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地下水的补给、径流和排泄受制于许多自然和人为因素,其动态变化幅度和过程必然与这些因素的种类与变化有关,于是其动态数据也包含了大量反映影响因素的相关信息。因此,如何研究地下水的动态特征,运用合适的定量方法和技术来提取有效信息,对我们掌握地下水变化的内在机制和规律,查明水文地质条件具有很好的价值。
目前研究地下水动态的研究方法大都采用数理统计学理论,简单直观但是不够深入。本文采用现代新理论-小波分析方法,利用已有的马坑矿区地下水动态长期观测数据资料,在MATLAB开发环境下,进行了地下水水位多周期尺度特性的研究,更好地分析其动态变化规律,并采用小波分析进行矿区充水条件的分析研究,从而为马坑二期疏干降水提供建议,同时为地下水动态数据的提取和研究提供了探索性的研究。
由于水位观测中存在人为因素和监测仪器误差的影响,致使序列中存在噪声,因此在进行研究前需要对数据序列进行预处理,即去噪分析。本文采用小波分析多分辨率分析思想,以ZK58钻孔时间序列为例,将原始序列进行尺度3下的系数分解,得出近似分量(低频部分)和三个细节分量(高频部分),采用固定阈值法对三个细节分量进行去噪处理,之后进行小波的逆变换得出去噪后的信号序列,即对观测数据进行了预处理,为后文分析奠定基础。
小波分析应用于地下水动态特性分析过程中,首先对马坑矿区地下水的补给区、径流区和排泄区分别选取代表性观测序列,将其进行距平化处理后,采用Morlet小波为母函数,进行连续小波变换,得到小波系数实部的等值线图,并绘制小波方差图来分析其周期变化。结果显示:矿区降雨量数据序列包含了5个月的主要周期和14个月的次要周期;补给区的地下水动态包含的时间周期与降雨量的时间周期几乎一致,同样存在5个月的主要周期,但其第二周期表现的是16个月;径流区地下水动态的周期变化均滞后降雨量和补给区,出现以5.5个月主要周期和23个月的次要周期变化;地下水排泄是以泉1的月平均流量序列进行分析,分析结果得出主要周期大于40个月。因此,动态数据中提取的周期成分能够作为判断地下水系统分区的定量指标,同时也从中看出,矿区岩溶岩含水层主要补给来源为大气降雨。
最后,采用小波分析对矿区充水条件进行分析,结果认为:矿区加福组P1j砂岩含水层与岩溶含水层之间水力联系不畅,而林地组的砂岩与岩溶含水层存在比较密切的水力联系。同时还分析比较了矿区岩溶含水层与北部崎濑泉的水力联系,得出的结论是:崎濑泉不是矿区岩溶含水层的排泄点,如此可以推断北部边界在自然条件下属于隔水边界。