石羊河流域是我国典型的干旱内陆区,地下水资源作为该区水资源的重要组成部分,不仅是绿洲经济发展的重要水源,而且也是生态环境的重要支撑。而近几十年来,气候的变化和绿洲农业发展对水资源的开发利用,加剧了外部环境对地下水系统的影响,产生了地下水位大幅度下降、植被退化、土地沙化及土壤盐渍化问题,严重影响着流域地下水资源的持续利用和生态环境安全。因此,研究气候变化和人类活动对地下水动态的影响,探讨地下水动态变化的生态环境效应,对石羊河流域地下水资源的可持续利用和生态环境保护具有重要的理论意义和应用价值。
本文从石羊河流域地下水循环的角度出发,分析了变化环境对流域平原区地下水动态的影响,建立了地下水位埋深动态模拟模型,基于地下水动态变化的生态环境效应的分析,进行了地下水位动态调控模拟研究。论文的主要研究结果如下:
(1)从地下水系统的角度,分析了石羊河流域地下水动态的时空变化特征。分析结果表明:1984～2001年流域平原区地下水位呈显著下降趋势,其中武威盆地地下水位平均下降6～7m,下降速度0.31m/a;民勤盆地地下水位平均下降10～12m,下降速度0.57m/a。1997～2003年地下水的硬度和碱度值呈波动趋势,变化幅度不大;而PH值和矿化度整体上呈上升趋势,变化明显。
(2)基于地下水动态的影响因素分析,运用气候倾向率法和Kendall秩次相关法对石羊河流域平原区1960～2005年的气温、降水量和蒸发量进行趋势分析,结果表明:气温变化趋势同全球气候变暖的趋势一致;降水量稍有增加,但绝对幅度变化不大;蒸发量呈波动小幅下降趋势。而近20多年来,灌溉面积扩大、渠系衬砌及开采地下水等人为因素加强了对地下水循环的影响,使地下水补给量减少,排泄量增加,导致平原区地下水位大幅度下降。
(3)运用SPSS软件的主成分回归法对流域平原区地下水动态变化的主要驱动因素进行了研究。研究结果表明:武威盆地人为因子对地下水位埋深的影响占总影响力的62.82%,气候因子占总影响力的37.18%。由此可见,武威盆地地下水位动态变化的主要驱动因素为灌溉面积、地下水开采及渠系衬砌率。民勤盆地人为因子对地下水位埋深的影响占总影响力的79.12%,气候因子占总影响力的20.88%。因此,民勤盆地地下水位动态变化的主要驱动因素为红崖山入库径流量与地下水开采量。
(4)运用Elman动态神经网络模型和基于小样本数据的支持向量机模型分别模拟了武威盆地和民勤盆地1991～2000年的地下水位埋深,并对2001～2002年的地下水位埋深做了预测,经过检验两个模型的模拟误差都比较小,Elman模型在±0.4%以内,支持向量机模型在±0.2%以内;而预测误差略大,Elman模型在±7%以内,支持向量机模型在±5%以内。通过模型比较得出支持向量机模型的归一化均方根误差都小于Elman模型的归一化均方根误差,支持向量机模型的模拟预测效果略优于Elman模型。但从总体上来看,两类模型都可以定量模拟气候因素、人类活动、地表来水量变化对地下水位的影响。
(5)通过分析地下水位动态变化对水环境、植被环境、土壤环境的影响,在参考同类区域已有研究成果的基础上,认为石羊河流域平原区的生态地下水位埋深为3.0～4.0m。为了防止流域下游生态环境的进一步恶化,通过支持向量机模型模拟预测了两种不同情景下的民勤盆地地下水位埋深的恢复情况。
