对泉流量有贡献,前一年的降水量对表流量也有明显的贡献,并得到了相应的泉流量模拟与预测模型,得到了较好的模拟与预测精度,证明考虑降水入渗补给滞时的泉流量模拟与预测模型比不考虑的模型精度要高.     

郭庄泉流量衰减趋势分析及保护对策

根据对郭庄泉流量衰减原因、水质污染及泉水资源开发利用管理中存在的问题进行分析,提出注重生态环境建设,防止水质进一步恶化,加强基础工作研究,加强采煤排水管理,防止泉域内岩溶水开采条件恶化,加强节约用水,提高泉水资源利用效率四项泉水保护的建议。     

山西岩溶大泉污染特征及管理保护

山西为华北岩溶较发育的省份之一。大于０．５ｍ＾３／ｓ的岩溶大泉１９处，是山西能泊基地的宝贵不源。本文着重论述这１９个岩溶在泵污染类型及污染途径，对主要污染及污染原因进行分析，并结合近年来的水平管理经验，提出了对岩溶大泉的管理保护管理。     

北方断流岩溶大泉复流的生态修复模式与复流措施效果的定量评价——以山西太原晋祠泉为例

岩溶大泉是中国北方岩溶地下水的主要天然排泄形式,它们集供水、旅游、生态等功能于一体,是重要的自然资源。自20世纪后期,受自然、特别是人类大规模开发、采煤等活动的影响,有近30%的岩溶大泉断流,其中不乏中外闻名的大泉。十七大以来,各地政府积极响应党中央国务院加强生态文明建设的号召,启动了一些重要断流岩溶大泉复流的生态修复工程。本文根据北方断流岩溶大泉的结构模式与成因,提出了包括利用上游水库蓄水、调节渗漏段河水流量、在河流渗漏段实施人工增补工程、在岩溶地下水强径流带和排泄区采取关井压采、封堵泉口下游自流井、对煤矿带压区进行监控、补给区分区植树造林措施的复流模式;以山西太原晋祠泉为实例,在对各项复流措施效果进行定量优化评价的基础上,得出抬高汾河二库水位至设计标高、关闭岩溶地下水强径流带内白家庄煤矿降压排水井、封堵处置泉口下游自流井是近期经济可行的有效措施的结论;最后利用建立的泉域地下水渗流数值模型,预测实施三项近期措施后,晋祠泉水可望在2年左右的时间实现复流,该结论以期为晋祠泉及北方岩溶区其他同类型岩溶泉水生态复流工作提供示范与参考。     

四川筠连县岩溶泉群地质遗迹保护研究

筠连县岩溶泉群地质遗迹在温带——亚热带岩溶地区具有代表性,是四川省国土资源厅明文规定要保护的项目之一。通过分析筠连县岩溶泉群的保护现状及存在的问题,为制定保护规划,提出具体的保护措施提供了科学依据。     

对中国北方岩溶水研究方向的思考与实践

中国北方碳酸盐岩含水层连续沉积厚度大、分布范围广,蕴藏着丰富的地下水资源,是重要的国家级含水层。北方岩溶水集水资源、旅游资源、生态功能等于一体,在国民经济建设中具有举足轻重的地位,特别在城市供水和能源基地建设中发挥了不可替代的支撑性作用。近50年来,受大规模水资源开发利用和人类其它高强度活动影响,北方岩溶水环境问题凸显并带来了一系列负面效应,严重制约了水资源的可持续利用。在国家大力倡导生态文明建的大背景下,如何协调好北方岩溶区资源开发与环境保护,是水文地质工作行业需要着重思考的问题。本文从国家需求出发,提出北方断流岩溶大泉泉水复流的生态修复、闭坑煤矿酸性“老窑水”对岩溶水的污染防治、深层岩溶水的水和热资源开发利用等应作为未来一段时期北方岩溶水的重点研究方向,同时,对近年来在这几个方面开展的调查研究工作取得的成果了进行简要介绍。      

辛安泉系统岩溶地下水降水补给滞后分析研究

辛安泉域是山西第二大岩溶泉,是长治市生活主要供水水源,根据其地质和含水岩性特征,从其补径排规律上,分析了泉域接受降水补给的年内和年际特点.并建立其裸露区降水补给模型.得出降雨补给泉水滞后6a以上,最长可达10a,降水丰枯与泉水的不一致变化趋势.近年降水减少是泉水流量下降的主要原因,应合理开采,以保泉水常流不竭.     

娘子关泉群岩溶水系统西部子系统径流特征研究

根据娘子关泉群系统西部控水构造、含水层段、水动力场等水文地质条件，重新划定了娘子关岩溶水系统西部边界(兴道-大方山-郭家沟-线构造带)，则东山区成为娘子关的一个补给径流区。在此基础上，对西部子系统岩溶水径流特征提出了新的见解。     

山西娘子关泉群及其水的来源

娘子关泉域群泉是中国北方最大的岩溶泉,泉域汇水面积达7 436 km2,前人认为:泉域内岩溶水由北、西、南3面向娘子关一带径流汇集,由于娘子关一带下奥陶系燧石团块或条带白云岩相对隔水层隆起,并被桃河侵蚀出露,使岩溶地下水溢出地表成泉群,其主要含水层为中奥陶系含石膏碳酸盐岩。但各泉的水化学、同位素特征有差异,娘子关泉群并不是出自统一源。文章通过水化学、同位素、水文地质剖面等方法研究得出: 娘子关泉域存在两个含水层、三个子系统:中奥陶系灰岩含水层和中上寒武系白云岩含水层;西部奥陶系岩溶水系统、东部奥陶系岩溶水系统和东部中上寒武系岩溶水系统。泉域内城西泉与程家泉出露于中奥陶系下马家沟组泥灰岩之上,含水层为中奥陶系灰岩裂隙、溶隙水,由于区域下马家沟组泥灰岩隆起隔水出露地表成泉,属于东部奥陶系岩溶水系统;坡底泉、五龙泉、河北泉、水帘洞泉、苇泽关泉其补给主要来源于中上寒武系含水岩组,为承压上升泉,属于东部中上寒武系岩溶水系统。      

Review: Characterization,evolution, and environmental issues of karst water systems in Northern China

In Northern China, karst systems in widely distributed carbonate rocks are one of the most important water supplies for local inhabitants. Constrained by the specific geological and geomorphological conditions, most karst water in this region is discharged as individual or groups of springs. This paper summarizes the characteristics, chemistry, and environmental quality of these karst systems in Northern China. Five structural models of karst water systems were identified based on the relationships between the karst geological strata and karst groundwater flow fields. These specific structural models may closely relate to the attendant environmental geological issues and consistent risks from pollution. Over the past 40 years, the karst water systems in Northern China have suffered from various environmental problems, including deteriorating water quality, the drying up of springs, a continuous decline in the level of karst water, and so on. Based on the field investigation and previous data, a preliminary summary is provided of the environmental problems related to the development and evolutionary trends of karst water in this region. The results highlight the significant challenges associated with karst water, and it is essential that all segments of society be made aware of the situation in order to demand change. In addition, the study provides a scientific basis for the management, protection, and sustainable utilization of karst water resources.