地下水位的两种估值方法比较

对于许多区域水资源问题，用数值方法(有限元法或有限差分法)进行地下水水流模拟时，通过各种插值方法计算出每个节点上地下水位值，若插值方法选取的不正确，其计算结果与实际情况不符，其误差很大。首先简单介绍了趋势面方法，然后着重阐述了克立格方法的基本原理及其在地下水位估值中的应用，通过比较两种方法的计算结果可以得出：用趋势面方法模拟地下水位时其误差较大，而用克立格方法计算地下水位时其误差较小，克立格方法优于趋势面方法。因此说克立格方法是一种最优、线性、无偏的模拟空间变量的方法。     

Kriging插值和序贯高斯条件模拟算法的对比分析

本文对Kriging插值与序贯高斯条件模拟值的算法联系进行了推导,并将两种计算结果和原始数据的统计参数作了对比。结果表明,Monto-carlo方法求得的序贯高斯条件模拟值经数学变换后等同于已知数据和此前模拟数据共同参与的Kriging插值结果与一个随机偏差的和,该随机偏差的均值为0,方差为Kriging误差方差。最优性条件导致Kriging插值结果的方差较原始数据降低了1个Kriging误差方差,造成Kriging平滑效应,其空间变异函数值降低,但自协方差函数值不变。序贯高斯条件模拟避免了平滑效应,其方差、变异函数和自协方差函数均不变,而其模拟值的误差方差较Kriging误差方差增加了1倍,表明1次随机模拟值的误差比Kriging插值大。然而,多次随机模拟值的平均值与Kriging插值的地理制图效果近似,可以弥补局部估值误差大的不足。因此,在应用中,Kriging插值是提供局部最优估计的方法,但却低估了全局的空间变异。而序贯高斯条件模拟的优点,在于提供若干等可能概率的模拟结果以进行估值的不确定性评价,并再现全局的空间可变性。     

基于空间插值的风场模拟方法比较分析

计算流体动力学方法是目前风场空间格局模拟的主要方法之一,该方法由于受到软硬件局限,多应用于小尺度的风场模拟及分析。该方法精确程度极大地依赖于3D建模的精细程度和迭代计算模型的准确程度,与现实风场的发育过程存在明显差异。而随着物联网技术的发展,我们可通过大量的现场传感器进行风场数据的实时采集,为风场动态实时化模拟提供精确的参数。为了确定风场动态实时化模拟的最佳方法,本文以中国科学院城市环境研究所园区内32个风场传感器的月平均风速数据为研究案例,综合分析了反距离权重插值、全局多项式插值、局域多项式插值、径向基函数插值、最近邻域法插值、普通克里格插值6种空间插值方法,并采用交叉验证的方法对插值结果进行比较。结果表明,反距离权重插值在模拟的误差范围、模拟的准确度、反映极值的能力上优于其他5种方法,为1:500尺度的风场空间格局模拟提供了参考。     

基于改进Kriging插值模型的城市地面沉降变形趋势面模拟

从建筑物荷载引发地面沉降的机理模型出发,综合考虑建筑物产生的附加应力以及地基土壤压缩性质对沉降量的影响,构建了改进克里金插值模型。通过实际应用证明,使用改进克里金插值模型进行城市地面沉降空间趋势面模拟和计算,能够准确清晰地反映沉降变形的大小和趋势,从而为地面沉降的空间建模与可视化分析、总结建筑物荷载作用下城市地面沉降的变形规律奠定基础。     

基于DEM修正的MODIS地表温度产品空间插值

地表温度是资源环境、气候变化、陆地生态系统等科学研究的重要参数之一。MODIS LST（Land Surface Temperature, LST）产品是地表温度相关研究的重要数据源。而现有MODIS LST产品均存在云覆盖区域,因此云覆盖区域地表温度估计已成为热红外遥感的前沿性研究难题。为解决MODIS LST产品云遮挡区域地表温度信息缺失,以秦岭地区为研究区,选用2001-2017年的MOD11A2数据,在传统的反距离权重（IDW）、规则样条函数（SPLINE）、普通克里金（OK）、趋势面（TREND）空间插值方法中引入高程因子,通过反复试验形成基于DEM修正的MODIS LST空间插值方法。分析空间插值结果表明： ① 空间插值精度由高到低为：OK>SPLINE>IDW>TREND,基于DEM修正后精度分别提高了约0.38、0.31、0.32和0.78℃; ② 空间插值结果的精度呈现季节差异,夏季6、7、8月的精度较高,1月的精度最低;③ 插值精度与云区的范围存在一定的关系,当云覆盖区域<1.1 km²时,DEM+OK方法的插值误差<0.55 ℃,当云覆盖区域<3.1 km²,插值误差<1 ℃;DEM+SPLINE方法在云覆盖区域<2.7 km²时,插值误差<0.55 ℃,云覆盖区域<10.4 km²,插值误差<1℃;当云覆盖为1.1~2.7 km²时,DEM+SPLINE方法的插值精度高于DEM+OK方法。     

近10年黑龙江省气温的时空变异分析

以ArcGIS Analyst为支撑,80个气象站点观测的1997-2006年的旬平均气温为插值变量,利用高程、坡向等影响气温空间分异的局地因素作为协同变量,采用协同克里格(CoKriging)方法,考虑旬平均气温的自相关性以及旬平均气温与高程、坡向空间上的关联性,通过数据的检查、误差拟合、精度评价和模型比较,对黑龙江省旬平均气温进行空间插值,求得全省1km×1km的各旬平均气温表面数据。36旬气温插值结果的均误差、均方根误差、平均标准差、标准化均误差和均方根标准差的平均数分别为0.0024℃、0.774℃、0.682℃、0.0006和1.124。由旬平均气温插值结果叠加计算出月、年平均气温表面数据。利用插值计算结果和气象站点观测的数据,分析旬、月和年平均气温的时空分异特征,得出空间上东南部地区分异较小,其他地区分异较大时间上11-13、12-14、19-21等旬期平均气温有平稳下降趋势,15-17、26-28和27-29等旬期平均气温有平稳升高趋势。7月气温有稍许下降趋势,9月和11月的平均气温稍有上升趋势,5-9月平均气温升高约1℃。年平均气温以2.9℃为均值在2.5~3.3℃之间波动,略有升高但无明显上升趋势。春季之交一些旬期平均气温变化率降低趋稳,夏秋之交一些旬期平均气温变化率升高,实际物候有向后延迟的迹象。研究结果为气温变化监测、农业区划、土地生产潜力计算和千亿斤粮食背景下作物估产等相关研究奠定基础。     

基于异构集群计算的地统计面插值并行算法

地统计面插值算法在空间统计分析中有广泛应用,其目的是通过一组面要素的某已知属性值估算另一组面要素的属性值。地统计面插值算法多是基于克里金（Kriging）插值及其衍生算法。克里金插值算法考虑属性在空间位置上的变异性,需计算要素之间的协方差,是典型的计算密集型算法。本文分析了基于克里金插值的地统计算法计算过程,该算法中面要素间协方差计算相互独立,可作为并行计算单元划分。另外,面要素间协方差计算可使用快速傅里叶变换（FFT）快速计算,而FFT是一种非常适合并行处理的计算密集型算法。本文根据算法特征设计了基于异构集群计算的并行算法,并使用MPI+CUDA实现了该算法。实验结果表明,本文实现的算法比使用MPI实现的CPU集群的算法有更好的性能,具备良好的可扩展性,并且随着插值精度提高表现出更好的性能。     

重力插值方法研究

为了根据离散观测数据构制连续空间重力变化图像，分析和讨论了３种数值插值方法，计算结果表明多面函数方法插值精度最高。由于逐步回归分析筛选核函数中心点的计算繁琐，文中提出根据分形理论和Ｓｈａｎｎｏｎ取样定理来确定核函数中心点。对滇西试验场进行模拟试算，插值精度可达到４～５（１０－８ｍｓ－２）。     

滑动面的插值方法及滑坡稳定性计算

根据钻孔资料结合宏观地质调查资料分别作分段线形插值函数、拉格朗日插值函数和样条插值函数 ,用得出的插值函数来表征滑动面。并将插值函数与传统的圆弧滑动面假设分析对比。以南京狮子山东南坡滑坡为例 ,根据不同的插值滑动面 ,采用普遍条分法计算滑坡稳定性系数。最后 ,对不同的结果作了分析对比 ,认为过特征位置采用样条插值函数所表示的滑动面较好地符合实际情况     

三维动态趋势面模型在地面沉降分析中的应用

在趋势面拟合模型的基础上考虑时间项,建立三维动态趋势面模型,并通过模拟数据验证模型的适用性,最后对南沙地区GPS沉降监测网数据进行分析。结果表明,三维动态趋势面模型可以反映区域沉降的整体时空变化趋势,并具有良好的时空插值效果。     

地质统计学在含水层参数空间变异研究中的应用进展与发展趋势

科学合理评价地下水资源,对统筹规划、合理开发利用区域地下水,保障区域生态环境安全至关重要。获取含水层参数空间变异规律是解决地下水渗流、污染物运移、地下水开发利用等诸多地下水问题的重要基础。然而,受常规勘察技术所限,含水层非均质性难以直接刻画。两点地质统计学通过变异函数确定随机变量相关关系,解决地质变量空间线性估计并表征其各向异性;多点地质统计学突破了空间两点间相关关系的局限,通过多点训练图像建模,有效反映含水层参数变量空间分布特征,也更适合模拟复杂结构地质体。据此,本文对常用的两点地质统计学在含水层参数空间变异研究中的实际应用作了简述和探讨,并以含水层渗透系数为媒介,阐述了岩土电阻率和水力梯度或水头与渗透系数在地质统计学中运用的限制性协同关系。应用对比了多点地质统计建模与传统地质统计建模相比所具有的优势,并探讨了后者受自身算法、建模方法等制约现如今仍然尚未解决的问题及未来发展方向。指出在卫星、雷达及遥感技术快速发展背景下,数据同化、机器学习等手段融合、集成和尺度推绎多源、多空间、多分辨率空间数据帮助地质统计学实现数值建模是大势所趋。      

边界元法在地下水补给量计算中的应用

本文是边界元法在地下水补给量计算中应用的一次尝试,它成功地把边界元法应用到考虑有垂向补给或排泄的实际水文地质问题中。文中详细地推导了考虑有垂向补给或排泄均质各向同性承压含水层非稳定流边界元法的计算公式,结合长春市八里堡群井开采试验的水位观测资料计算了河流边界的补给量;分析了目前边界元法在水文地质计算中出现的时间积分和面积积分问题,在这两个问题的解决上做了些改进;结合简单水文地质模型给出了边界元法的精确度。     

区域地下水动态观测网优化的时-空克立金方法

本文将克立金方法延拓到时-空域,提出用时-空克立金方法进行地下水动态观测网密度和观测频率的优化;并从时-空克立金方程推导开始,给出了各种条件下的时-空克立金方程组及估计方差公式,还提出了地下水动态观测网优化设计的工作步骤。     

嵌入法地下水管理模型的分段决策技术

以地下水流的支配方程(有限元形式)作为线性规划的部分约束条件构成的地下水管理模型,称之为嵌入法;以各时段内务节点的水头之和最大作为目标函数在各时段内寻优,就是本文探讨的地下水管理模型的分段决策技术。该模型所形成的庞大的约束矩阵,往往需要超大容量计算机。本文利用线性变换消去约束条件中的有限元方程,并将决策变量转化为该时段的抽水量和补给量。将该模型运用于一个实际水源地,其结果令人满意,说明此模型是具有实用意义的。     

地下水系统最优开采数值模型

本文以河南汝河中段河谷浅层地下水系统为例,重点介绍了一种地下水系统最优开采数值模型。该模型是一种地下水流系统水均衡模型和线性规划模型的耦合。水均衡模型采用强隐式有限差分法(SIP)求解,以解决技术函数及地下水流系统势能分布问题;线性规划模型以总开采量最大作为目标函数,以流量及技术函数组成的响应矩阵作为约束条件,用单纯形法求解。该模型能比较快地解决多节点、薄层潜水含水层中地下水最优开采的规划问题,能提供最优开采方案及最优开采量等信息。     

地下水分层勘查技术在地下水流系统研究中的应用

地下水流是一种运动流体，空间上分布连续且能传递压力，在能量（势）差驱使下发生从水头高处向低处的运动。通常在补给（势源）区，地下水垂向上由上向下运动，而在排泄（势汇）区地下水由下向上运动，即地下水整个生命过程中总是由源到汇、向着能量减小的方向做径流运动，无论是在单个或多个透水岩层中都是如此。地下水分层勘查技术使在垂向上分层监测水头、水温和水质等成为可能，从而实现对不同及同一含水岩层的上下不同点间地下水流要素的比较，并判断全井或单井不同垂向区段的势源汇条件，为地下水流空间运动方向判定和地下水流系统划定奠定基础。本文以地下水流系统理论与试验观测研究为基础，论述了地下水分层勘查技术的原理、系统结构和功能，结合张掖盆地实例阐述了分层勘查技术在地下水补给与排泄区判识的应用方法。      

赵各庄矿地下水位时间序列数字滤波分析

为了更好地了解煤矿地下水位的变化趋势,结合工程实例,运用递归和非递归2种滤波技术进行分析,通过对比2种滤波技术的滤波效果,可以得到地下水位的变化规律和成因机理。结果表明:滤波系数的调校对滤波效果的影响至关重要。根据平滑度指标、均方根误差和信噪比对现有观测数据进行计算的结果可知,当b=0.5时递归滤波效果相对较好,当q=5时非递归滤波效果相对较好。滤波结果可以作为预测未来该地区地下水位变化趋势的依据,也可以为安全生产提供参考。     

万福矿井充水水源分析及矿井涌水量预计

通过对井田水文地质特征及矿井充水因素的分析,认为矿井的主要充水水源为3煤层顶底板砂岩裂隙含水层及三灰岩溶裂隙含水层。采用"大井法"对矿井涌水量进行了预算,确定矿井的正常涌水量为279 m3/h,预算结果为矿井的设计提供了科学依据。     

Estimation of mountain block recharge on the northern Tianshan Mountains using numerical modeling

Mountain block recharge(MBR), an important water resource, is a widespread process that recharges lowland aquifers. However, little is known about MBR due to the limited climatic and geologic data in mountainous regions such as the northern central foothills of Tianshan. Here, we present an approach to quantify MBR through the combination of water balance calculations and numerical modeling. MBR calculated from the water balance in the data-limited Tianshan Mountains is employed as a fluid-flux boundary condition in the numerical model of the plain. To verify the performance of the model, mean absolute error and root mean square error were used. Results show that the volume of water that is recharging the aquifer via MBR is 107.29 million m~3/yr, accounting for 2.2% of the total precipitation that falls in the mountains. Additionally, 53.3% of that precipitation enters the plain aquifer via runoff, totaling 2,652.68 million m~3/yr. The lower volume of MBR is attributed to a major range-bounding anticline with apparent low permeability in the Tianshan Mountains. Through numerical modeling of groundwater, MBR coming from bedrock was found to be significant, accounting for 14% of total aquifer recharge in the plain, only after the portion of runoff seepage. This research contributes to a deeper understanding of MBR, and may provide instructions for estimating groundwater recharge in arid and semi-arid areas.