本發(fā)明涉及地下水回補，具體為地下水回補動態(tài)平衡智能控制裝置。

背景技術(shù)：

1、地下水是全球重要的淡水資源之一，廣泛用于農(nóng)業(yè)灌溉、工業(yè)用水和生活用水。然而，由于過度開采和不合理地用水，許多地區(qū)的地下水資源正面臨枯竭的危險。為了應(yīng)對地下水位下降的問題，地下水回補技術(shù)逐漸被應(yīng)用，其目的是通過人工方式向地下含水層補充水量，以恢復(fù)或維持地下水的動態(tài)平衡。

2、授權(quán)公告號為cn110457831b的中國專利公開了一種地下水水源地的回補適宜性評價方法，包括：對目標地下水水源地的回補潛力進行評價，得到潛力指數(shù)；對目標地下水水源地的回補風(fēng)險進行評價，得到風(fēng)險指數(shù)；對目標地下水水源地的回補效益進行評價，得到效益指數(shù)；根據(jù)構(gòu)建的綜合指數(shù)模型對所述潛力指數(shù)、風(fēng)險指數(shù)和效益指數(shù)加權(quán)生成回補適宜性評價結(jié)果，獲取相應(yīng)評價等級。該發(fā)明的優(yōu)點是實現(xiàn)了對地下水水源地回補適宜性的量化評價，具有指標明確、計算簡單等優(yōu)點，能夠?qū)崿F(xiàn)精確篩選適宜回補的地下水水源地靶區(qū)。

3、如上述申請，現(xiàn)有的地下水回補控制裝置，其一般從地下含水層是否有儲水空間方面對部分地區(qū)地下水回補可行性進行了分析，但評價指標相對單一，缺少對地下水未來時間損耗的預(yù)測以及地下水存儲能力的分析，即單一的地下水損耗為依據(jù)制定地下水回補量，存在控制精度不足，難以有效實現(xiàn)地下水的動態(tài)平衡的問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為了解決上述問題，本發(fā)明提供了地下水回補動態(tài)平衡智能控制裝置。

2、本發(fā)明采用以下技術(shù)方案，地下水回補動態(tài)平衡智能控制裝置，包括：

3、數(shù)據(jù)采集模塊，通過目標區(qū)域內(nèi)i個觀測井收集目標區(qū)域的地下水的特征數(shù)據(jù)，其中所述地下水的特征數(shù)據(jù)包括含水層的厚度hh、地下水水位h，以及未來p時刻目標區(qū)域的降雨量s和目標區(qū)域的蒸發(fā)量z；

4、損耗預(yù)測模塊，對目標區(qū)域的地下水的特征數(shù)據(jù)進行分析，預(yù)測未來p時刻目標區(qū)域的地下水水位，根據(jù)未來p時刻目標區(qū)域的地下水水位得到未來p時刻目標區(qū)域地下水損耗速率；

5、儲水能力計算模塊，通過獲取目標區(qū)域的含水層的厚度、面積、孔隙率結(jié)合滲透系數(shù)計算目標區(qū)域的地下水儲水能力系數(shù)；

6、數(shù)據(jù)收集模塊，采集目標區(qū)域的歷史地下水回補訓(xùn)練數(shù)據(jù)，歷史地下水回補訓(xùn)練數(shù)據(jù)為地下水在回補下達到動態(tài)平衡的情況下采集的，歷史地下水回補訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括目標區(qū)域地下水水位、地下水損耗速率、地下水儲水能力系數(shù)和地下水回補量；

7、模型訓(xùn)練模塊，基于歷史地下水回補訓(xùn)練數(shù)據(jù)，訓(xùn)練預(yù)測出未來p時刻地下水回補量的機器學(xué)習(xí)模型，實時采集目標區(qū)域地下水水位、地下水損耗速率、地下水儲水能力系數(shù)，基于訓(xùn)練完成的機器學(xué)習(xí)模型預(yù)測出地下水回補量。

8、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：所述對目標區(qū)域的地下水的特征數(shù)據(jù)進行分析，預(yù)測未來p時刻目標區(qū)域的地下水水位的方法包括：

9、采用滑動窗口的方式將歷史地下水的特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練集，以訓(xùn)練預(yù)測未來p時刻目標區(qū)域地下水水位的機器學(xué)習(xí)模型；

10、使用滑動窗口方式生成的訓(xùn)練集作為機器學(xué)習(xí)模型的輸入，所述機器學(xué)習(xí)模型以未來p小時地下水水位的預(yù)測值為輸出，以實時地下水水位為預(yù)測目標，以最小化所有訓(xùn)練數(shù)據(jù)的預(yù)測準確度之和作為訓(xùn)練目標；其中，預(yù)測準確度的計算公式為：zk＝(ak-wk)2，其中，k為訓(xùn)練數(shù)據(jù)的編號，zk為預(yù)測準確度，ak為第k組訓(xùn)練數(shù)據(jù)對應(yīng)的預(yù)測地下水水位，wk為第k組訓(xùn)練數(shù)據(jù)對應(yīng)的實際地下水水位；對機器學(xué)習(xí)模型進行訓(xùn)練，直至預(yù)測準確度之和達到收斂時停止訓(xùn)練；所述機器學(xué)習(xí)模型為循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

11、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：根據(jù)未來p時刻目標區(qū)域的地下水水位得到未來p時刻目標區(qū)域地下水損耗速率為：

12、

13、式中，qp為地下水損耗速率，h為地下水水位，hp為預(yù)測的未來時刻p的地下水水位，p為時間間隔。

14、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：所述地下水儲水能力系數(shù)的表達式為：

15、

16、式中，dxscs為地下水儲水能力系數(shù)，φ為孔隙率，hh為含水層厚度，a為含水層面積；stxs為滲透系數(shù)，和為權(quán)重系數(shù)，和大于零。

17、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：所述預(yù)測出未來p時刻地下水回補量的機器學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練方法包括：

18、將采集到的歷史地下水回補訓(xùn)練數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的一組特征向量；

19、將每組特征向量作為所述機器學(xué)習(xí)模型的輸入，所述機器學(xué)習(xí)模型以每組目標區(qū)域地下水水位、地下水損耗速率和地下水儲水能力系數(shù)對應(yīng)的地下水回補量作為輸出，以每組目標區(qū)域地下水水位、地下水損耗速率和地下水儲水能力系數(shù)實際對應(yīng)的地下水回補量作為預(yù)測目標，以最小化所述機器學(xué)習(xí)模型損失函數(shù)值作為訓(xùn)練目標；當機器學(xué)習(xí)模型損失函數(shù)值小于或等于預(yù)設(shè)的目標損失值時停止訓(xùn)練。

20、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：還包括：

21、回補優(yōu)化模塊，使用地下水流數(shù)值模型模擬不同回補速率下的地下水位變化，并優(yōu)化回補量和速率；

22、所述地下水流數(shù)值模型為modflow模型，modflow模擬的是地下水的達西流動規(guī)律，即水流量與水力梯度和介質(zhì)滲透性成正比，modflow模型通過求解地下水流動方程來預(yù)測地下水水位和流動方向。

23、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：所述使用地下水流數(shù)值模型模擬不同回補速率下的地下水位變化，并優(yōu)化回補量和速率的方法包括：

24、定義模型域和網(wǎng)格劃分，選擇并定義研究區(qū)域，包括地下水回補區(qū)域和其周圍的影響范圍，將模型域劃分為規(guī)則的網(wǎng)格單元；

25、設(shè)定初始條件，輸入目標區(qū)域地下水位含水層的綜合參數(shù)，所述綜合參數(shù)包括含水層的厚度、面積、孔隙率、滲透系數(shù)；

26、設(shè)定補條件，輸入目標區(qū)域的實時降雨量s和目標區(qū)域?qū)崟r蒸發(fā)量z；

27、運行基線模擬，在沒有地下水回補的情況下觀察地下水位隨時間的自然變化；

28、設(shè)定方案進行運行模擬，即針對不同的回補速率，依次增加回補速率，分別運行模擬，記錄每種情況下的地下水位變化；

29、評估回補后的水位變化情況，是否達到預(yù)期的水位恢復(fù)，將達到預(yù)期水位恢復(fù)的回補方案設(shè)置標簽，進行匯總建立回補方案集合；

30、基于預(yù)測的回補量和預(yù)設(shè)的地下水回補速率閾值，對回補方案集合中回補方案進行分析優(yōu)化，基于剩下的回補方案集合中的回補方案，根據(jù)目標區(qū)域中的環(huán)境狀態(tài)，選取合適的回補方案。

31、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：將所述回補方案集合記為yh：

32、yh∈{(a1,b1,c1),(a2,b2,c2),...,(an,bn,cn)}，an為集合標簽為n時對應(yīng)的地下水回補量，bn為集合標簽為n時對應(yīng)的地下水回補時間，cn為集合標簽為n時對應(yīng)的地下水回補速率。

33、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：所述基于預(yù)測的回補量和預(yù)設(shè)的地下水回補速率閾值，對回補方案集合中回補方案進行分析優(yōu)化的方法包括：

34、當回補方案中an大于預(yù)測的回補量，將該回補方案從回補方案集合中剔除；

35、當回補方案中bn大于p時刻，將該回補方案從回補方案集合中剔除；

36、當回補方案中cn大于預(yù)設(shè)的地下水回補速率閾值，將該回補方案從回補方案集合中剔除。

37、作為上述技術(shù)方案的進一步描述：所述未來p時刻目標區(qū)域的降雨量s和目標區(qū)域的蒸發(fā)量z通過天氣預(yù)報獲得。

38、有益效果：

39、本發(fā)明提供的地下水回補動態(tài)平衡智能控制裝置，通過獲取目標區(qū)域的地下水的特征數(shù)據(jù)，采用滑動窗口的方式將歷史地下水的特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為訓(xùn)練集，以訓(xùn)練預(yù)測未來p時刻目標區(qū)域地下水水位的機器學(xué)習(xí)模型，預(yù)測未來p時刻目標區(qū)域的地下水水位，根據(jù)未來p時刻目標區(qū)域的地下水水位得到未來p時刻目標區(qū)域地下水損耗速率，然后再通過獲取目標區(qū)域的含水層的厚度、面積、孔隙率結(jié)合滲透系數(shù)計算目標區(qū)域的地下水儲水能力系數(shù)，然后將獲取的地下水損耗速率、地下水儲水能力系數(shù)，和實時采集目標區(qū)域地下水水位輸入到訓(xùn)練完成的機器學(xué)習(xí)模型預(yù)測出地下水回補量，從而精準地預(yù)測出地下水的回補量，保證了地下水回補量的控制精度，實現(xiàn)地下水的動態(tài)平衡；

40、進一步的，本發(fā)明還增設(shè)了回補優(yōu)化模塊，使用地下水流數(shù)值模型(modflow模型)模擬不同回補速率下的地下水位變化，通過模型模擬，可以在虛擬環(huán)境中測試不同的回補策略，避免了在現(xiàn)實中進行昂貴和耗時的試驗，通過模擬不同回補方案，可以確定最優(yōu)的地下水回補量和速率，確保在滿足需求的同時，避免過度回補或不足回補。優(yōu)化后的回補策略有助于實現(xiàn)水資源的可持續(xù)管理，確保地下水資源的長期可用性。