变化条件下吉林西部地下水的模拟与管理

发布时间：2018-02-05 23:33

本文关键词： 地下水数值模拟地下水优化管理模型克里格替代模型降水量预测基于正交数组的拉丁超立方抽样　出处：《吉林大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：由于长期以来吉林西部地区(研究区)的地表水(尤其是过境地表水)利用率不高,地下水成为区内工农业生产和居民生活供水的主要水源。多年来随着地下水开采量的不断增加,部分地区地下水位呈现持续下降的趋势,地下水过量开采、开采布局不合理和生态环境恶化等成为人们普遍关注的问题。为了缓解地下水的开采压力,保护生态环境,吉林西部近年来启动建设了一系列大型水利工程,包括“引嫩入白工程”、“哈达山水利枢纽工程”、“大安灌区工程”、“大型灌区改造工程”和“节水增粮行动”等,旨在将更多的过境地表水引入区内,主要用作农业灌溉,这些工程的修建和运行必然会对地下水的补排条件和平衡状况产生深刻的影响。因此,研究各新建大型水利工程对吉林西部地下水的影响,并建立变化条件下的地下水流数值模拟模型,对未来一段时间在这些工程影响下的地下水位变化和地下水均衡状况做出预报十分重要。地下水流数值模拟模型是指运用数学模型对地下水实际系统进行仿真模拟,是系统本身所遵循的物理、化学和生物原理及规律的数学描述,能够刻画系统的输入-输出响应关系,相当于地下水实际系统的复制品,对于自然条件和人为决策发生的变化,都可以运用模拟模型来预报其结果。但模拟模型只能解决给定输入决策下的预报问题,对于究竟选择哪种输入决策才能获得最优效果问题的解决则是软弱无力的。而优化模型(也称为运筹学模型)则能解决寻优的问题,即在给定的目标和约束条件下,通过对输入操控方案的优选,使目标达到最优。那么,为了避免研究区内局部地区由于地下水开采量过大而出现地下水位埋深过低,从而导致一系列生态环境问题的发生,可通过地下水优化管理模型的建立和求解,在满足一定约束条件的基础上,对地下水总的开采量在各抽水井群中进行合理的分配,获得最佳的地下水开采方案,最终使各区域内的地下水位埋深在进行开采后都能够满足所限制的要求。应该注意到,优化模型必须要以模拟模型为基础,用以保证优化模型的寻优过程一定是在遵循地下水实际系统固有原理和规律(由模拟模型来表达)的基础上进行的。因此,就需要通过某种方式和途径,把模拟模型嵌入到优化模型中,使之成为优化模型的组成部分,实现模拟模型与优化模型的连接。以往运用的嵌入法、响应矩阵法和状态转移方程法等都是用来解决这一问题的,但是,优化模型在进行求解运算时,要成百上千次的调用模拟模型,这几种方法存在计算负荷大、时间长等缺点,甚至会出现维数灾难。本次研究应用替代模型实现模拟模型与优化模型的连接,即建立模拟模型的克里格替代模型,并将其耦合到优化模型中,可以在满足精度要求的情况下,大大减少优化过程中的计算量。本文首先根据研究区的自然地理、地形地貌、地质和水文地质条件等建立了水文地质概念模型;在此基础上,考虑人类活动,尤其是近年来人工开采和各大型水利工程的影响,建立了地下水流数值模拟模型,并利用区内72口观测井的水位统测资料对模型进行了校正和检验;为了对模型进行预报,首先应用逐步回归分析与小波神经网络相结合的方法预测了预报期(2014~2023年)的降水量;然后根据是否考虑各新建大型水利工程的影响,为模型设定了两个预报方案,并对两个方案下研究区的地下水位和均衡状态响应情况进行了预报;选择最近典型代表年(2010年)作为均衡期,结合模拟计算结果,根据均衡期内研究区地下水的补给量和排泄量,分别以全区和各水文地质参数分区作为均衡区,进行了地下水均衡计算,并按照开采系数法对变化条件下的地下水可开采量进行了估算;选择长岭地区作为重点研究区,在模拟模型的基础上,应用基于正交数组的拉丁超立方抽样法对模拟模型的可控输入变量(抽水量)在其可行域内进行抽样,调用模拟模型得到输入-输出样本数据集;应用克里格法建立模拟模型的替代模型,利用输入-输出样本数据集对替代模型进行训练和检验;将经过检验的替代模型耦合到优化模型(含有目标函数和其他约束条件)中,建立地下水优化管理模型;采用遗传算法对优化模型进行求解,得到优化的地下水开采方案和地下水位埋深分布。通过对以上内容的研究,得出以下主要成果:⑴在研究区水文地质概念模型基础上所建立的变化条件下地下水流数值模拟模型,经过对模型的校正和检验,结果表明,模拟水位与实测水位之间的拟合程度很高,符合精度要求。说明所建立的模拟模型能够反映变化条件对研究区地下水的影响,可以作为地下水实际系统的代表,对未来研究区地下水位的变化情况进行预报。⑵应用逐步回归分析结合小波神经网络的方法,建立降水量预测模型。该模型的优点是,既保留了小波神经网络很强的模式识别能力和容错能力,又能避免由于降水量值的剧烈波动而导致的模型不稳定。经过对模型的训练和检验,结果表明,采用此方法预报降水量,比单独采用小波神经网络方法进行预报有更高的精度。应用此模型预报了研究区内6个气象站2014~2023(预报期)年的降水量,为下一步地下水位预报准备了条件。⑶结合各新建大型水利工程项目的规划和实施情况,制定了两个地下水开采方案预报情景:方案一是按目前(2013年)地下水开采量进行预报,不考虑各大工程的影响;方案二是在目前地下水开采现状基础上,考虑各工程对地下水的综合影响。预报结果表明,相对方案一来说,方案二条件下研究区地下水位下降幅度明显减小,说明各新建大型水利工程的运行对整个吉林西部地区的地下水有较大的影响,变化条件下地下水的负均衡状况得到改善。⑷选择最近具有代表性年份(2010年)作为均衡期,分别以全区和各水文地质参数分区作为均衡区,按照水量平衡法,结合模拟模型的计算结果,对研究区进行了地下水均衡计算。为了对均衡计算结果进行检验,将其与按照水位变幅计算的地下水储存量的变化量进行了比较,结果显示,2010年各均衡区总补给量和总排泄量之差与地下水储存量的变化量计算结果相差不大,计算误差在可以接受的范围之内,说明均衡计算的结果比较可靠。然后根据均衡计算结果,按照开采系数法对变化条件下全区和各水文地质参数分区的地下水可开采量进行了估算。其计算结果不仅能为区内控制地下水开采量提供科学依据,同时也能为优化模型提供可开采量约束条件。⑸选取长岭地区作为重点研究区,应用基于正交数组的拉丁超立方抽样法对模拟模型的可控输入变量(抽水量)在其可行域内进行抽样,结果表明,应用此方法所获得的抽水量样本相对于直接采用拉丁超立方抽样法进行抽样所获得的样本具有更好的均匀性;调用模拟模型得到输入-输出样本数据集,应用克里格法建立模拟模型的替代模型,利用输入-输出样本数据集对替代模型进行训练和检验,结果表明,在抽水量输入相同的情况下,模拟模型与替代模型的水位输出结果接近一致,说明在进行地下水优化管理模型的建立和求解过程中,可以采用克里格替代模型来代替原有的模拟模型,在满足精度要求的基础上,大大的减少计算量。⑹确定研究问题的目标函数和各约束条件,将所建立的克里格替代模型与优化模型进行耦合,建立地下水优化管理模型;采用遗传算法对模型进行求解,在满足区内地下水开采量需求、可开采量约束、各抽水井群最大抽水量限制和地下水位埋深限制要求的基础上,对总的地下水开采量在各抽水井群中进行合理的分配,获得最佳的地下水开采方案;按照优化后的地下水开采方案进行开采,可以使各抽水井群周围地下水位埋深在进行开采后都能够满足所限制的要求,从而有效的避免由于局部地区地下水开采量过大而导致的一系列生态环境问题。这些成果的取得从理论上来说,为地下水流数值模拟模型预报中的降水量预测探究了逐步回归分析结合小波神经网络方法这样一个更加有效的预测模型;将克里格替代模型引入到优化模型中,为地下水优化管理模型的建立探索出更加合理有效的技术;在获取替代模型的训练和检验样本(输入-输出数据集)过程中,应用了基于正交数组的拉丁超立方抽样技术,为抽水量样本的获取提供了更加可靠的工具。从实际意义上来讲,通过地下水流数值模拟模型的预报,确定了各大型水利工程对研究区地下水平衡状况的影响;通过地下水优化管理模型的建立和求解,则可以为更加合理的制定地下水开采方案提供科学依据,为研究区地下水资源的合理开发利用、生态环境保护发挥积极作用。
[Abstract]:Due to the low utilization rate of surface water ( especially in transit surface water ) in the western region of Jilin Province ( especially the surface water in transit ) , groundwater has become the main water source of industrial and agricultural production and water supply for residents . The numerical simulation model of groundwater flow is used to simulate the underground water level and the balance of groundwater . In order to forecast the underground water level in the study area , a model of groundwater flow simulation is established by using the method of stepwise regression analysis and wavelet neural network . In order to provide scientific basis for the calculation of groundwater in the western region of Jilin province , the results show that the model can be used instead of the original simulation model by using Kriging method . The influence of each large water conservancy project on the groundwater balance in the research area is determined . Through the establishment and the solution of groundwater optimization management model , it is possible to provide scientific basis for the more reasonable development of groundwater exploitation scheme , and play an active role in the rational exploitation and utilization of groundwater resources in the study area and the ecological environment protection .

【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P641.8

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