干旱绿洲区分布式三维水盐运移模型研究与应用实践

论文摘要

水资源综合评价,要求地表水资源和地下水资源、水量和水质同时评价;同样,水资源合理配置,要求地表水和地下水统一调配,水量配置的同时要兼顾用水户对水质的不同需求。为了适应这一要求,在分析干旱绿洲区水资源利用与转化及盐分迁移的特点的基础上,研究了以耗水计算为中心、统筹地表水盐和地下水盐的干旱绿洲区分布式三维水盐运移模型,并以焉耆盆地为例进行了实践性的应用。本研究将干旱绿洲区概括地划分为灌溉单元、城乡单元和生态单元等三类计算单元,以模块化设计理念的MODFLOW为基本框架,分别建立各类计算单元的耗水计算程序包,构成与地下水流过程（GWF）的源汇项相联系的干旱绿洲区耗水过程（OCU）;并根据水盐平衡基本原理,将耗水计算、河道流量演算、井流计算及地下水溶质运移过程（GWT）的相关变量耦合联立,构成均衡体水盐平衡过程（WSB）;GWF、GWT、OCU和WSB等过程的整体结合,即形成本研究的主体模型。因研究区内博斯腾湖水循环和盐分迁移的特殊性,还研究建立了适应于博斯腾湖的吞吐型湖泊水盐调控模型。鉴于模型数据前后处理的复杂性,探索性地研究了结合3S（RS, GIS, GPS）技术的数据获取与处理方法。在焉耆盆地平原绿洲区的应用实践中,得到以下几点结论:（1）应用水文小波分析法对研究区主要地表来水的年际变化特征进行分析,得到开都河主要存在6a、10a、15a和38a等四个主周期;黄水沟和清水河主要存在10a和6a两个中短期主周期。（2）近年焉耆盆地绿洲区生态耗水量仅占31%左右;从利于社会发展和生态环境保护的双重角度考虑,目前绿洲区水土开发已经过度饱和,超越了开都河-孔雀河流域水资源的承载能力;不宜继续扩大耕地面积,可维持土地利用的现状。（3）从适宜生态水位（地下水埋深2～4m）的角度考虑,绿洲区农区地下水开发利用程度过低,地下水埋深普遍低于2m;非农区渠道防渗率偏高,致使地下水补给少而地下水埋深大于5m;应适度地优先开采地下水用于农业灌溉。（4）焉耆盆地近期规划可增加进入博斯腾湖的总水量,如果合理调节宝浪苏木分水枢纽的分水比例及大、小湖区的出湖水量,博斯腾湖既可在安全水位间运行且水质可逐年改善。（5）焉耆盆地近期规划实施的工程项目对博斯腾湖的水环境是有利的,博斯腾湖水环境向良性循环发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状与进展
• 1.2.1 区域水盐平衡模型
• 1.2.2 地下水数值模拟
• 1.2.3 地表水与地下水耦合模拟
• 1.2.4 小波分析在水文学中的应用进展
• 1.2.5 焉耆盆地研究现状
• 1.2.6 综述小结
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 技术路线
• 第二章 干旱绿洲区分布式三维水盐运移模型
• 2.1 干旱绿洲区水循环与盐分迁移特征
• 2.1.1 水资源的形成和散耗
• 2.1.2 水资源利用与转化
• 2.1.3 盐分迁移的特点
• 2.2 模型构建思路及其功能
• 2.2.1 模型构建思路
• 2.2.2 模型的基本功能
• 2.2.3 应用潜力与目标
• 2.3 MODFLOW 原理及其过程
• 2.3.1 MODFLOW 设计概念
• 2.3.2 MODFLOW-GWF
• 2.3.3 MODFLOW-GWT
• 2.4 干旱绿洲区耗水过程（OCU）
• 2.4.1 农区耗水子程序包（FRM）
• 2.4.2 非农区耗水子程序包（OFM）
• 2.5 水盐平衡过程（WSB）
• 2.5.1 WSB 原理及其解决方案
• 2.5.2 均衡体的划分与编号约定
• 2.5.3 均衡体水体平衡原理
• 2.5.4 均衡体盐平衡原理
• 2.5.5 供需水计算与平衡方程
• 2.6 模型数据需求
• 2.7 GUI 设计与构想
• 2.8 小结
• 第三章 研究区概况
• 3.1 地理位置
• 3.2 气象
• 3.3 地质地貌特征
• 3.4 土壤和植被
• 3.5 水质
• 3.6 水利工程概况
• 3.6.1 引水工程
• 3.6.2 灌溉工程
• 3.6.3 提水工程
• 3.6.4 排水工程
• 3.7 社会经济概况
• 3.8 环境变化
• 第四章 地表水文过程分析与预测
• 4.1 数学方法与模型
• 4.1.1 径流年内分配特征的量化分析
• 4.1.2 水文系统多时间尺度小波分析法
• 4.1.3 水文系统小波预测方法
• 4.2 焉耆盆地地表水系概况
• 4.2.1 开都河
• 4.2.2 黄水沟
• 4.2.3 清水河
• 4.2.4 乌拉斯台河及其支流
• 4.2.5 北部小溪
• 4.3 地表水文过程分析
• 4.3.1 开都河大山口站径流分析
• 4.3.2 黄水沟站径流分析
• 4.3.3 清水河克尔古提站径流分析
• 4.4 地表水文过程预测
• 4.5 小结
• 第五章 水文地质特征及地下水系统分析
• 5.1 第四系含水系统特征
• 5.1.1 第四系含水系统介质组成
• 5.1.2 第四系含水系统结构
• 5.2 第四系地下水流动系统划分
• 5.2.1 平面流动系统
• 5.2.2 剖面流动系统
• 5.3 第四系孔隙水系统的补给与排泄
• 5.3.1 河流、渠系的渗漏补给
• 5.3.2 灌溉水渗漏补给
• 5.3.3 山区河谷地下径流对盆地的侧向补给
• 5.3.4 盆地内大气降水入渗补给
• 5.4 第四系地下水系统水化学特征
• 5.5 地下水系统水位及矿化度动态分析
• 5.5.1 第四系地下水系统水位动态特征
• 5.5.2 地下水矿化度动态分析
• 5.6 小结
• 第六章 绿洲区耗水与水盐平衡分析
• 6.1 模型的构建
• 6.1.1 格网剖分与分层
• 6.1.2 均衡面的划分
• 6.1.3 时间离散
• 6.1.4 边界条件
• 6.2 数据准备及其获取
• 6.2.1 地表高程数据
• 6.2.2 三类单元分布数据
• 6.2.3 灌区建设数据
• 6.2.4 作物类型数据
• 6.2.5 包气带土壤类型数据
• 6.2.6 生态单元数据
• 6.2.7 城乡单元数据
• 6.2.8 水系分支与分段
• 6.3 模型率定与检验
• 6.3.1 初始参数拟选
• 6.3.2 率定与检验过程
• 6.3.3 参数率定结果
• 6.4 绿洲区耗水分析
• 6.4.1 耗水量分析
• 6.4.2 耗水分布分析
• 6.5 灌区水盐平衡分析
• 6.5.1 水土平衡分析
• 6.5.2 供需水与盐平衡分析
• 6.6 小结
• 第七章 博斯腾湖水环境与可调出水量预测
• 7.1 博斯腾湖水循环与盐分迁移特点
• 7.1.1 水循环特点
• 7.1.2 盐分迁移特点
• 7.2 调控模型的构建及其实现
• 7.2.1 模型的基本原理
• 7.2.2 参数率定与模型验证
• 7.2.3 控制指标及其调控方法
• 7.3 1960～2003 年水盐变化
• 7.3.1 资料分析
• 7.3.2 水盐历史变化
• 7.4 情景方案预测分析
• 7.4.1 情景设置与预测方法
• 7.4.2 调控分析
• 7.4.3 水盐变化趋势
• 7.4.4 情景B 与情景A 比较分析
• 7.4.5 可调出水量分析
• 7.5 小结
• 第八章 结语与展望
• 8.1 主要成果及创新点
• 8.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介