CN113780882B - 一种地下水超采治理后地下水位变幅评估系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地下水超采治理后地下水位变幅评估系统，包括：采集模块，用于采集待监测水位研究区域的初始监测信息；处理模块，与采集模块连接，用于对初始监测信息进行处理，获得目标监测信息；评估模块，与处理模块连接，用于根据目标监测信息，对待监测水位研究区域的水位变幅进行评估，获得评估结果。本发明通过采集处理待监测水位研究区域的监测信息，快速、准确地的计算得到待测区域的地下水水位变化值，为地下水治理效果评估与考核等管理工作提供依据和支撑。
Description
技术领域
本发明属于地下水资源监测领域，特别是涉及一种地下水超采治理后地下水位变幅评估系统。
背景技术
作为淡水资源的重要来源，地下水在人类生产生活中扮演着重要角色。从全球来看，它不仅为约20亿人提供饮用水，还为约40％配备灌溉设备地区提供灌溉用水。地下水具有重要的资源供给和生态维系功能，具有不可替代的作用。然而，近年来由于气候变化和人类活动，地下水资源正在发生剧烈变化。随着地下水开发利用规模不断扩大，一些地区大量超采地下水，导致含水层几近疏干，并引发了地面沉降、地面塌陷及地裂缝、海(咸)水入侵、土地荒漠化等一系列严重的环境地质问题。因此，获取并理解地下水动态变化信息变得愈来愈重要。
地下水开发利用以凿井抽水方式为主，因此通过布设监测井获取地下水位变化数据是较为传统的监测方式。但地下水井具有分布广泛、位置分散、数量众多等特点，对地下水开采量的监测计量及监督管理难度较大。在实际工作中，仅有少数地下水开采采用仪器监测，绝大部分，尤其是农业用水几乎没有安装计量设备，地下水开采量仍以统计估算方法为主，精度难以满足监督考核的需要。并且这个方式受限于政治因素、观测站和仪器精度，并不适用于大尺度或者偏远地区。
因此，鉴于在地下水水位监测迫切需求，为有效、准确、快速计算区域平均地下水水位、水位变幅，亟需一种简便的区域平均地下水水位计算方法。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种地下水超采治理后地下水位变幅评估系统，包括：
采集模块，用于采集待监测水位研究区域的初始监测信息；
处理模块，与所述采集模块连接，用于对所述初始监测信息进行处理，获得目标监测信息；
评估模块，与所述处理模块连接，用于根据所述目标监测信息，对待监测水位研究区域的水位变幅进行评估，获得评估结果。
优选地，所述初始监测信息包括所述地下水的开采量和所述地下水的入渗量；
所述采集模块包括开采量采集单元、入渗量采集单元；
所述开采量采集单元用于采集地下水的开采量；
所述入渗量采集单元用于采集地下水的入渗量。
优选地，所述地下水的开采量包括农业地下水开采量、工业地下水开采量、生活地下水开采量、其他地下水开采量；
所述地下水的入渗量包括降水入渗量、田间灌溉回渗量、渠系入渗量、河道入渗量、其他入渗量。
优选地，所述处理模块包括第一处理单元、第二处理单元；
所述第一处理单元用于根据所述地下水的开采量和所述地下水的入渗量获得地下水水位变幅；
所述第二处理单元用于根据所述地下水水位变幅和贮水系数获得地下水超采量。
优选地，所述地下水水位变幅包括当年水位变幅、累积水位变幅；
所述当年水位变幅通过所述待监测水位研究区域的年初平均地下水埋深值与年末平均地下水埋深值获得；
所述累积水位变幅通过所述待监测水位研究区域的累积初平均地下水埋深值与累积末平均地下水埋深值获得。
优选地，所述地下水超采量包括当年地下水超采量、累积地下水超采量；
所述当年地下水超采量通过所述当年水位变幅和贮水系数获得；
所述累积地下水超采量通过所述累积水位变幅和贮水系数获得。
优选地，所述处理模块还包括第三处理单元、第四处理单元；
所述第三处理单元用于根据所述地下水水位变幅和实际降水频率获得地下水位变幅的考核值；
所述第四处理单元用于根据地下水位变幅参考目标值，通过对降水频率进行线性插值获得地下水位变幅考核指标值。
优选地，所述评估模块包括当年考核评估单元、累计考核评估单元；
所述当年考核评估单元用于将考核年当年的地下水位变幅实际值与当年的所述地下水位变幅考核指标值进行对比，获得当年考核结果；
所述累计考核评估单元用于将考核年累计的地下水位变幅实际值与累计的所述地下水位变幅考核指标值进行对比，获得累计考核结果。
优选地，所述评估模块还包括优选评估单元、打分评估单元；
所述优选评估单元用于分析所述当年考核结果与所述累计考核结果是否一致，若不一致以所述累计考核结果为最终评估结果；
所述打分评估单元用于通过打分制对地下水变幅进行考核。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种地下水超采治理后地下水位变幅评估系统，克服了影响地下水位变化的因素复杂，数据分散的问题，将各种影响地下水水位变幅的因素进行关联分析、评估，在保证评估效果的同时，大大降低了计算成本，具有很好的适用性。
本发明通过采集处理待监测水位研究区域的监测信息，快速、准确地的计算得到待测区域的地下水水位变化值，计算速度快，计算精度高，计算成果更全面、更科学，既考虑了地下水监测现状，又考虑了区域面积分布与权重，为地下水治理效果评估与考核等管理工作提供依据和支撑。
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为本发明实施例的系统结构示意图；
图2为本发明实施例的地下水含水层水量平衡示意图；
图3为本发明实施例的各考核年当年的地下水位变幅参考目标值曲线示意图；
图4为本发明实施例的考核年为2020年时地下水位变幅考核指标值插值计算示意图。
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。
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。
如图1所示，本发明提供了一种地下水超采治理后地下水位变幅评估系统，包括：
采集模块，用于采集待监测水位研究区域的初始监测信息；
处理模块，与所述采集模块连接，用于对所述初始监测信息进行处理，获得目标监测信息；
评估模块，与所述处理模块连接，用于根据所述目标监测信息，对待监测水位研究区域的水位变幅进行评估，获得评估结果。
所述采集模块包括开采量采集单元、入渗量采集单元；
所述开采量采集单元用于采集地下水的开采量；
所述入渗量采集单元用于采集地下水的入渗量；
所述初始监测信息包括所述地下水的开采量和所述地下水的入渗量。
所述地下水的开采量包括农业地下水开采量、工业地下水开采量、生活地下水开采量、其他地下水开采量；
所述地下水的入渗量包括降水入渗量、田间灌溉回渗量、渠系入渗量、河道入渗量、其他入渗量。
所述处理模块包括第一处理单元、第二处理单元；
所述第一处理单元用于根据所述地下水的开采量和所述地下水的入渗量获得地下水水位变幅；
所述第二处理单元用于根据所述地下水水位变幅和贮水系数获得地下水超采量。
所述地下水水位变幅包括当年水位变幅、累积水位变幅；
所述当年水位变幅通过所述待监测水位研究区域的年初平均地下水埋深值与年末平均地下水埋深值获得；
所述累积水位变幅通过所述待监测水位研究区域的累积初平均地下水埋深值与累积末平均地下水埋深值获得。
所述地下水超采量包括当年地下水超采量、累积地下水超采量；
所述当年地下水超采量通过所述当年水位变幅和贮水系数获得；
所述累积地下水超采量通过所述累积水位变幅和贮水系数获得。
所述处理模块还包括第三处理单元、第四处理单元；
所述第三处理单元用于根据所述地下水水位变幅和实际降水频率获得地下水位变幅的考核值；
所述第四处理单元用于根据地下水位变幅参考目标值，通过对降水频率进行线性插值获得地下水位变幅考核指标值。
所述评估模块包括当年考核评估单元、累计考核评估单元；
所述当年考核评估单元用于将考核年当年的地下水位变幅实际值与当年的所述地下水位变幅考核指标值进行对比，获得当年考核结果；其中，当所述当年的地下水位变幅实际值大于等于所述当年的地下水位变幅考核指标值，则考核合格；当所述当年的地下水位变幅实际值小于所述当年的地下水位变幅考核指标值，则考核不合格；
所述累计考核评估单元用于将考核年累计的地下水位变幅实际值与累计的所述地下水位变幅考核指标值进行对比，获得累计考核结果；其中，当所述累计的地下水位变幅实际值大于等于所述累计的地下水位变幅考核指标值，则考核合格；当所述累计的地下水位变幅实际值小于所述累计的地下水位变幅考核指标值，则考核不合格；
所述评估模块还包括优选评估单元、打分评估单元；
所述优选评估单元用于分析所述当年考核结果与所述累计考核结果是否一致，若不一致以所述累计考核结果为最终评估结果；
所述打分评估单元用于通过打分制对地下水变幅进行考核。
进一步地，下面通过具体的实施例进行说明。
本发明的地下水位考核的基本原理基于地下水含水层的水量平衡机制。在简化地下水补给计算，同时不考虑地下水的基流排泄、潜水蒸发、侧向径流等影响的情况下，根据县(市、区)地下水含水层在一个自然年度的水量平衡原理，如图2所示：
α·P·A-(W农+W其他)＝μ*·ΔH·A (1)
其中：α为县(市、区)地下水的综合补给系数，包括降水入渗、田间灌溉回渗、渠系入渗、河道入渗等，该综合补给系数与当年的降水量直接相关；P为当年的降水量(m)；A为县(市、区)的国土面积(m2)；W农为含水层当年的农业地下水开采量(m3)；W其他为含水层当年的工业、生活等其他地下水开采量(m3)；μ*为含水层的贮水系数；ΔH为含水层的年水位变幅(m)，以地下水位埋深增加为负，埋深减少为正。
将上式两端除以A，则可以整理为单位面积通量强度的形式：
公式(1)、(2)中县(市、区)含水层的年地下水位变幅ΔH，为一个自然年内(当年1月1日到当年12月31日)，该县(市、区)年初的平均地下水埋深值减去年末的平均地下水埋深值：
ΔH＝D年初-D年末 (3)
其中：D年初为该县(市、区)年初的平均地下水埋深值(m)；D年末为该县(市、区)年末的平均地下水埋深值(m)。含水层的年水位变幅ΔH直接反映了县(市、区)当年含水层的补、排平衡情况，若当年的水位变幅为负(埋深增加)，则说明含水层的排泄大于补给，反之则说明补给大于排泄。
地下水超采指一段时期内(或一定的年份范围内)，由于过量开采地下水，使得地下水的排泄量大于地下水的补给，出现地下水净储量不断亏空，地下水位呈趋势性下降的现象。在超采区基流排泄、潜水蒸发等自然排泄量已经很少，主要的地下水排泄为人工地下水开采，县(市、区)地下水多年平均开采量与多年平均补给之间的差值即为年均地下水超采量：
结合公式(1)、和公式(4)，可建立县(市、区)含水层年均地下水位变幅与年均超采量之间的线性关系：
其中：
为县(市、区)含水层的年均地下水位变幅(m)。
公式(5)表明，年均地下水位变幅
可以线性定量地反映年均地下水超采量的大小。一般的对于一个县(市、区)来说，如果地下水存在超采，则年均地下水位年变幅为负数(地下水埋深增加)，且年均地下水超采情况越严重，年均地下水位年变幅越小。地下水超采综合治理的目的是逐年减少地下水超采量，反映出的地下水位治理效果就是逐年地下水位变幅的改善效果。因此将地下水超采量与地下水位变幅关联起来，通过考核县(区、市)地下水位变幅的变化情况，来达到考核地下水超采治理任务完成情况的目的。
进一步地，公式(5)给出的是年均地下水超采量与年均地下水位变幅之间的数值关系，然而在实际的考核过程中，需要做到对每个自然年份地下水位变幅的考核。但对于每个自然年度而言，地下水的补给与开采是动态变化的，超采量也是动态变化的，与年内降雨丰枯变化条件有密切的关系，因此考核地下水位变幅时还需针对单个年份的降雨水文条件进行细化。
超采区地下水位变幅的考核与评分
各考核地下水位变幅考核指标值制定
各考核年当年的地下水位变幅参考目标值与特定的降水频率有关，本实施例主要针对25％、50％和75％降水频率时的情况。实际考核年的降水频率可能是任意值，因此需要结合考核年当年的实际降水频率情况合理确定地下水位变幅的考核值，作为超采治理效果的水位考核指标。
考核年当年的地下水位变幅考核指标值以其当年的地下水位变幅参考目标值为数据基础，参考目标值通过地下水变幅参考目标值曲线示意图确定，如图3所示。
通过对降水频率进行线性插值确定，计算公式如下：
其中：ΔHi,考核为县(市、区)在第i个考核年时的地下水位变幅考核指标值(m)；P(i)为县(市、区)在第i个考核年时的降水频率(％)。以2020年为考核年为例，则其地下水位变幅考核指标值的插值计算过程如图4所示。
从超采区县(市、区)第1个考核年开始，到当前考核年为止，将各考核年的地下水位变幅考核指标值进行累加，即为当前考核年累积的地下水位变幅考核指标值。
ΔHi,累积,考核＝∑ΔHi,考核 (7)
考核年当年的地下水位变幅实际值评估
在某考核年份，将超采区县(市、区)当年年初(1月1日)的平均地下水埋深值减去当年年末(12月31日)的平均地下水埋深值，即为该县(市、区)在该考核年当年的地下水位变幅实际值，记为ΔHi,实际。考核年年初、年末的地下水埋深值，由考核当年超采区各地下水监测站的地下水埋深监测资料通过“克里金插值法”计算确定。
考核年累积的地下水位变幅实际值评估
从县(市、区)第1个考核年开始，到当前考核年为止，将各考核年的地下水位变幅实际值进行累加，即为当前考核年累积的地下水位变幅考核指标值：
ΔHi,累积,实际＝∑ΔHi,实际 (8)
地下水位变幅的当年考核和累积考核评分
地下水位变幅考核分当年考核和累积考核；
当年考核是将考核年当年的地下水位变幅实际值与其地下水位变幅考核指标值进行对比，若地下水位变幅实际值大于等于其地下水位变幅考核指标值，则考核合格，反之不合格，即：
累积考核是将考核年累积的地下水位变幅实际值与其累积的地下水位变幅考核指标值进行对比，若累积的地下水位变幅实际值大于等于其累积的地下水位变幅考核指标值，则考核合格，反之不合格，即：
若当年考核的结论与累积考核的结论不一致，则以累积考核的结论为准。
除了根据地下水位变幅实际情况与目标情况判断合格与不合格之外，为了进一步通过逐年地下水位变幅变化说明超采区县(市、区)地下水压采任务完成质量情况，另外还采用打分制对地下水变幅进行考核。打分公式如下：
上式打分规则为：若考核年累积的地下水位变幅实际值大于等于累积的地下水位变幅考核指标值，得满分100分；若考核年累积的地下水位变幅实际值小于累积的地下水位变幅考核指标值，且幅度不超过0.5m，则每小于0.05m扣减10分；若考核年累积的地下水位变幅实际值小于累积的地下水位变幅考核指标值0.5m以上，得0分。
3、设区市和超采综合治理区地下水位变幅的考核
超采区通过其下辖的县(市、区)的数据进行面积加权平均进行地下水位变幅的考核。
设区市考核年当年的地下水位变幅考核指标值计算如下：
其中ΔHi,超采区,考核为超采区在第i个考核年的地下水位变幅考核指标值(m)；ΔHi,m,实际为该超采区下辖的第m个县(市、区)在第i个考核年的地下水位变幅考核指标值(m)；Am为第m个县(市、区)的行政区面积(km2)；M为该设区市下辖的县(市、区)总的个数。
设区市考核年累积的地下水位变幅考核指标值计算如下：
超采区考核年当年的地下水位变幅实际值计算如下：
其中ΔHi,超采区,实际为超采区在第i个考核年的地下水位变幅实际值(m)；ΔHi,m,实际为该超采区下辖的第m个县(市、区)在第i个考核年的地下水位变幅实际值(m)；
超采区考核年累积的地下水位变幅实际值计算如下：
通过公式(12)～(15)，可以确定超采区进行地下水位变幅考核所需的各项数据。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种地下水超采治理后地下水位变幅评估系统,其特征在于，包括：
采集模块，用于采集待监测水位研究区域的初始监测信息；
处理模块，与所述采集模块连接，用于对所述初始监测信息进行处理，获得目标监测信息；
评估模块，与所述处理模块连接，用于根据所述目标监测信息，对待监测水位研究区域的水位变幅进行评估，获得评估结果；
所述初始监测信息包括所述地下水的开采量和所述地下水的入渗量；
所述采集模块包括开采量采集单元、入渗量采集单元；
所述开采量采集单元用于采集地下水的开采量；
所述入渗量采集单元用于采集地下水的入渗量；
所述地下水的开采量包括农业地下水开采量、工业地下水开采量、生活地下水开采量、其他地下水开采量；
所述地下水的入渗量包括降水入渗量、田间灌溉回渗量、渠系入渗量、河道入渗量、其他入渗量；
所述处理模块包括第一处理单元、第二处理单元；
所述第一处理单元用于根据所述地下水的开采量和所述地下水的入渗量获得地下水水位变幅；
所述第二处理单元用于根据所述地下水水位变幅和贮水系数获得地下水超采量；
所述地下水水位变幅包括当年水位变幅、累积水位变幅；
所述当年水位变幅通过所述待监测水位研究区域的年初平均地下水埋深值与年末平均地下水埋深值获得；
所述累积水位变幅通过所述待监测水位研究区域的累积初平均地下水埋深值与累积末平均地下水埋深值获得；
所述地下水超采量包括当年地下水超采量、累积地下水超采量；
所述当年地下水超采量通过所述当年水位变幅和贮水系数获得；
所述累积地下水超采量通过所述累积水位变幅和贮水系数获得；
所述处理模块还包括第三处理单元、第四处理单元；
所述第三处理单元用于根据所述地下水水位变幅和实际降水频率获得地下水位变幅的考核值；
所述第四处理单元用于根据地下水位变幅参考目标值，通过对降水频率进行线性插值获得地下水位变幅考核指标值；
所述评估模块包括当年考核评估单元、累计考核评估单元；
所述当年考核评估单元用于将考核年当年的地下水位变幅实际值与当年的所述地下水位变幅考核指标值进行对比，获得当年考核结果；
所述累计考核评估单元用于将考核年累计的地下水位变幅实际值与累计的所述地下水位变幅考核指标值进行对比，获得累计考核结果；
所述评估模块还包括优选评估单元、打分评估单元；
所述优选评估单元用于分析所述当年考核结果与所述累计考核结果是否一致，若不一致以所述累计考核结果为最终评估结果；所述打分评估单元用于通过打分制对地下水变幅进行考核。
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