平原区地下水系统模拟与决策支持研究

论文摘要

水是基础性的自然资源和战略性经济资源。地下水资源是水资源的重要组成部分,也是我国的重要供水水源。我国人口居住和经济活动主要集中在平原区,地下水开发利用也主要集中在平原区,大多数超采区和有潜力区都分布在平原区,因不合理开发利用地下水引发的各种生态环境问题和地质灾害也都发生在平原区。辽宁省是我国水资源严重短缺的省份之一,地下水是重要的供水水源,中部平原区人口密集、工农业发达,水资源供需矛盾突出。本文重点对地下水系统及相关参数的模拟模型和分析方法进行研究,构建典型区地下水系统数值模拟模型,并以地下水可持续利用理念为指导,对区域地下水开发利用方案进行评价,建立相应的评价模型,为社会、经济和环境的可持续发展提供理论依据和决策支撑,进一步丰富和发展平原区地下水系统及相关参数模拟的理论和方法。主要研究内容和成果:(1)灵敏度分析法确定水文地质参数的计算模型研究水文地质参数是地下水资源评价及开发利用决策的重要基础数据,抽水试验法是确定水文地质参数的主要方法。本文根据非稳定流抽水试验,采用灵敏度分析法研究建立水文地质参数的评价模型。以泰斯方程为例,介绍灵敏度分析法确定水文地质参数的基本原理及求解过程,首次提出了5种地层特征、12类井型的降深和灵敏度系数的代数计算模型,拓宽了灵敏度法求解水文地质参数的应用范围,解决了目前只能在泰斯假设条件下利用非稳定流试验数据确定水文地质参数的难题。通过实例应用表明,该方法原理简单、高效实用并具有客观性。(2)可变水文地质参数概化模拟方法研究地下水数值模拟中,大都是根据实际的水文地质条件进行参数分区,对于在同一参数分区内的单元认为其水文地质参数是相同的常数值。由于地下含水层的空间变异性,这样就不可避免地给模拟结果带来一定误差。因此本文考虑地下含水层的成层沉积特性,提出了可变水文地质参数的模拟方法,研究探索了以等值线且考虑参数垂向动态变化的方法来概化模拟区域水文地质参数,突破了常规的分区法。既考虑了平面范围内的趋势变化,又考虑了垂直方向的层状变化,在数值模拟过程中,开采含水层的水文地质参数值是随着水位变化而变化的可进一步提高模拟精度。(3)地下水补给与排泄模数计算方法在地下水系统数值模拟中,地下水补给排泄模数等参数是影响模拟精度的重要因素。本文以辽宁省平原区为例,广泛搜集了历史试验资料,参考相关的技术规范,系统地总结归纳了各项补给排泄模数的计算方法,包括降雨入渗补给模数、内河渗漏补给模数、灌区干及分干渠渗漏补给模数、排水干及分干沟渗漏补给模数、水田田面渗漏补给模数、坑泡渗漏补给模数、潜水蒸发模数、咸淡水边界补排模数及二类河道边界的补排模数等。研究成果为本文进一步构建地下水系统数学模型提供了参数准备,同时也可为建立辽宁省平原区标准参数集奠定基础,为我国北方地区相关参数的研究提供借鉴。(4)平原区地下水系统数值模拟研究构建地下水系统数值模拟模型是定量研究地下水评价与开发利用的基础性工作,本文结合实例,建立了典型区地下水系统数学模型,采用修正有限元法对模型进行二维数值离散,并将本文各项参数的研究结果应用到模型中,采用地下水流场和剖分节点水位误差统计方法进行模型校核和检验。结果表明,该模型精度较高。模型的建立,为进一步研究地下水资源管理及可持续利用问题奠定了基础,对我国同类地区的模型研究及评价工作具有一定的参考价值。(5)地下水资源可持续利用决策方案评价以地下水可持续利用为目的,考虑自然、经济、技术、生态等多个因素,提出了实现平原区地下水可持续利用的评价指标体系;依据地下水可持续利用的理念,拟定了研究区地下水开发利用原则,设计多种开发方案并进行了方案模拟;根据确立的评价指标和模拟结果,采用数学权重和物理权重综合分析法,应用模糊优选迭代模型与多目标结构性决策模型,建立了地下水资源可持续利用的方案评价模型,为宏观规划决策提供了技术支持。(6)提高机电井单井效益优化模型从提高单个机电井的效益入手,科学分析局部地区的地下水状况、机电井状况以及农业灌溉等状况,以经济效益最大和生态效益最优为目标,引用模糊数学的概念,构建了提高单井效益的优化模型,突破了目前多以经济效益最大为目标的研究。为区域农业可持续发展规划,优化种植结构,合理配置地下水资源提供了理论依据。(7)地下水资源可持续利用及保护模式依据地下水开发利用中存在的主要问题,从地下水总体发展战略、地下水全局开发利用策略以及富含水区和漏斗区的开发利用策略等方面,提出四种地下水开发利用与保护模式,既不能盲目开采,引发一系列环境地质问题,也不能矫枉过正,一味禁采和限采。四种模式即开发与保护并重的地下水资源可持续利用模式、地下水与地表水联合利用开发模式、以限采回灌等手段控制超采区环境恶化的保护模式、在地下富含水区充分利用地下水库调蓄作用的开发模式,为确定平原区地下水可持续开发利用战略提供借鉴。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景
• 1.1.1 地下水资源概况
• 1.1.2 地下水资源开发利用中的问题
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 地下水系统数值模拟研究进展
• 1.2.2 根据抽水试验确定水文地质参数方法的研究进展
• 1.2.3 地下水资源开发利用和管理的发展现状
• 1.3 论文研究内容
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 论文结构框架
• 2 灵敏度分析法确定水文地质参数的模型研究与应用
• 2.1 根据抽水试验资料评价水文地质参数的几种常用方法
• 2.1.1 标准曲线对比法
• 2.1.2 直线图解法
• 2.1.3 曲线拐点法
• 2.1.4 恢复试验法
• 2.2 灵敏度分析法确定水文地质参数的基本原理及计算步骤
• 2.2.1 基本原理及计算模型
• 2.2.2 计算步骤
• 2.3 各种类型特征含水层的降深及灵敏度系数计算模型
• 2.3.1 无外界补给的承压含水层降深模型及灵敏度系数模型
• 2.3.2 有单侧直线边界影响的承压含水层降深模型及灵敏度系数模型
• 2.3.3 有地下径流补给的承压含水层降深模型及灵敏度系数模型
• 2.3.4 弱透水层很薄，非抽水含水层补给充分的半承压含水层降深模型及灵敏度系数模型
• 2.3.5 弱透水层较厚，非抽水含水层补给充分的半承压含水层降深模型及灵敏度系数模型
• 2.4 实例应用
• 2.5 本章小结
• 3 地下水系统数值模拟中的参数模拟方法
• 3.1 可变水文地质参数概化模拟方法研究
• 3.1.1 总体思路
• 3.1.2 主要方法及步骤
• 3.2 平原区地下水补给与排泄模数计算方法
• 3.2.1 降雨入渗补给模数
• 3.2.2 内河渗漏补给模数
• 3.2.3 地表水灌区干、分干渠渗漏补给模数
• 3.2.4 排水干、分干沟渗漏补给模数
• 3.2.5 水田田面渗漏补给模数
• 3.2.6 坑泡渗漏补给模数
• 3.2.7 潜水蒸发模数
• 3.2.8 咸淡水边界地下水排泄模数
• 3.2.9 二类边界渗漏补给模数
• 3.3 本章小结
• 4 地下水系统数值模拟研究
• 4.1 数学模拟模型的建立
• 4.1.1 数学模拟模型
• 4.1.2 数值计算方法的确定
• 4.2 实例研究
• 4.2.1 研究区概况
• 4.2.2 水文地质参数模拟
• 4.2.3 均衡时段的划分
• 4.2.4 模型识别
• 4.2.5 模型检验
• 4.3 模拟结果精度分析
• 4.4 本章小结
• 5 地下水资源利用决策支持研究
• 5.1 地下水资源可持续利用方案模拟
• 5.1.1 地下水资源可持续开发利用基本原则
• 5.1.2 地下水开发方案设计及方案模拟
• 5.2 地下水资源可持续利用方案评价
• 5.2.1 地下水资源可持续利用评价指标的确定
• 5.2.2 地下水资源可持续利用多目标结构性决策支持方法
• 5.2.3 地下水资源可持续利用方案决策支持评价
• 5.3 提高机电井单井效益研究
• 5.3.1 提高机电井单井效益优化方法
• 5.3.2 实例应用
• 5.4 平原区地下水资源可持续开发利用及保护模式
• 5.4.1 地下水资源开发利用状况及存在问题
• 5.4.2 可持续开发利用与保护模式
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 主要研究结论
• 6.2 主要创新性成果
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢