本文關(guān)鍵詞： 地下水數(shù)值模擬 地下水優(yōu)化管理模型 克里格替代模型 降水量預(yù)測 基于正交數(shù)組的拉丁超立方抽樣　出處：《吉林大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：由于長期以來吉林西部地區(qū)(研究區(qū))的地表水(尤其是過境地表水)利用率不高,地下水成為區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活供水的主要水源。多年來隨著地下水開采量的不斷增加,部分地區(qū)地下水位呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢,地下水過量開采、開采布局不合理和生態(tài)環(huán)境惡化等成為人們普遍關(guān)注的問題。為了緩解地下水的開采壓力,保護生態(tài)環(huán)境,吉林西部近年來啟動建設(shè)了一系列大型水利工程,包括“引嫩入白工程”、“哈達山水利樞紐工程”、“大安灌區(qū)工程”、“大型灌區(qū)改造工程”和“節(jié)水增糧行動”等,旨在將更多的過境地表水引入?yún)^(qū)內(nèi),主要用作農(nóng)業(yè)灌溉,這些工程的修建和運行必然會對地下水的補排條件和平衡狀況產(chǎn)生深刻的影響。因此,研究各新建大型水利工程對吉林西部地下水的影響,并建立變化條件下的地下水流數(shù)值模擬模型,對未來一段時間在這些工程影響下的地下水位變化和地下水均衡狀況做出預(yù)報十分重要。地下水流數(shù)值模擬模型是指運用數(shù)學模型對地下水實際系統(tǒng)進行仿真模擬,是系統(tǒng)本身所遵循的物理、化學和生物原理及規(guī)律的數(shù)學描述,能夠刻畫系統(tǒng)的輸入-輸出響應(yīng)關(guān)系,相當于地下水實際系統(tǒng)的復(fù)制品,對于自然條件和人為決策發(fā)生的變化,都可以運用模擬模型來預(yù)報其結(jié)果。但模擬模型只能解決給定輸入決策下的預(yù)報問題,對于究竟選擇哪種輸入決策才能獲得最優(yōu)效果問題的解決則是軟弱無力的。而優(yōu)化模型(也稱為運籌學模型)則能解決尋優(yōu)的問題,即在給定的目標和約束條件下,通過對輸入操控方案的優(yōu)選,使目標達到最優(yōu)。那么,為了避免研究區(qū)內(nèi)局部地區(qū)由于地下水開采量過大而出現(xiàn)地下水位埋深過低,從而導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問題的發(fā)生,可通過地下水優(yōu)化管理模型的建立和求解,在滿足一定約束條件的基礎(chǔ)上,對地下水總的開采量在各抽水井群中進行合理的分配,獲得最佳的地下水開采方案,最終使各區(qū)域內(nèi)的地下水位埋深在進行開采后都能夠滿足所限制的要求。應(yīng)該注意到,優(yōu)化模型必須要以模擬模型為基礎(chǔ),用以保證優(yōu)化模型的尋優(yōu)過程一定是在遵循地下水實際系統(tǒng)固有原理和規(guī)律(由模擬模型來表達)的基礎(chǔ)上進行的。因此,就需要通過某種方式和途徑,把模擬模型嵌入到優(yōu)化模型中,使之成為優(yōu)化模型的組成部分,實現(xiàn)模擬模型與優(yōu)化模型的連接。以往運用的嵌入法、響應(yīng)矩陣法和狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程法等都是用來解決這一問題的,但是,優(yōu)化模型在進行求解運算時,要成百上千次的調(diào)用模擬模型,這幾種方法存在計算負荷大、時間長等缺點,甚至會出現(xiàn)維數(shù)災(zāi)難。本次研究應(yīng)用替代模型實現(xiàn)模擬模型與優(yōu)化模型的連接,即建立模擬模型的克里格替代模型,并將其耦合到優(yōu)化模型中,可以在滿足精度要求的情況下,大大減少優(yōu)化過程中的計算量。本文首先根據(jù)研究區(qū)的自然地理、地形地貌、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件等建立了水文地質(zhì)概念模型;在此基礎(chǔ)上,考慮人類活動,尤其是近年來人工開采和各大型水利工程的影響,建立了地下水流數(shù)值模擬模型,并利用區(qū)內(nèi)72口觀測井的水位統(tǒng)測資料對模型進行了校正和檢驗;為了對模型進行預(yù)報,首先應(yīng)用逐步回歸分析與小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法預(yù)測了預(yù)報期(2014~2023年)的降水量;然后根據(jù)是否考慮各新建大型水利工程的影響,為模型設(shè)定了兩個預(yù)報方案,并對兩個方案下研究區(qū)的地下水位和均衡狀態(tài)響應(yīng)情況進行了預(yù)報;選擇最近典型代表年(2010年)作為均衡期,結(jié)合模擬計算結(jié)果,根據(jù)均衡期內(nèi)研究區(qū)地下水的補給量和排泄量,分別以全區(qū)和各水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)作為均衡區(qū),進行了地下水均衡計算,并按照開采系數(shù)法對變化條件下的地下水可開采量進行了估算;選擇長嶺地區(qū)作為重點研究區(qū),在模擬模型的基礎(chǔ)上,應(yīng)用基于正交數(shù)組的拉丁超立方抽樣法對模擬模型的可控輸入變量(抽水量)在其可行域內(nèi)進行抽樣,調(diào)用模擬模型得到輸入-輸出樣本數(shù)據(jù)集;應(yīng)用克里格法建立模擬模型的替代模型,利用輸入-輸出樣本數(shù)據(jù)集對替代模型進行訓(xùn)練和檢驗;將經(jīng)過檢驗的替代模型耦合到優(yōu)化模型(含有目標函數(shù)和其他約束條件)中,建立地下水優(yōu)化管理模型;采用遺傳算法對優(yōu)化模型進行求解,得到優(yōu)化的地下水開采方案和地下水位埋深分布。通過對以上內(nèi)容的研究,得出以下主要成果:⑴在研究區(qū)水文地質(zhì)概念模型基礎(chǔ)上所建立的變化條件下地下水流數(shù)值模擬模型,經(jīng)過對模型的校正和檢驗,結(jié)果表明,模擬水位與實測水位之間的擬合程度很高,符合精度要求。說明所建立的模擬模型能夠反映變化條件對研究區(qū)地下水的影響,可以作為地下水實際系統(tǒng)的代表,對未來研究區(qū)地下水位的變化情況進行預(yù)報。⑵應(yīng)用逐步回歸分析結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法,建立降水量預(yù)測模型。該模型的優(yōu)點是,既保留了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很強的模式識別能力和容錯能力,又能避免由于降水量值的劇烈波動而導(dǎo)致的模型不穩(wěn)定。經(jīng)過對模型的訓(xùn)練和檢驗,結(jié)果表明,采用此方法預(yù)報降水量,比單獨采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進行預(yù)報有更高的精度。應(yīng)用此模型預(yù)報了研究區(qū)內(nèi)6個氣象站2014~2023(預(yù)報期)年的降水量,為下一步地下水位預(yù)報準備了條件。⑶結(jié)合各新建大型水利工程項目的規(guī)劃和實施情況,制定了兩個地下水開采方案預(yù)報情景:方案一是按目前(2013年)地下水開采量進行預(yù)報,不考慮各大工程的影響;方案二是在目前地下水開采現(xiàn)狀基礎(chǔ)上,考慮各工程對地下水的綜合影響。預(yù)報結(jié)果表明,相對方案一來說,方案二條件下研究區(qū)地下水位下降幅度明顯減小,說明各新建大型水利工程的運行對整個吉林西部地區(qū)的地下水有較大的影響,變化條件下地下水的負均衡狀況得到改善。⑷選擇最近具有代表性年份(2010年)作為均衡期,分別以全區(qū)和各水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)作為均衡區(qū),按照水量平衡法,結(jié)合模擬模型的計算結(jié)果,對研究區(qū)進行了地下水均衡計算。為了對均衡計算結(jié)果進行檢驗,將其與按照水位變幅計算的地下水儲存量的變化量進行了比較,結(jié)果顯示,2010年各均衡區(qū)總補給量和總排泄量之差與地下水儲存量的變化量計算結(jié)果相差不大,計算誤差在可以接受的范圍之內(nèi),說明均衡計算的結(jié)果比較可靠。然后根據(jù)均衡計算結(jié)果,按照開采系數(shù)法對變化條件下全區(qū)和各水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)的地下水可開采量進行了估算。其計算結(jié)果不僅能為區(qū)內(nèi)控制地下水開采量提供科學依據(jù),同時也能為優(yōu)化模型提供可開采量約束條件。⑸選取長嶺地區(qū)作為重點研究區(qū),應(yīng)用基于正交數(shù)組的拉丁超立方抽樣法對模擬模型的可控輸入變量(抽水量)在其可行域內(nèi)進行抽樣,結(jié)果表明,應(yīng)用此方法所獲得的抽水量樣本相對于直接采用拉丁超立方抽樣法進行抽樣所獲得的樣本具有更好的均勻性;調(diào)用模擬模型得到輸入-輸出樣本數(shù)據(jù)集,應(yīng)用克里格法建立模擬模型的替代模型,利用輸入-輸出樣本數(shù)據(jù)集對替代模型進行訓(xùn)練和檢驗,結(jié)果表明,在抽水量輸入相同的情況下,模擬模型與替代模型的水位輸出結(jié)果接近一致,說明在進行地下水優(yōu)化管理模型的建立和求解過程中,可以采用克里格替代模型來代替原有的模擬模型,在滿足精度要求的基礎(chǔ)上,大大的減少計算量。⑹確定研究問題的目標函數(shù)和各約束條件,將所建立的克里格替代模型與優(yōu)化模型進行耦合,建立地下水優(yōu)化管理模型;采用遺傳算法對模型進行求解,在滿足區(qū)內(nèi)地下水開采量需求、可開采量約束、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礎(chǔ)上,對總的地下水開采量在各抽水井群中進行合理的分配,獲得最佳的地下水開采方案;按照優(yōu)化后的地下水開采方案進行開采,可以使各抽水井群周圍地下水位埋深在進行開采后都能夠滿足所限制的要求,從而有效的避免由于局部地區(qū)地下水開采量過大而導(dǎo)致的一系列生態(tài)環(huán)境問題。這些成果的取得從理論上來說,為地下水流數(shù)值模擬模型預(yù)報中的降水量預(yù)測探究了逐步回歸分析結(jié)合小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法這樣一個更加有效的預(yù)測模型;將克里格替代模型引入到優(yōu)化模型中,為地下水優(yōu)化管理模型的建立探索出更加合理有效的技術(shù);在獲取替代模型的訓(xùn)練和檢驗樣本(輸入-輸出數(shù)據(jù)集)過程中,應(yīng)用了基于正交數(shù)組的拉丁超立方抽樣技術(shù),為抽水量樣本的獲取提供了更加可靠的工具。從實際意義上來講,通過地下水流數(shù)值模擬模型的預(yù)報,確定了各大型水利工程對研究區(qū)地下水平衡狀況的影響;通過地下水優(yōu)化管理模型的建立和求解,則可以為更加合理的制定地下水開采方案提供科學依據(jù),為研究區(qū)地下水資源的合理開發(fā)利用、生態(tài)環(huán)境保護發(fā)揮積極作用。
[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 .

【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P641.8

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本文編號：1493045