通遼市地下水位動態分析及預測

張賀

摘要：準確評價及預測研究區域的地下水動態變化趨勢，對于提高當地地下水用水效率和完善地下水水資源規劃具有重要意義。采用GM（1，1）模型，擬合通遼市5旗1縣1區近30 a地下水埋深變化，預測未來10 a地下水埋深，并提出加強地下水資源保護建議。

關鍵詞：地下水埋深；動態變化；GM（1，1）模型

中圖分類號：S273.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2016）02-0040-04

通遼市中部平原地區主要靠開采地下水來維持水資源供給，由于地下水持續超采，已造成地下水位急速下降，漏洞叢生，對生態環境有著一定的影響。在算水資源賬時一定要考慮生態用水，不能以犧牲生態為代價發展經濟[1]。對地下水資源潛力進行準確評估，確保地下水資源的可持續供給，是通遼地區社會經濟可持續發展的保證。通過預測地下水埋深的動態變化趨勢，能夠定性分析其對生態環境的影響。

本文采用GM（1，1）模型，以通遼地區7個旗縣區為例，對其地下水埋深序列進行模擬預測。

GM（1，1）模型具有建模過程簡單、模型表達式簡潔、便于求解及應用廣泛的突出特點。在發展系數a的絕對值較?。ㄈ?a≤0.3）時，模擬值精度較高；但當發展系數a的絕對值較大（如-a>0.5）時，模型偏差較大，無法用于中長期預測，甚至不宜作短期預測[2-3]。

1 通遼市概況

通遼市地處內蒙古自治區東部，松遼平原西端，科爾沁沙區腹地，總面積約6萬km2，生態環境脆弱、植被稀疏，多年平均降雨量在200～400 mm之間[4]。由于通遼地區實際用水量大大超過本地區水資源的負擔能力，加上過去盲目開發、無節制地用水等人為因素，導致地下水位逐年下降，生態環境惡化，局部出現漏斗區。本研究以通遼市行政區的完整邊界范圍作為研究區，包括扎魯特旗、奈曼旗、庫倫旗、科爾沁左翼中旗、科爾沁左翼后旗、開魯縣、科爾沁區共5旗1縣1區。

2 淺層地下水水位動態變化特征分析

影響研究區地下水水位動態的因素主要有氣象、水文、地形地貌和人為因素，動態變化是各種因素的綜合反映，只是在不同的時段和不同的地理、地貌位置，不同的因素占主導作用[5]。

根據通遼市水文局提供的1985—2007年各旗縣區年平均地下水埋深，加權平均得出通遼市中部平原區地下水埋深年際動態變化情況為：地下水平均埋深由1985年末的2.40 m下降到2007年末的4.00 m，下降的平均速度為0.07 m/a。分析埋深數據可知：1997年之前，地下水位下降較為緩慢，地下水埋深基本維持在1.00～4.00 m之間，平均埋深約2.50 m，科爾沁區地下水埋深較深，在3.00 m以下；1997年之后，地下水位開始明顯下降，至2007年，平均埋深下降至約3.00 m左右。2008年通遼市7個縣旗級行政區所屬平原區43 734 km2范圍內，年末淺層地下水動態水量比年初減少1.90億m3。在各行政區中，開魯縣、科爾沁區、奈曼旗地下水動態水量分別減少2.11億、0.98億及0.34億m3，扎魯特旗、科左后旗、科左中旗、庫倫旗地下水動態水量分別增加了0.81億、0.30億、0.29億及0.13億m3。

3 GM（1，1）模型預測地下水埋深

3.1 GM（1，1）模型建模

4） 還原值為：

5） 灰色預測檢驗。

①殘差檢驗。殘差檢驗就是計算相對誤差，以殘差的大小來判斷模型的好壞。

②后驗差檢驗。

后驗差比：

3.2 通遼地區地下水資源埋深預測

根據通遼地區7個旗縣區1980—2008年這29 a地下水埋深的觀測資料進行建模，通過灰色預測檢驗模型建立好壞，并預測未來10 a的地下水埋深。

根據公式（1）—（6），以科爾沁區為例，比較實測值、模擬值、殘差和相對誤差（見表2）。

應用上述數據資料及模型對科爾沁區1987—2015年地下水埋深進行預測，結果見圖1。

通過模型計算可知：科左后旗a=-0.326，b=2.679，相對誤差為13.120，時間響應函數為x（k+1）=85.341 705 exp（0.326 220×k）-82.141 705。

對科爾沁區進行灰色預測檢驗，檢驗結果為：殘差檢驗p=0.95，后驗差檢驗C=0.15，檢驗結果模型均為1級（好）。因此，采用GM（1，1）對通遼地區進行地下水埋深預測可行。

同理，根據上述公式（1）—（6），可以計算出通遼地區7個旗縣區的模型。

根據公式（5）—（9）進行檢驗，檢驗結果見表4。

采用GM（1，1）模型對7個旗縣區1980—2008年的平均地下水埋深進行擬合，對未來10 a 的地下水埋深進行了預測，結果見表5。

根據計算，GM（1，1）模型的計算擬合值與實測值擬合均處于3級標準以上，可見預測情況較好。由圖1可知，科爾沁區模型擬合效果較好，能很好地擬合變化趨勢，體現出波動特征。以科爾沁區為例，在模擬的29 a中，相對誤差在20%以上的有5個，相對誤差在10%以下的有13個，擬合精度較高；其他各地區擬合精度均較高。

3.3 結論與討論

地下水對生態環境的影響程度要考慮地下水埋深趨勢及地下水埋深變幅兩方面影響，可以定性評價研究區域的水資源承載力。地下水埋深以整體趨勢下降慢或者呈波浪變化的為好，線性下降但降幅小的為一般，線性下降但下降幅度大的為差。

通遼市各旗縣區預測結果表明：研究區域的地下水埋深逐年加深，其中庫倫旗為好，科左中旗和奈曼旗為由好下降到一般，扎魯特旗和科左后旗為一般，科爾沁區為差。這與前述通遼市水資源承載力評價結果相近。

根據預測，未來10 a科爾沁區和開魯縣的地下水位埋深將下降2.00 m多，科左中旗、科左后旗、奈曼旗下降約1.00 m，庫倫旗和扎魯特旗地下水位變化不大。從預測結果可以看出，地下水位下降速度較慢，但仍是下降的趨勢，所以加強地下水源保護已勢在必行。

4 加強地下水資源保護的建議

1） 建立地下水動態監測與評價系統。各地建立的地下水動態觀測站的業務范圍應該拓寬，增加生態環境方面的觀測研究。尤其是在干旱地區，生態環境脆弱，地下水資源又是生態環境中最敏感最主要的因素，下墊面條件和地下水的補、徑、排條件不斷發生變化，地下水資源量也將隨之變化，應根據條件的變化不斷開展地下水試驗研究，并不斷加強和完善地下水監測工作。

2） 重新研究地下水資源評價的方法與原則。在計算地下水開采資源量時，應充分考慮自然環境的生態平衡，將地下水生態平衡埋深作為地下水開采資源計算的重要依據。

3） 據通遼市生態環境的退化情況，選擇指示植物，研究確定通遼地區的地下水生態平衡埋深。

參考文獻

[1] 王浩，陳敏建，秦大庸，等.西北地區水資源合理配置和承載能力研究[M].鄭州：黃河水利出版社，2003.

[2] 魏光輝.優化GM（1，1）模型在地下水埋深預測中的應用[J].地下水，2011，33（6）：18-19.

[3] 李亮，陳剛，馬蜂.基于灰色理論的地下水埋深預測分析[J].地下水，2010，32（3）：22，45.

[4] 宋慶玉.通遼是科爾沁區農業節水潛力研究[D].北京：中國農業科學院，2007.

[5] 張鑫馨.鄂爾多斯能源基地地下水開發的植被生態效應研究[D].北京：中國地質大學，2010.