基于GIS和Matlab技术的民勤绿洲地下水时空变化及预测研究
发表时间：2015-12-30T15:15:36.580Z 来源：《基层建设》2015年19期供稿作者：范冬丽
[导读] 四川省安全科学技术研究院四川成都民勤绿洲作为干旱、半干旱地区的一种独特的生态单元，是维系干旱地区人类生存、活动与发展的基本场所。
范冬丽
四川省安全科学技术研究院四川成都 610045
摘要：本文运用ArcGIS软件对2005年到2014年民勤绿洲地下水的水文数据进行插值处理，分析水位埋深及矿化度数值的时空分布及变化，得出分布规律。
使用Matlab语言编程，通过对灰色预测和时间序列两种预测模型进行比较，选出拟合效果较好的模型—灰色预测模型，对未来三年地下水位及矿化度的变化进行了预测分析并提出了建议。
关键词：地下水埋深；地下水矿化度；灰色预测模型；Matlab
前言
民勤绿洲作为干旱、半干旱地区的一种独特的生态单元，是维系干旱地区人类生存、活动与发展的基本场所。
如何合理、协调、持续地利用和开发绿洲是当今干旱、半干旱地区面临的一项具有重大理论与现实意义的研究课题。
民勤绿洲作为我国西北部重要的绿洲，其生态环境的恶化严重影响着当地的经济发展以及人们的生活，因此研究民勤绿洲的地下水资源具有重大的意义[1]。
1 民勤绿洲时空分布与变化研究
通过将原始的地下水埋深的点状数据进行预处理，运用ArcGIS中的空间插值功能转换成面状数据，选择克里金方法得到插值结果。
从插值图可以看出，民勤绿洲地下水位呈现出明显的空间趋势，水位埋深由南向北，由西向东逐渐减小，总体来看，荒漠区地下水位下降幅度远小于绿洲区，而越往绿洲中心，下降幅度越大。
从时间上看，地下水位明显呈逐年下降趋势。
对插值结果进行相减运算，得到水位埋深随时间变化差值图，由差值图可以看出，绿洲地下水位下降的过程也存在着空间分异，绿洲中心地带地下水位降落的速率经历了前期变化快，后期变化慢的发展过程，而边缘地带地下水位降落的速率恰与之相反，经历了前期变化慢，后期快的发展过程。
总体来讲，下降速率约为0.6m，变化最大的地区相邻两年水位下降约10m。
2 预测模型的基本原理
由于地下水位动态模拟的模型多种多样，而对于不同特点的数据其模拟的效果也不同[2]，因此，本文分别采用了灰色预测及时间序列两种方法对部分已知样本数据进行了简单模拟，其基本原理如下。
2.1 灰色预测基本原理
3 实验处理结果
根据2005-2014年的水位及矿化度数据分别采用灰色预测GM（1，1）模型和时间序列方法，通过MATLAB编程预测出2015-2017年的水位及矿化度值。
根据对模拟结果的比较可知，两种方法的模拟结果差别不是很大，但是对于预测值来说，灰色预测模型所得到的结果精度更高，因此
本研究选择更为恰当的方法—灰色预测GM（1，1）模型进行预测。
预测结果如图1、图2所示。
由灰色预测模型预测图可以看出，在未来三年民勤绿洲地下水埋深及矿化度的时空分部及变化趋势与前十年相比并没有太大变化，水位埋深值仍然不断下降，矿化度仍逐年增加。
因此，如果不采取有效措施对地下水资源进行合理开发利用，民勤绿洲的地下水质及生态环境将会不断恶化，从而制约着民勤地区居民的日常生活及整个地区的经济发展。
综合以上分析，要合理开发利用地下水资源，尽可能地退耕还林，运用南水北调等方法减少民勤绿洲地下水的开采，从而有效的保持地下水质。
（a）2015年地下水位埋深图（b）2016年地下水位埋深图（c）2017年地下水位埋深图
图1 灰色预测GM（1，1）模型预测2015-2017年地下水位埋深图
（a）2015年地下水矿化度图（b）2016年地下水矿化度图（c）2017年地下水矿化度图
图2 灰色预测GM（1，1）模型预测2015-2017年地下水位矿化度图
4 总结
民勤绿洲的地下水位在空间上的变化主要表现在中心区域水位低于边缘区域，形成了地下漏斗，并且中心区域地下水位下降速率大于边缘区域；在时间上主要表现为水位逐年下降，在未来三年里，空间分布及变化不会有太大变化下降范围仍由中心向边缘扩展；在时间上的变化主要表现在水位逐年降低，并且在未来三年里仍将继续降低。
民勤绿洲地下水矿化度在空间分布上从南到北逐渐增大；在变化趋势上，除绿洲东南部略有下降外，整个绿洲地下水矿化度都增大；从时间上看，矿化度的平均值逐年上升，在未来三年里其分布情况及变化趋势并没有太大改变。
民勤绿洲作为石羊河水系的终端，土壤盐分累积明显，大规模的灌溉，强烈的开采地下水和利用高矿化度地下水对于绿洲内土壤的积盐和地下水质将产生影响，最明显是地下水矿化度的升高，从整个绿洲来看，随着地下水位的下降，民勤绿洲地下水的水质也呈明显的恶化趋势。
与此同时，矿化度的提高严重影响了耕地的质量，从而需要更多地抽取地下水，导致水位下降，形成了恶性循环。
参考文献：
[1]矫树春，颉耀文.近40年来民勤绿洲空间变化研究.干旱区资源与环境，2008，18（8）：92-96.
[2]颉耀文，陈发虎.基于数字遥感图像的民勤绿洲20 年变化研究.干旱区研究，2012，19（1）：69-73.
[3]张启敏.灰色预测模型.宁夏大学学报，2010，23（2）：147-149.
[4]李红艳，安瑞强，魏永霞.运用G M（1，1）模型预测建三江垦区地下水动态.农机化研究，2013，3：42-43.
[5]杨忠平，卢文喜，李平.时间序列模型在吉林西部地下水动态变化预测中的应用.水利学报，2012，36（12）：1475-1478.。