华北平原大型区域地下水流数值模型的构建与应用

论文摘要

华北平原是我国北方地区重要的经济核心地区和农业基地，主要以地下水作为供水水源。随着社会经济的快速发展，该地区目前面临严重的水资源短缺情况，而长期超量开采地下水，也引发了华北平原地下水位持续下降、地面沉降等环境问题。因此，有必要建立华北平原大型区域地下水流数值模型，利用模型对该地区地下水资源进行精确的评价，为合理开发利用华北平原地下水资源提供有效的科学依据。为提高华北平原区域地下水流数值模型的运行效率和对大批量数据处理的能力，本次研究首先从地下水模型程序MODFLOW入手，针对其在面状补排量数据处理方面的不足，对现有的RCH子程序包进行了改进，并开发出新的RAW子程序包。通过理想地下水流数值模型算例，对程序的正确性进行验证并测试了其性能。结果显示改进后和新开发子程序包在数据输入和读取方面的效率大大提高；新开发RAW程序包还实现了垂向上多层面状补排量的处理功能。另外，为使模型能够准确刻画华北平原地下水开发利用现状，本次研究还根据水量均衡原理，提出了地下水开采量反演方法，并设计了基于MODFLOW的开采量反演流程。本次研究中的华北平原大型区域地下水流数值模型是在原华北平原地下水流模型的基础上，运用改进后的MODFLOW程序建立的。模型剖分网格规格为1000×1000m2，比原模型精度提高了16倍；并且模拟期也由原来的2002-2003年扩展为2001-2010年。通过对浅、深层地下水流场进行拟合，完成模型初步识别后，结合已有的2001-2008年地下水位观测数据，利用提出的反演方法，实现了对华北平原开采量的反演估算，获得了华北平原2001-2008年各年的地下水开采量，其平均年开采量为234.36108m3。将反演后的开采量数据带入模型进行运算后，也得到了较反演前更好的水位过程线和流场拟合效果。最后根据2001-2010年模拟结果进行水均衡分析，对华北平原地下水多年平均补给资源量、可开采资源量进行了评价。结果表明2001-2010年华北平原浅层含水层补给资源量为242.07108m3/a，地下水总可开采资源量为191.51×108m3/a。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 华北平原地下水资源研究现状
• 1.2.2 区域地下水流数值模型研究现状
• 1.2.3 地下水开采量估算研究现状
• 1.2.4 存在的问题
• 1.3 研究内容与创新点
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 1.3.3 主要创新点
• 第2章 地下水模型程序的改进与开采量反演方法研究
• 2.1 地下水模型程序 MODFLOW 的改进
• 2.1.1 地下水模型程序 MODFLOW
• 2.1.2 RCH 子程序包的优化改进
• 2.1.3 RAW 子程序包的创建
• 2.1.4 测试分析
• 2.2 地下水开采量反演方法研究
• 2.2.1 反演原理
• 2.2.2 反演方法
• 2.3 小结
• 第3章 华北平原区域水文地质概况
• 3.1 自然地理概况
• 3.1.1 地理位置
• 3.1.2 地形地貌
• 3.1.3 气象和水文
• 3.2 水文地质条件
• 3.2.1 地下水含水层特征
• 3.2.2 地下水补径排情况
• 3.2.3 地下水动态
• 3.3 地下水开发利用及环境问题
• 3.3.1 地下水开发历史与现状
• 3.3.2 环境地质问题
• 3.4 小结
• 第4章 华北平原地下水流数值模型
• 4.1 水文地质概念模型
• 4.1.1 水文地质结构
• 4.1.2 模型范围及边界条件
• 4.1.3 地下水流场及特征
• 4.1.4 水文地质参数
• 4.1.5 源汇项的确定与处理
• 4.2 地下水流数值模型
• 4.2.1 数学模型
• 4.2.2 子程序包选择
• 4.2.3 模型空间离散
• 4.2.4 模拟期的选择
• 4.3 模型初步识别验证
• 4.3.1 识别验证原则
• 4.3.2 流场拟合
• 4.3.3 水文地质参数分析
• 4.4 地下水开采量反演结果
• 4.4.1 反演结果
• 4.4.2 反演后流场拟合
• 4.4.3 水位过程线拟合
• 4.5 小结
• 附图
• 第5章 华北平原区域地下水均衡分析与资源量评价
• 5.1 地下水均衡分析
• 5.2 地下水资源评价
• 5.2.1 地下水资源评价原则
• 5.2.2 地下水补给资源量评价
• 5.2.3 地下水可开采资源量评价
• 5.3 小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 存在问题和建议
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历