平原区地下水系统模拟与决策支持研究

大连理工大学博士学位论文平原区地下水系统模拟与决策支持研究姓名：刘玉珍申请学位级别：博士专业：水文学及水资源指导教师：王本德20080601平原区地下水系统模拟与决策支持研究作者：刘玉珍学位授予单位：大连理工大学相似文献(10条)1.期刊论文王金哲.张光辉.严明疆.聂振龙.申建梅.王莹.WANGJin-zhe.ZHANGGuang-hui.YANMing-jiang.NIEZhen-long.SHENJian-mei.WANGYing水坝建设对滹沱河流域平原区地下水系统干扰结果分析-南水北调与水利科技2009,7(4)在分析大量地下水实测数据的基础上,研究了黄壁庄水库修建及坝基防渗处理后滹沱河流域平原区浅层地下水的响应变化,结果表明:水库修建后,滹沱河经历了由常年有水到间歇性过水直至常年干涸的过程;在地表水补给不断减少的条件下,滹沱河流域平原区的浅层地下水则随之经历了由浅到深的变化过程;河水流量相同条件下,同一位置处的浅层地下水升幅减小;河水位与浅层地下水位的吻合关系不复存在.2.学位论文刘志明准噶尔盆地南缘地下水循环及环境演化研究2007选择我国西北地区的新疆准噶尔盆地南缘典型地区—玛纳斯河流域平原区作为研究区。该地区南起天山北麓的依连哈比尔尕山分水岭，北接古尔班通古特大沙漠，东起塔西河，西至巴音沟河。地理坐标为：E85°00'—E86°30'，N44°00'-N46°00'。总面积2.43万km2，其中山区面积1.12万km2，平原面积0.96万km2，沙丘面积0.35万km2。玛纳斯河流域地处欧亚大陆腹地，远离海洋，属于典型的温带大陆性干旱半干旱气候区，具有冬季寒冷，夏季炎热，春秋短暂，气温变化巨大，多风少雨，蒸发强烈等气候特征。平原区降水量约100～200mm，雨季为每年的5～9月份：蒸发量约1700mm；多年平均气温约6.5℃。平原区是北疆重要的工农业经济区，也是重要的军垦区。然而，随着人类活动的加强，尤其是水资源的开发利用程度的不断增大和水库的修建，使地下水补径排条件和地下水化学环境演化发生了根本性的变化，造成生态环境形势日益严峻，因而需要重新认识地下水循环和地下水化学环境演化规律。国内外许多同类问题的研究事例说明，环境同位素技术，结合水文地球化学方法，解决该类问题是有效的。因而有必要在研究区应用同位素技术和水—岩作用模拟技术开展地下水循环和地下水化学环境演化的研究工作，遵循地下水循环规律和地下水化学环境演化规律合理开采利用地下水资源，使当地社会经济与环境协调发展。本文在充分利用收集的地质、构造和水文地质等方面的资料基础上，系统总结准噶尔盆地的地质构造条件，并结合水文地质条件，划分准噶尔盆地的地下水系统，分析地下水系统与构造的关系，按含水介质类型和地下水类型细划分研究区—玛纳斯河流域地下水系统，重点阐述玛纳斯河流域平原区地下水系统的特征，之后，在分析玛纳斯河流域平原区水化学和同位素特征的基础上，运用氢氧同位素和碳同位素以及水—岩作用模拟技术系统分析水资源的来源、上下游关系、组成和循环以及地下水化学环境演化规律，最后，结合水资源开发利用引发的环境问题，提出地下水的合理开发利用建议。1.主要研究内容：(1)在收集前人地层、构造和新构造研究资料的基础上，进行整理和分析，系统总结准噶尔盆地的大地构造位置、地层岩性及分布、构造格局及褶皱断裂和新构造特征，阐述准噶尔盆地的形成和构造演化。(2)在简要回顾国内外地下水系统研究历史的基础上，按地下水流动系统特征，划分准噶尔盆地的地下水系统，并阐述地下水系统的水文地质特征及与构造格局之间的关系。按含水介质类型和地下水类型，对玛纳斯河流域地下水系统进行细划分，重点阐述北部平原区松散孔隙水含水系统的含水介质特征和输入输出特征。(3)在系统总结同位素技术和水—岩作用模拟技术的基础上，主要运用依托项目2003年地表水和地下水的水化学、氢氧同位素和碳同位素取样测试数据，并结合收集到的国际原子能机构(IAEA)大气降水氢氧同位素监测数据，对玛纳斯河流域平原区大气降水、地表水上下游、地下水上下游的水化学同位素分布特征进行分析，采用多种模型和方法，对地下水氚年龄和14C年龄分别进行求解和校正，之后，根据水文地质条件对年龄进行最终确定，并对地下水的年龄分布特征进行分析。(4)运用同位素技术，对玛纳斯河流域平原区地表水和地下水的来源、上下游关系、资源组成和循环特点进行较深入、细致地分析，总结该地区的水循环模式。选择一条合适的剖面，运用PHREEQC的反演模型(InverseModeling)对研究区浅层地下水的水化学演化进行定量模拟研究，分析浅层地下水化学组份的来源、形成机制和地下水化学环境演化的主要影响因素。2.取得的主要认识：(1)根据地下水流动系统，将准噶尔盆地地下水系统划分为6个二级地下水系统，即：额尔齐斯河地下水系统、乌伦古河地下水系统、塔城盆地地下水系统、玛纳斯河地下水系统、呼图壁—木垒地下水系统和奎屯河地下水系统．玛纳斯河地下水系统内部，按含水介质类型又可分为南部山区基岩裂隙含水系统和北部平原区松散岩类孔隙含水系统，北部平原区松散岩类孔隙含水系统按地下水类型又可进一步细分为潜水含水系统和承压水含水系统。(2)构成准噶尔盆地地下水系统的四周边界均为块体、亚板块或板块之间的碰撞缝合带、聚敛缝合带或缝合带。准噶尔盆地内部的二级地下水系统也不同程度地受到盆地内部的构造格局的影响。(3)玛纳斯河流域平原区的地表水、地下水主要补给来源于南部山区的大气降水(包括冰川水)。根据同位素混合模型，估算出山区地表水的组成为：山区大气降水80.3％，山区基岩地下水19.7％；上游地下水的组成为：当地大气降水4.8％，山区地表水83.5％，山区基岩地下水侧向量11.7％。(4)在玛纳斯河，中游(135团至平原水库，下同)地表水和地下水的转化关系发生了根本性的变化，由地表水补给地下水转变为由地下水主要补给地表水。地下水补给地表水的比重占到50％以上，当地降水占30.9～35.5％，而当地大气降水在中游补给地下水较微弱，只占1.3～7.8％。在下游(135团以北，下同)，地下水是玛纳斯河的主要补给来源，地下水的比重占到50％以上，中游地表水占5.9～20.3％。塔西河下游则不然，中游地表水仍占相当的比重，中游地表水占31.9～93.7％，地下水占6.3～68.1％．当地大气降水在下游补给地下水的比重明显增大，为26.1～76.9％。(5)玛纳斯河流域平原区存在一条经由地表水与中深层古水(数百年的与数千年以上的混合地下水)的主要混合线，其方程为：δ2H=17.50δ18O+93.90。地表水和浅层地下水蒸发线的方程分别为：62H=3.52δ18O—49.99(n=9，r=0.96)和δ2H=3.49δ18O—52.08(n=7，r=0.97)。(6)矿物相的溶解、析出和蒸发作用、稀释作用共同控制着地下水水化学的演化。从研究区上游(平原水库以南，下同)往下，方解石除个别样点外，始终处于析出状态，且析出量逐渐增大：白云石、硝石除个别样点外，始终处于溶解状态；长石类矿物、石膏、黑云母(云母)、氯化物始终处于溶解状态；钙蒙脱石和伊利石多数处于析出状态：部分样点的演化吸收二氧化碳气体。越往下游，由于地层岩性颗粒逐渐变细，水中矿物相迁入、迁出的数量逐渐增大，水—岩作用逐渐增强。(7)玛纳斯河流域平原区上游的水—岩作用主要受地表水或灌溉水入渗补给的影响，研究区中下游的水—岩作用主要受蒸发作用的影响。由于地表水或灌溉水的大量混入，局部的水化学演化往往不符合一般演化规律，甚至于往相反的方向演化，TDS呈下降趋势，产生复杂的过渡水化学类型。3.论文创新点：本文主要通过系统总结准噶尔盆地地质构造特征，划分地下水系统，阐述地下水系统与构造的关系，选择盆地南缘典型地区—玛纳斯河流域平原区，利用同位素技术和水—岩作用模拟技术进行水循环和地下水环境演化研究，取得了以下几个方面的进展。(1)在系统总结地质构造特征和划分地下水系统的基础上，阐述了区域地质构造对准噶尔盆地各级地下水系统具有控制作用和影响，并且重点阐述了玛纳斯河流域地下水系统的细划分和各子系统的输入输出特征。(2)运用同位素技术，结合水化学数据，较系统地分析了玛纳斯河流域平原区地表水、地下水的水化学和同位素特征，进而较系统、深入地分析了玛纳斯河流域平原区水资源组成、水循环规律和地下水年龄。(3)运用水—岩作用模拟技术对玛纳斯河流域平原区浅层地下水化学环境演化进行了尝试性研究，研究结果表明：矿物相的溶解、析出和蒸发作用、稀释作用共同控制着地下水水化学的演化，且由于地表水或灌溉水的大量混入，局部的水化学演化往往不符合一般演化规律，甚至于往相反的方向演化，TDS呈下降趋势，产生复杂的过渡水化学类型。3.期刊论文玛纳斯河流域山前平原区地下水系统模型研究-水动力学研究与进展A辑2005,20(5)新疆干旱少雨,冰川融水季节性较强,要满足工、农业的快速、持续发展,需合理有效地开采、利用地下水资源.玛纳斯河流域周边地区经济发展较快,以灌溉为主的农业生产及工业发展更离不开水资源的供给.本文分析了玛纳斯河流域平原区地下水资源赋存特点,依据开采区含水层水文地质特征,在对研究区边界及初始条件进行合理概化基础上建立了地下水系统模拟模型.考虑到地下水资源动态变化受人工开采型、水文-人工开采型、气候型等混合形式影响的特点,将水资源补给、排泄项划分到7个时段,研究区划分为620个单元和339个结点,采用有限元方法对模型进行数值离散,在边界条件及垂向水交换量进行动态模拟基础上对潜水和承压水非稳定流动态流场进行了拟合,拟合结果中误差小于0.5m的结点数超过总结点数的85%.得到了该区地下水系统水文地质参数,实现了地下水开采较大的冲洪积扇区较高精度的水资源动态模拟,同时为水资源变化预报预测提供了可靠参数及模型基础.4.学位论文魏连伟基于人工智能技术的地下水系统参数识别研究2003地下水系统的参数识别问题是水资源管理领域的一个难点,由于地下水系统参数取值的不合理,直接影响了水资源管理计算结果的可靠性,参数识别的研究在很长一段时期进展不大.该文利用神经网络、退火遗传算法等智能算法,通过算例以及实例,对这一问题进行了较为深入、系统的研究.首先在总结国内外学者关于地下水系统定义的基础上,分析了各种定义存在的缺陷和不足,从系统的角度出发,提出了地下水系统的概念,并对地下水系统的组成和特性进行了较为系统的分析;在此基础上,对地下水系统的数学模型及其求解方法进行了较为系统的论述.综述了近年来快速发展的智能方法及算法,如神经网络方法、遗传算法、模拟退火、禁忌搜索、混沌搜索、蚂蚁算法等,并对这些算法的混合算法进行了初步探讨.设计开发了多种地下水系统参数识别的智能方法.对基于BP神经网络的地下水系统参数识别进行了研究,并且提出了地下水系统参数识别的RBF神经网络方法,设计了算法步骤.算例研究表明,不仅算法可行,而且由于RBF神经网络的局部逼近能力,使得RBF神经网络对于地下水系统参数识别具有更好的效果.建立了地下水系统参数识别的非线性优化模型,研究了遗传算法、模拟退火算法以及退火遗传算法在地下水系统参数识别中的应用,设计了算法应用步骤.通过算例研究,表明上述算法可行,且RBF神经网络方法和退火遗传算法对地下水系统参数的识别效果都较好,而退火遗传算法较之标准的遗传算法具有更好的收敛性将算法应用到北京市密怀顺地区,在收集、分析研究区资料基础上,建立了北京市密怀顺平原区地下水模拟模型,并用遗传算法进行了地下水系统参数识别,在十四个分区情况下,计算水位与实际水位拟合的较好,各应力期末的计算与实测等水位线基本一致,表明该识别值较为合理.为密怀顺平原区水资源管理提供了科学依据.5.会议论文王冠丽.刘廷玺.马立新开采状态下平原区地下水资源的分区动态评价——以通辽市科尔沁区为例2006平原区是流域地下水资源的富集地与汇集、开采中心,人口聚集,人为干扰强烈,导致地下水系统脱离了天然状态,地下水系统的补排关系发生了明显变化,因而其水资源量也随着地下