可视化地下水流数学模型的实现与应用

论文摘要

地下水是我们生活中不可缺少的自然资源。随着现代工农业的迅速发展,人类对地下水资源的合理开发和有效利用,逐渐成为了学术界所关注的焦点。我们主要利用数值模拟的方法来进行定量研究。它采用离散化的思想,即将待研究含水区域离散分为若干个子区域来求解数学模型。最终用所得到的数值解逼近实际解,从而对地下水位进行预测分析。数值模拟方法的使用过程中伴随着大量的输入、输出数据。这就需要一个模拟平台来组织处理,因此,可视化的数值模拟软件应用而生。本文对地下水流数值模拟的难点问题进行了深入的研究,介绍了一个基于windows操作系统的地下水模拟系统的开发和应用。本软件在二维模型下,为用户提供可视化的操作和显示。它为专业的地质测绘人员提供了一个强大的可视化操作界面。它利用数值模拟方法进行建模,真实的反映出了真实世界地下水流的流动,且开创了我国可视化模拟地质软件的先河。本文的具体工作如下：(1)介绍了国内外有关地下水资源评价中数学模型的研究现状、研究方向和进展情况,阐述了软件的各个程序包及模块的特点,论述了地下水数值模拟的主要技术。(2)详细阐述了非均质承压含水层数学模型和数值方法的基本原理。实现了求解非均质承压含水层模型的一种正演算法——交替迭代隐式方法。(3)基于传统模拟退火算法,应用遗传算法,提出了一种改进模拟退火遗传算法,它利用了遗传算法的全局优化和保留精英个体的思想,解决了遗传算法早熟的缺点,并使整个算法具有良好的局部搜索性能。以非均质承压含水层为例,用该算法对地下水流数值模型的参数进行了反演计算。计算结果表明,该算法解决了传统全局优化算法收敛缓慢、迭代繁琐的缺点,具有高精度,高并行性等优点。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 研究内容和组织结构
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 组织结构
• 第二章 系统整体设计
• 2.1 系统建模过程
• 2.1.1 选择模型种类
• 2.1.2 确定水文地质环境特征
• 2.1.3 网格剖分
• 2.1.4 整理和输入所需参数值
• 2.1.5 利用相关算法求解并运行程序
• 2.1.6 识别校正及评估
• 2.2 系统总体架构
• 第三章 前处理
• 3.1 网格剖分
• 3.1.1 网格剖分分类
• 3.1.2 网格剖分设计
• 3.2 参数分区
• 3.2.1 参数输入工具的设计
• 第四章 模型计算
• 4.1 正演计算介绍
• 4.1.1 理论基础
• 4.1.2 边界条件
• 4.1.3 初始条件
• 4.2 地下水流数学模型的正演数值解法
• 4.2.1 有限差分方法
• 4.2.2 显式方法及隐式方法
• 4.2.3 交替迭代隐式（ADI）方法
• 4.2.4 追赶法解三对角方程组
• 4.3 地下水流数学模型的正演算法实现
• 4.3.1 One-line子程序
• 4.3.2 程序流程图
• 4.4 反演计算
• 4.4.1 理论基础
• 4.4.2 简单遗传算法和模拟退火算法
• 4.4.3 改进模拟退火遗传算法
• 4.4.4 算法的设计与实现
• 4.4.5 地下水数值模型应用实例
• 4.4.6 结论
• 4.5 计算模块的设计
• 4.5.1 计算过程的控制
• 4.5.2 window平台与MATLAB接口的设计
• 4.5.3 多线程计算
• 第五章 后处理
• 5.1 图形显示
• 第六章 总结与展望
• 6.1 工作总结
• 6.2 未来研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 发表文章目录
• 个人简况及联系方式