地下水管理模型中互馈协变关系理论和方法研究

论文摘要

在地下水系统的数值模拟和优化管理中,需要考虑地下水系统与周围环境之间的相互联系和作用,尤其是地下水与其它水体的水力联系和交换量。其中有一类交换量(如泉流量),其大小严格依赖于补排点处地下水位的高低,把这类交换量称为协变量。把人工采补量、协变量、地下水位之间的相互作用关系称为互馈协变关系。本文提出了地下水管理模型中处理互馈协变关系问题的新理论和新方法。首先,针对不同类型的协变量,建立了描述协变量与地下水位之间关系的数学表达式,将该表达式嵌入到地下水模拟模型中,建立了含有协变量的地下水模拟模型,采用有限单元法进行求解。其次,在地下水管理模型中,用响应矩阵法建立了描述互馈协变关系的数学表达式,并将该表达式作为优化模型的附加等式约束条件,构建了含有协变量的地下水管理模型。然后,将本文提出的理论和方法应用到一个典型的具有广泛代表性的假想地下水系统中,建立了假想地下水系统的含有协变量的地下水管理模型。用单纯形法进行求解,与嵌入法建立的地下水管理模型的计算结果进行对比。结果表明,含有协变量的地下水管理模型得到的最优解(即最优开采量)与嵌入法建立的地下水管理模型得到的最优解基本相同,从而验证了本文建立的含有协变量的地下水管理模型的正确性。为了便于求解复杂、非线性的实际地下水管理模型,引入模拟退火遗传算法对含有协变量的地下水管理模型进行求解。该算法不仅具有强大的全局寻优能力和局部搜索能力,而且具有较快的收敛速度和较高的优化精度。此外,用Fortran 90语言编制了含有协变量的地下水系统模拟和管理的程序,同步解出了优化的人工采补量、地下水位及协变量。

论文目录

• 内容提要
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及研究意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 国内外研究现状与进展
• 1.2.1 地下水资源管理模型研究进展
• 1.2.2 模拟退火遗传算法研究进展
• 1.3 研究内容与技术路线
• 1.4 创新点
• 第二章 地下水资源管理模型概述
• 2.1 地下水资源管理模型的组成
• 2.2 地下水资源管理模型的分类
• 2.3 地下水系统模拟模型与优化模型的耦合方法
• 2.3.1 嵌入法
• 2.3.2 响应矩阵法
• 2.3.3 嵌入法和响应矩阵法的对比
• 2.4 地下水资源管理模型的建立步骤
• 2.5 本章小结
• 第三章 地下水管理模型中处理互馈协变关系的理论和方法
• 3.1 含有协变量的地下水模拟模型
• 3.1.1 协变量与地下水位之间关系的数学表达
• 3.1.2 含有协变量的地下水模拟模型的建立和求解
• 3.2 含有协变量的地下水管理模型的建立
• 3.3 本章小结
• 第四章 含有协变量的地下水管理模型的求解方法
• 4.1 遗传算法
• 4.1.1 遗传算法概述
• 4.1.2 遗传算法的基本步骤
• 4.1.3 遗传算法的运行参数
• 4.1.4 遗传算法的改进方法
• 4.2 模拟退火算法
• 4.2.1 模拟退火算法概述
• 4.2.2 模拟退火算法的基本步骤
• 4.2.3 模拟退火算法的运行参数
• 4.2.4 模拟退火算法的改进方法
• 4.3 模拟退火遗传算法
• 4.4 约束条件的处理
• 4.5 本章小结
• 第五章 含有协变量的地下水系统模拟和管理的程序设计与实现
• 5.1 预处理
• 5.2 程序的组成及建立步骤
• 5.3 程序的性能评价
• 第六章 假想地下水系统互馈协变关系研究
• 6.1 假想地下水系统
• 6.2 水文地质概念模型
• 6.3 数学模拟模型
• 6.4 含有协变量的地下水管理模型的建立及验证
• 6.4.1 嵌入法地下水管理模型的建立
• 6.4.2 含有协变量的地下水管理模型的建立
• 6.4.3 含有协变量的地下水管理模型的验证
• 6.5 含有协变量的地下水管理模型的求解——SAGA
• 6.5.1 模拟退火遗传算法的运行参数
• 6.5.2 模拟退火遗传算法的运行结果及分析
• 6.6 本章小结
• 第七章 结论及建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻博期间发表的学术论文及其它成果
• 附录1 程序标识符说明
• 附录2 数据输入格式
• 附录3 Fortran 语言源程序
• 摘要
• Abstract