基于EOF分析的黄河三角洲地区地下水时空变化特征研究

论文总字数：15506字

目 录

1绪论…………………………………………………………………5

1.1 研究背景与意义……………………………………………………………………5

1.2 地下水对黄河三角洲地区的重要影响……………………………………………5

1.3 国内外研究现状……………………………………………………………………6

1.4 研究内容……………………………………………………………………………6

2研究区概况与数据预处理

2.1 地形与地貌基本概况………………………………………………………………7

2.2 地下水水位概述……………………………………………………………………8

3研究方法和相关概述

3.1简单克里金插值………………………………………………………………………8

3.2 BME插值………………………………………………………………………………9

3.3 经验正交函数（EOF）基本原理……………………………………………………11

3.4基于EOF的地下水水位数据分解及结果……………………………………………11

4结果与讨论

4.1黄河三角洲地下水时间变化规律……………………………………………………14

4.2黄河三角洲地下水空间变化规律……………………………………………………16

5结论和展望

5.1结论……………………………………………………………………………………17

5.2问题与讨论……………………………………………………………………………17

参考文献………………………………………………………………18

致谢……………………………………………………………………19

1.绪论

1.1研究背景和研究意义

黄河三角洲所在的区域地理位置特殊 ,工农业和其他企业极其依赖于水资源的供给，自1972首次黄河断流现象出现后，黄河水资源匮乏且供给矛盾日益严重， 人口急剧增多、粮食逐渐匮乏、水资源短缺等问题一直是社会发展的焦点问题。水资源变化规律研究对于该地区的水资源分配具有越来越关键的指导作用，有助于人与自然的有机统一的协调发展，保持当地的经济系统和生态系统的良性循环。

随着黄河三角洲的开发政策已成为国家的一项重要任务，水资源短缺制约着人类社会发展的广度与深度， 既与第一第二产业的发展密不可分，又涉及生态平衡问题和资源分配问题。研究地下水概况对当下区域地下水资源的合理利用、生态系统整治、维持水资源的永利利用起关键作用，有助于建立起思路完善的管理体系并且可以进一步加强黄河三角洲生态的环境修复与资源调控，

据研究表示，与上世纪五十年代对比，山东省省内湿地状况产生如下变化：一是湖泊、河流湿地面积逐年递减。因为淤积和围垦造田等自然与人文因素，导致北五湖地区几乎完全消失，在其基础上建设的东平湖水域面积减少16.7%，其它水域面积也有相应减少^[3]；同时，由于经济的持续增长和重工业的快速发展，人为活动对湿地等自然环境的污染程度和范围也不断扩大，由此可见水资源污染形势相当严峻。

本文利用黄河三角洲研究区地下水资料进行EOF分析，研究该区域多个观测井站点连续3年的地下水数据，得到空间与时间上的变化特征，有助于建立黄河水文监测网络，完善黄河三角洲生态系统预警监测体系。我们可以以此维护黄河流域生态健康，推动本国水文建设的发展、促进形成高效稳定的水文服务信息平台。因此，研究地下水时空动态变化具有重要的研究意义。

1.2地下水对黄河三角洲地区的重要影响

黄河是三角洲区地下水的来源供给之一，而地下水作为三角洲地区水资源循环的重要环节之一，对该区域的生态环境影响相当关键。三角洲区域的地下水作为生态系统循环过程的其中一个重要组成部分，对湿地保护自然区的存在和地区开发及经济发展都有深远的影响， 是维系着海陆空等生态环境和相关人文景观和某些关键生态系统的生态完整性的重要环节。同时，介于黄河三角洲地区生态环境极其敏感脆弱，地理位置的特殊性使得地下水对该片研究区域产生显著的生态效应，例如，地下水的过度开发会引起生物多样性的衰退、土地荒漠化和水位退减等环境问题，会导致该地区的生态系统出现负面影响。因而，在黄河三角洲建设发展的过程当中，我们应重视地下水与生态环境的相互依存关系。

1.3国内外研究现状

地下水作为人类必不可少的自然资源的同时，也是一种元素载体，是生态系统组成成分。国内地下水相关研究将对人类生产活动和社会发展产生巨大作用，因此，研究地下水时空变化也成为国内外专家学者们的重要议题。

近年来国内外有学者将EOF分解法应用在地下水时空变化的研究中，意在为将来地下水资源的深入探究作出理论依据， EOF分解法在气象领域研究中应用广泛且应用较为成熟，即经验正交函数分析方法，也称特征向量分析，是一种分析矩阵数据中的结构特征, 提取主要数据特征量的一种方法^[4]，主要用来研究气象要素场的空间与时间分布规律。目前, 已有众多学者就该方法对研究区的降水或地下水时空分布特征进行了大量研究，在使用该方法的同时，小波分析也逐渐成为新兴发展的数学分析方法，例如始兴县气象局根据韶关地区8个国家气象观测站近47年逐日降水数据,运用经验正交函数(EOF)分解方法和Morlet小波变换方法,分析了韶关地区近47年春季降水变化特征^[5]；张铭等(2007)应用EOF分解对武汉地区1998年7月发生的某次特大暴雨过程进行分析^[6]；金芃霏等人也根据浙江省 17 个气象站点 1959 年 －2010 年逐日降水数据，采用 z 指数方法，并运用 Morlet 小波分析和 Kriging 空间插值法对浙江省近 52 年降水时空分布特征进行经验正交函数(EOF)方法对比分析^[7]；国外也有陈有成、萧天泰等人做出对独立分量分析的时空地下水位变化特征进行的研究分析^[8]; Hwa Lung Yu等人进行基于地下水位观测的充电信号识别^[9]。

1.4研究内容

本文主要使用黄河三角洲1991年~1993年共3年的地下水水位统计数据，研究分析该地区地下水的时空变化特征，在此基础上结合arcgis和相关软件处理地图数据，使用经验正交函数（EOF）分解方法将研究区地下水的时间和空间变化进行处理，得出黄河三角洲的地下水时空分布变化规律。

2.研究区环境概况和地下水水位概述

2.1黄河三角洲地质与地貌基本概况

黄河是中国长度仅次于长江的第二大河，因受到环境地形和气候等复杂元素的影响，从而形成其多泥沙、河道善淤和容易决堤的地理特征。该研究区作为容纳近三亿人口的地理环境，农业生产力和自然资源较为丰富，是人类社会活动和经济活动的聚集地；同时也富藏较为丰富的生物种类和油气矿产资源，因此周边地区具有自然景观与人文景观相结合的地貌景象。

本次论文选取黄河三角洲作为研究区域，并对该地区dem数据进行预处理和分析，得到黄河三角洲地形图，见图1：

图1 黄河三角洲地理位置及地形图

2.2 地下水水位数据和变化趋势

2.2.1地下水水位概述

地下水水位是指地下含水层中水面的高程。一般我们称的地下水是指潜水，地下还有承压水和上层滞水^[10]。由于近年来黄河三角洲地表水的持续减少，农业灌溉、居民用水以及工业活动等都受到不同程度上的影响，导致地下水的大量开采，使得地下水水位和地下水水位也在一定程度上下降，观测井站点11370521306号 91年至93年36个月的地下水水位变化详情请见图2：

图2 11370521306观测井水位动态变化曲线（1991~1993）

由图2可知，91年至93年地下水水位起伏较大的时段分布在每年7、8、9三月，即夏季地下水水位普遍升高，3年总体趋势是逐渐上升。

2.2.2地下水水位数据处理

（1）筛选观测井站点并计算出年、月平均地下水水位：

打开excel表格，得到黄河三角洲地区91—93年的76个观测井站点所记录的数据，将地下水水位数据缺失的年份进行删除，得到剩下的40个左右完整的观测井站点id数据。将剩下的每个观测井站点的数据进行计算，求出各个站点91~93年的月平均数据，从而得到每个站点的连续3年月平均地下水水位，为后续BME插值提供数据。年平均数据同理可得。

（2）连接关联观测井站点月平均地下水数据与月平均地下水数据观测井站点。

3.EOF分解与研究方法

3.1克里金插值概述

本次论文将处理后的月数据以及年数据进行简单克里金插值，得到地下水水位分布图，为后续月数据bme插值中第五步提供需要的参数，同理得到年数据的克里金插值图，为后续BME结果分析做准备。

3.2 BME插值概述

3.2.1 BME插件介绍

BMEGUI软件是为贝叶斯最大熵（BME）空间/时间地理统计分析的高级功能提供图形用户界面（GUI）的软件。国内台湾台北地区曾有学者使用BME方法，通过正交经验函数了解台湾调水河冲积扇地下水系统的时空模式，并以此为基础做出进一步的研究分析^[11]。

BMEGUI可以通过点击桌面上的BMEGUI快捷方式启动。 使用者对空气，水或任何其他介质进行基本的探索性数据分析和空间/时间地质统计估算，以获取任何环境因素，例如水中的砷，空气中的SO₂等。使用者可以创建ArcASCII或逗号分隔值（CSV）输出数据文件，用于在ArcGIS，MATLAB或任何其他压缩软件中进一步处理BMEGUI输出的数据。

为了使用BMEGUI需要指定两个输入参数，“工作区”和“数据文件”。工作区是一个目录，用于存储BMEGUI在分析过程中创建的所有文件。数据文件是包含可用空间/时间数据的文件，包括测量值，空间/时间坐标以及有关测量误差的信息。

3.2.2 BME插值过程

（1） 数据预处理

本篇论文将91年、92年和93年共3年的黄河三角洲地下水月数据的总计36个月的月平均数据以及其他地理数据处理成只有X、Y、T、S四列数据的csv文件格式，分别代表所在站点的经度、纬度、时间以及月平均数据，站点的经度与纬度数据通过arcgis中的工具进行处理而得到。

之后将数据框的投影换成wgs84，接着加载点数据,在属性表中添加经度与纬度这两个字段，之后进行几何计算得到经纬度数据。

（2）BME插值过程

使用BMEGUI软件加载处理好的csv文件，首先选择工作范围以及数据来源，即选择处理好的csv文件作为数据来源，之后顺次填写参数以及点击默认选项，进行到第五步将克里金插值得到的两项参数即偏基台值以及主变程值填入，最后填写时间以及距离参数，得到插值图，并将得出的插值图进行保存。

经过栅格转化，得到BME插值的栅格数据，之后进行专题制图添加题目、指北针和比例尺等导出91年~93年的黄河三角洲地下水水位分布图。年平均BME插值图同理。

图3、4 基于简单克里金、BME的年数据地下水水位分布图

由图3、4基于BME、克里金的插值图来看，91年~97年共计7年年平均黄河三角洲地下水水位的BME插值以及克里金插值地下水水位分布基本相同，和地表高程分布及变化方向也基本一致，都是研究区南部地区地下水水位为负数，现代黄河道口位置地下水水位较高，等势面沿渤海方向形成环形辐射，黄河故道地下水水位比四周略高。

（3）数据后续处理以及创建公里格网

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