CN110503330A - 一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法及系统。该方法包括：获取内陆干旱区绿洲的需水总量，所述需水总量包括生态需水量和农业需水量；获取水资源补给河的年均径流量；根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量；根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度；获取地下水平均埋深；根据所述水位下降高度和所述地下水平均埋深，确定当前地下水埋深。通过本发明的上述方法能够准确地得到当前地下水埋深，从而实现对内陆干旱区绿洲水资源的有效观测。
Description
技术领域
本发明涉及绿洲水资源监测领域，特别是涉及一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法及系统。
背景技术
绿洲是干旱区重要的生态系统，有着独特的人地关系和自然景观。新疆和甘肃境内的绿洲是学者研究的主要区域，研究焦点放在绿洲的水土资源合理配置、生态需水量、绿洲农业发展、生态环境建设、城镇发展特点和生态经济系统等方面。由于水资源是绿洲发展最重要的限制因子，直接决定绿洲的存在与发展，因此在研究绿洲问题时始终避不开对绿洲水资源的讨论。近些年来，绿洲地区经济有较快的发展与转型，这都是以大规模土地开发利用和超负荷的地下水开采为代价支撑的发展模式。
随着地下水的开采规模变大，地下水水位的下降速度也在加快，使得地区发展面临巨大困难与挑战。因此针对当前严峻的用水态势开展相应的绿洲用水需求与地下水埋深变化的研究有着迫切的现实需要，对绿洲的生态安全与可持续发展有着重要的意义。绿洲地下水资源受到人类活动与自然条件的共同影响，灌溉用水及地表来水是影响地下埋深动态变化的主要因子。近年来有许多围绕地下水埋深动态变化及其影响因素的研究工作，诸多成熟的数理统计方法已被广泛地运用于研究中，诸如回归分析、因子分析、主成分分析、层次分析、趋势分析及神经网络模型。然而上述方法在使用中存在诸多弱点：要求数据必须是典型分布且样本规模要大；计算繁杂；易出现正负相关颠倒。需要说明的是，地下水埋深是地下水资源量变化最直接的表现，因此，以上研究均期望找到影响地下水埋深动态变化的影响因素及其之间的线性关系。预测地下水埋深动态变化时，只需预测各影响因素未来变化趋势即可。描述一个区域地下水水位埋深现状时人们希望以一个平均埋深来反映该地区的地下水水位状态，目前计算区域平均值的方法通常采用泰森多边形法，但是这种方法对地下水动态变化的研究仅适用于区域较大、影响因素偏多的区域，对于物质循环较为封闭的小型绿洲区域便不再适用。原因是区域内影响埋深的因素之间相关性较强，使得构建的模型误差变大，得到的地下水埋深数据不准确。
发明内容
本发明的目的是提供一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法及系统，能够准确地得到当前地下水埋深，从而实现对内陆干旱区绿洲水资源的有效观测。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法，包括：
获取内陆干旱区绿洲的需水总量，所述需水总量包括生态需水量和农业需水量；
获取水资源补给河的年均径流量；
根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量；
根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度；
获取地下水平均埋深；
根据所述水位下降高度和所述地下水平均埋深，确定当前地下水埋深。
可选的，所述根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量，具体包括：
将所述年均径流量和所述需水总量做差，得到待抽取的地下水量。
可选的，所述根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度，具体包括：
根据所述待抽取的地下水量采用公式W＝μ·S·H，确定水位下降高度，其中，W为待抽取的地下水量，μ为给水度，S为供水区域面积，H为水位下降高度。
可选的，所述获取地下水平均埋深，具体包括：
获取多口地下水观测井位点的数据，所述井位点的数据包括各井位点的地下水埋深和各井位点周围的多边形面积；
获取绿洲面积；
根据各所述地下水观测井位点的数据和所述绿洲面积采用公式得到地下水平均埋深；
其中，z为地下水平均埋深，zi为第i口地下水观测井位点的地下水埋深，ai为第i口地下水观测井位点周围的多边形面积，A为绿洲面积。
一种内陆干旱区绿洲水资源监测系统，包括：
第一获取模块，用于获取内陆干旱区绿洲的需水总量，所述需水总量包括生态需水量和农业需水量；
第二获取模块，用于获取水资源补给河的年均径流量；
待抽取的地下水量确定模块，用于根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量；
水位下降高度确定模块，用于根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度；
第三获取模块，用于获取地下水平均埋深；
当前地下水埋深确定模块，用于根据所述水位下降高度和所述地下水平均埋深，确定当前地下水埋深。
可选的，所述待抽取的地下水量确定模块，具体包括：
待抽取的地下水量确定单元，用于将所述年均径流量和所述需水总量做差，得到待抽取的地下水量。
可选的，所述水位下降高度确定模块，具体包括：
水位下降高度确定单元，用于根据所述待抽取的地下水量采用公式W＝μ·S·H，确定水位下降高度，其中，W为待抽取的地下水量，μ为给水度，S为供水区域面积，H为水位下降高度。
可选的，所述第三获取模块，具体包括：
第一获取单元，用于获取多口地下水观测井位点的数据，所述井位点的数据包括各井位点的地下水埋深和各井位点周围的多边形面积；
第二获取单元，用于获取绿洲面积；
地下水平均埋深确定单元，用于根据各所述地下水观测井位点的数据和所述绿洲面积采用公式得到地下水平均埋深；
其中，z为地下水平均埋深，zi为第i口地下水观测井位点的地下水埋深，ai为第i口地下水观测井位点周围的多边形面积，A为绿洲面积。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法，该方法包括：获取内陆干旱区绿洲的需水总量，所述需水总量包括生态需水量和农业需水量；获取水资源补给河的年均径流量；根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量；根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度；获取地下水平均埋深；根据所述水位下降高度和所述地下水平均埋深，确定当前地下水埋深。通过本发明的上述方法只需考虑区域内水资源使用的盈亏关系，便能准确得到当前地下水埋深，从而实现对内陆干旱区绿洲水资源的有效观测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明内陆干旱区绿洲水资源监测方法流程图；
图2为本发明内陆干旱区绿洲水资源监测系统结构图；
图3为本发明地下水埋深等值线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法及系统，能够准确地得到当前地下水埋深，从而实现对内陆干旱区绿洲水资源的有效观测。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明内陆干旱区绿洲水资源监测方法流程图。如图1所示，一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法包括：
步骤101：获取内陆干旱区绿洲的需水总量，所述需水总量包括不同需求下的生态需水量和农业需水量，所述不同需求包括高中低三种需求。
步骤102：获取水资源补给河的年均径流量。
步骤103：根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量，具体包括：
将所述年均径流量和所述需水总量做差，得到待抽取的地下水量。
步骤104：根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度，具体包括：
根据所述待抽取的地下水量采用公式W＝μ·S·H，确定水位下降高度，其中，W为待抽取的地下水量，μ为给水度，S为供水区域面积，H为水位下降高度。
步骤105：获取地下水平均埋深，具体包括：
获取多口地下水观测井位点的数据，所述井位点的数据包括各井位点的地下水埋深和各井位点周围的多边形面积；
获取绿洲面积；
根据各所述地下水观测井位点的数据和所述绿洲面积采用公式得到地下水平均埋深；
其中，z为地下水平均埋深，zi为第i口地下水观测井位点的地下水埋深，ai为第i口地下水观测井位点周围的多边形面积，A为绿洲面积。
步骤106：根据所述水位下降高度和所述地下水平均埋深，确定当前地下水埋深。
地下水平均埋深使用Thiessen多边形法进行计算，其基本思想是每个样点上的地下水埋深并不只代表该点的地下水埋深，而是更多地反映它周围区域的地下水埋深，每个点代表的区域一般不是规则的多边形。具体步骤为：将区域井位点的位置进行连线，形成三角网；三角网包括多个三角形，对每个三角形各边做垂直平分线；选取每个井位点周围的垂直平分线，构成以这个点为核心的多边形。则地下水平均埋深的数学表达式如下：
其中，z为地下水平均埋深，zi为第i口地下水观测井位点的地下水埋深，ai为第i口地下水观测井位点周围的多边形面积，A为绿洲面积。
策勒绿洲使用的地下水类型主要是潜水，于是潜水含水层的储水量数学表达式为：
W＝μ·S·H (2)
其中，W为待抽取的地下水量，μ为给水度，S为供水区域面积，H为水位下降高度。根据策勒绿洲地下岩层结构及埋深状况，潜水含水层给水度取值设定为0.07。
图2为本发明内陆干旱区绿洲水资源监测系统结构图。如图2所示，一种内陆干旱区绿洲水资源监测系统包括：
第一获取模块201，用于获取内陆干旱区绿洲的需水总量，所述需水总量包括生态需水量和农业需水量；
第二获取模块202，用于获取水资源补给河的年均径流量；
待抽取的地下水量确定模块203，用于根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量；
水位下降高度确定模块204，用于根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度；
第三获取模块205，用于获取地下水平均埋深；
当前地下水埋深确定模块206，用于根据所述水位下降高度和所述地下水平均埋深，确定当前地下水埋深。
所述待抽取的地下水量确定模块203，具体包括：
待抽取的地下水量确定单元，用于将所述年均径流量和所述需水总量做差，得到待抽取的地下水量。
所述水位下降高度确定模块204，具体包括：
水位下降高度确定单元，用于根据所述待抽取的地下水量采用公式W＝μ·S·H，确定水位下降高度，其中，W为待抽取的地下水量，μ为给水度，S为供水区域面积，H为水位下降高度。
所述第三获取模块205，具体包括：
第一获取单元，用于获取多口地下水观测井位点的数据，所述井位点的数据包括各井位点的地下水埋深和各井位点周围的多边形面积；
第二获取单元，用于获取绿洲面积；
地下水平均埋深确定单元，用于根据各所述地下水观测井位点的数据和所述绿洲面积采用公式得到地下水平均埋深；
其中，z为地下水平均埋深，zi为第i口地下水观测井位点的地下水埋深，ai为第i口地下水观测井位点周围的多边形面积，A为绿洲面积。
实施例：
选取塔里木盆地南缘中部的策勒绿洲为典型研究区，依托策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站(以下简称策勒站)长期监测资料。从绿洲用水总需求量的角度出发，考虑策勒绿洲扇形区域生态和农业需水总量与绿洲水资源补给量之间的盈亏关系，得到在绿洲用水需求影响下的地下水埋深动态变化。
地下水埋深数据来自策勒站在策勒绿洲建立的长期固定25口地下水观测井位采集的地下水埋深数据，以此数据为出发点监测绿洲用水状况。
绿洲外围防风沙侵蚀作用的过渡带荒漠草地植被在高、中、低3种需水水平下绿洲生态需水量与农业需水量之和分别为1.395×108m3、1.363×108m3、1.332×108m3。策勒绿洲常年炎热干燥并且极少降雨，水资源补给仅依靠策勒河这条年均径流量为1.28×108m3的内陆河，因此，需要透支抽取的地下水量分别为1.15×107m3、8.30×106m3、5.20×106m3。根据公式(2)，当需要抽取此量的地下水时，策勒绿洲扇形区域潜水层水位平均下降高度分别为0.60m、0.38m、0.27m。策勒绿洲生态需水量会随绿洲自然景观植被长势不同而变化，需水量为3.26×107～3.89×107m3，占到策勒河年均径流量近3成。策勒绿洲消耗大量水资源用于维持绿洲生态，但仍然余下近7成河流径流量可用于农业生产。只要能够合理开发利用这部分水资源进行农业灌溉，仍然能够实现绿洲的可持续发展。但由于策勒绿洲农业用水灌溉方式与用水管理策略水平落后，使得绿洲农业用水总需求量达1.006×108m3。绿洲总用水缺口为5.20×106～1.15×107m3，最大用水缺口占到策勒河年均径流量近一成，这部分水量需要从绿洲地下水中抽取。虽然每年透支抽取地下水的份额不多，但是绿洲中储藏有地下水的面积并不大，使得抽取的这部分份额能够影响到绿洲地下水的整体分布。
使用ArcGIS10.1中普通克里金差值功能，利用策勒绿洲25口地下水长期观测井数据模拟出地下水埋深等值线图。图3为本发明地下水埋深等值线图。由图3可观测到绿洲地下水埋深在空间尺度上变化明显。
表1为2008-2014年6月的地下水平均埋深。根据公式(1)的Thiessen多边形法计算2008-2014年6月的地下水平均埋深依次为20.78m(2008年6月)，22.01m(2009年6月)，22.32m(2010年6月)，19.58m(2011年6月)和20.90m(2014年6月)，可以看出绿洲地下水平均埋深有升有降，基本维持在21m上下，整体变化不大。
表1 2008-2014年6月的地下水平均埋深
通过表1可知，策勒绿洲的地下水埋深趋于稳定，并未出现异常波动的情形。究其原因是由于近几年策勒河径流量充足，这加快了对地下水的补给速度，使得绿洲地下水平均埋深没有出现预期中的下降。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种内陆干旱区绿洲水资源监测方法，其特征在于，包括：
获取内陆干旱区绿洲的需水总量，所述需水总量包括生态需水量和农业需水量；
获取水资源补给河的年均径流量；
根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量；
根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度；
获取地下水平均埋深；
根据所述水位下降高度和所述地下水平均埋深，确定当前地下水埋深。
2.根据权利要求1所述的内陆干旱区绿洲水资源监测方法，其特征在于，所述根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量，具体包括：
将所述年均径流量和所述需水总量做差，得到待抽取的地下水量。
3.根据权利要求1所述的内陆干旱区绿洲水资源监测方法，其特征在于，所述根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度，具体包括：
根据所述待抽取的地下水量采用公式W＝μ·S·H，确定水位下降高度，其中，W为待抽取的地下水量，μ为给水度，S为供水区域面积，H为水位下降高度。
4.根据权利要求1所述的内陆干旱区绿洲水资源监测方法，其特征在于，所述获取地下水平均埋深，具体包括：
获取多口地下水观测井位点的数据，所述井位点的数据包括各井位点的地下水埋深和各井位点周围的多边形面积；
获取绿洲面积；
根据各所述地下水观测井位点的数据和所述绿洲面积采用公式得到地下水平均埋深；
其中，z为地下水平均埋深，zi为第i口地下水观测井位点的地下水埋深，ai为第i口地下水观测井位点周围的多边形面积，A为绿洲面积。
5.一种内陆干旱区绿洲水资源监测系统，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取内陆干旱区绿洲的需水总量，所述需水总量包括生态需水量和农业需水量；
第二获取模块，用于获取水资源补给河的年均径流量；
待抽取的地下水量确定模块，用于根据所述年均径流量和所述需水总量，得到待抽取的地下水量；
水位下降高度确定模块，用于根据所述待抽取的地下水量，确定水位下降高度；
第三获取模块，用于获取地下水平均埋深；
当前地下水埋深确定模块，用于根据所述水位下降高度和所述地下水平均埋深，确定当前地下水埋深。
6.根据权利要求5所述的内陆干旱区绿洲水资源监测系统，其特征在于，所述待抽取的地下水量确定模块，具体包括：
待抽取的地下水量确定单元，用于将所述年均径流量和所述需水总量做差，得到待抽取的地下水量。
7.根据权利要求5所述的内陆干旱区绿洲水资源监测系统，其特征在于，所述水位下降高度确定模块，具体包括：
水位下降高度确定单元，用于根据所述待抽取的地下水量采用公式W＝μ·S·H，确定水位下降高度，其中，W为待抽取的地下水量，μ为给水度，S为供水区域面积，H为水位下降高度。
8.根据权利要求5所述的内陆干旱区绿洲水资源监测系统，其特征在于，所述第三获取模块，具体包括：
第一获取单元，用于获取多口地下水观测井位点的数据，所述井位点的数据包括各井位点的地下水埋深和各井位点周围的多边形面积；
第二获取单元，用于获取绿洲面积；
地下水平均埋深确定单元，用于根据各所述地下水观测井位点的数据和所述绿洲面积采用公式得到地下水平均埋深；
其中，z为地下水平均埋深，zi为第i口地下水观测井位点的地下水埋深，ai为第i口地下水观测井位点周围的多边形面积，A为绿洲面积。
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Citations (1)
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Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN109345054A (zh) * | 2018-08-13 | 2019-02-15 | 石河子大学 | 一种计算内陆河流域绿洲适宜规模及其稳定性的方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
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| CN111639421A (zh) * | 2020-05-13 | 2020-09-08 | 中国科学院新疆生态与地理研究所 | 内陆河流域人工与天然绿洲转化过程与适宜比例研究方法 |
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| CN113656756A (zh) * | 2021-08-26 | 2021-11-16 | 中国水利水电科学研究院 | 内陆河干旱区绿洲与过渡带边界地下水临界埋深计算方法 |
| CN113656756B (zh) * | 2021-08-26 | 2024-06-04 | 中国水利水电科学研究院 | 内陆河干旱区绿洲与过渡带边界地下水临界埋深计算方法 |
| CN116368984A (zh) * | 2023-04-10 | 2023-07-04 | 中国水利水电科学研究院 | 协同解决干旱区灌溉绿洲缺水与盐渍化的方法 |
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