【摘要】：隨著人類社會(huì)需水量的增加,賦存于松散沉積地層中的孔隙地下水逐漸成為人類活動(dòng)的重要水源。歸因于開采程度的逐年加劇,在我國(guó)很多地區(qū)出現(xiàn)急劇的水位下降情況,并相繼引發(fā)了水資源枯竭、地面沉降、海水入侵等一系列環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題,如長(zhǎng)三角地區(qū)以及蘇北濱海平原等地,均面臨較為嚴(yán)峻的地下水位下降與地面沉降問(wèn)題。如何利用實(shí)際勘查得到的水文地質(zhì)資料建立能夠充分反應(yīng)地下水系統(tǒng)在時(shí)間和空間上變化特征及趨勢(shì)的三維模型,為研究和管理人員制訂地下水資源開采與保護(hù)方案提供參考依據(jù),已成為當(dāng)前地下水資源管理過(guò)程中亟需解決的重要課題。本文綜合利用水文地質(zhì)學(xué)、計(jì)算幾何、3D GIS、地統(tǒng)計(jì)學(xué)、有限元數(shù)值模擬、三維地學(xué)可視化等理論或方法,圍繞抽水引發(fā)土層壓縮的典型時(shí)空過(guò)程模擬需求,研究了支持孔隙地下水系統(tǒng)三維動(dòng)態(tài)建模的時(shí)空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建、管理、分析、操作及應(yīng)用方法。對(duì)現(xiàn)有時(shí)空數(shù)據(jù)模型從動(dòng)態(tài)自適應(yīng)和機(jī)理過(guò)程表達(dá)兩個(gè)角度進(jìn)行改進(jìn)。論文主要研究?jī)?nèi)容與成果包括如下三個(gè)方面:(1)圍繞孔隙地下水系統(tǒng)內(nèi)部水文地質(zhì)實(shí)體和地下水流兩類主要空間對(duì)象的三維表達(dá)問(wèn)題展開研究。首先對(duì)地下水流對(duì)象,采用水位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為地下水滲流場(chǎng)建模數(shù)據(jù)源,基于三維非穩(wěn)定地下水滲流有限元數(shù)值模擬模型求解過(guò)程,研究了可支撐三維地下水非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)有限元數(shù)值模擬的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。其次,在對(duì)比多種建模數(shù)據(jù)源基礎(chǔ)上,選取水文地質(zhì)鉆孔作為水文地質(zhì)實(shí)體空間數(shù)據(jù)建模的基本數(shù)據(jù)源,研究了根據(jù)鉆孔數(shù)據(jù)推導(dǎo)空間連續(xù)分布的含水層與隔水層等實(shí)體對(duì)象三維幾何結(jié)構(gòu)的建模思路,并進(jìn)行了算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),完成了靜態(tài)條件下水文地質(zhì)實(shí)體三維空間數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建,該模型一方面實(shí)現(xiàn)了對(duì)水文地質(zhì)實(shí)體對(duì)象空間幾何結(jié)構(gòu)的三維表達(dá);另一方面也為地下水系統(tǒng)內(nèi)部水文地質(zhì)實(shí)體對(duì)象三維動(dòng)態(tài)建模提供了有效的基態(tài)模型;同時(shí),也為一維固結(jié)壓縮模擬模型的求解提供了基礎(chǔ)計(jì)算格網(wǎng)。(2)孔隙地下水系統(tǒng)的自適應(yīng)三維動(dòng)態(tài)建模時(shí)空數(shù)據(jù)模型研究。在孔隙地下水系統(tǒng)基態(tài)3D空間數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上,附加時(shí)間維度構(gòu)建基于4D時(shí)空的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型。結(jié)合地下水非穩(wěn)定流及土層固結(jié)壓縮兩類典型地下水系統(tǒng)內(nèi)部機(jī)理過(guò)程模擬模型,提出了孔隙地下水系統(tǒng)的自適應(yīng)三維動(dòng)態(tài)建模方法。提出空間離散格網(wǎng)的自適應(yīng)生成機(jī)制,實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水系統(tǒng)內(nèi)部地下水滲流及水文地質(zhì)實(shí)體土層兩類主要空間對(duì)象動(dòng)態(tài)變化的擬合�；诘叵滤髟谒綄用�、及水文地質(zhì)實(shí)體土層在垂向?qū)用娴膭?dòng)態(tài)改變規(guī)律分析與歸納,分別研究動(dòng)態(tài)自適應(yīng)算法,并在考慮二者之間數(shù)據(jù)傳輸及轉(zhuǎn)換問(wèn)題的基礎(chǔ)上,形成三維格網(wǎng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)生成算法框架。以此算法框架為橋梁,結(jié)合土體在地下水位下降影響下固結(jié)壓縮的機(jī)理,實(shí)現(xiàn)地下滲流非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)與水文地質(zhì)層固結(jié)壓縮過(guò)程的耦合模擬,并在此模擬過(guò)模型的基礎(chǔ)上,構(gòu)建可定量描述水文地質(zhì)層在地下水滲流運(yùn)動(dòng)影響下的空間與屬性變化的時(shí)空數(shù)據(jù)模型。(3)動(dòng)態(tài)建模時(shí)空數(shù)據(jù)模型可行性與有效性驗(yàn)證研究。采用原型系統(tǒng)研發(fā)的方式對(duì)時(shí)空數(shù)據(jù)模型進(jìn)行驗(yàn)證。基于上述地下水系統(tǒng)時(shí)空數(shù)據(jù)模型設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)整體架構(gòu)、功能框架及算法流程等,并通過(guò)該原型系統(tǒng)研究時(shí)空數(shù)據(jù)模型對(duì)地下水系統(tǒng)三維動(dòng)態(tài)建模的支持性能。從兩個(gè)方面對(duì)這一性能進(jìn)行了驗(yàn)證:首先,該數(shù)據(jù)模型能夠支持在選定時(shí)間點(diǎn)或時(shí)間段下的地下水系統(tǒng)內(nèi)部地下水流和水文地質(zhì)實(shí)體兩類空間要素的三維表達(dá);其次,該數(shù)據(jù)模型能夠支撐三維滲流-一維土層固結(jié)壓縮耦合模擬模型的求解,實(shí)現(xiàn)地下水系統(tǒng)狀況的虛擬預(yù)演或反演,支持從時(shí)間和空間的維度對(duì)模型進(jìn)行查詢。此外,原型系統(tǒng)集成了有限元格網(wǎng)構(gòu)建、參數(shù)識(shí)別、水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)劃分、數(shù)值計(jì)算以及時(shí)空數(shù)據(jù)可視化表達(dá)等時(shí)空過(guò)程模擬與分析的關(guān)鍵功能模塊。以江蘇省鹽城濱海平原作為空間數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證樣區(qū),利用水位監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、土層壓縮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)所建的時(shí)空數(shù)據(jù)模型驗(yàn)證,原型系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明:所構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)模型,一方面可實(shí)現(xiàn)地下水流和實(shí)體結(jié)構(gòu)的三維表達(dá),同時(shí)可有效反應(yīng)地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化特征,從而形成對(duì)地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模的有效支撐;基于時(shí)空數(shù)據(jù)模型的原型系統(tǒng)在地下水位變化、土層壓縮及地面沉降等過(guò)程的模擬中均取得了與實(shí)際情況較為相符的結(jié)果。
【學(xué)位授予單位】：南京師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P641;P208
【圖文】：

逡逑宄了基于ＧＩＳ的規(guī)則六面體含水層三維空間離散方法（如圖１．３），并給出了邋ＧＩＳ下逡逑模型計(jì)算參數(shù)的自動(dòng)提取方法，有效提高了模擬精度。逡逑１２３４５６７８９逡逑ｙoQ歔０魏卜逡逑３邋＿褰＿ub埾，蒙逡逑行問(wèn)距逡逑圖１．３規(guī)則六面體含水層三維空間離散方法ｌｌｌ７ｌ逡逑隨著３Ｄ邋ＧＩＳ技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)數(shù)值計(jì)算過(guò)程及模擬結(jié)果的可視化方法也逐漸成逡逑為研宄熱點(diǎn)，如：武強(qiáng)等［１５３］研宄了地下水滲流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)模擬可視化方法；畢振波逡逑等［１５４］采用Ｄｅｌｐｈｉ語(yǔ)言和ＵＭＬ建模方法開發(fā)了地下水有限元計(jì)算可視化系統(tǒng)等。上逡逑述系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直觀展示地下水系統(tǒng)的三維空間特征，且具一定空間分析能力。將ＧＩＳ逡逑技術(shù)引入數(shù)值模擬過(guò)程，有利于兼顧數(shù)值模型參數(shù)的空間特性和精度、提高模型空間逡逑分析能力和數(shù)據(jù)管理效率，使地下水模擬系統(tǒng)更具空間輔助決策特性。ＧＩＳ的空間分逡逑析及可視化技術(shù)

逑三維地下水流空間數(shù)據(jù)模型可劃分為含水層承壓水頭分布的場(chǎng)模型和地下水滲逡逑流運(yùn)動(dòng)的矢量模型兩種類型，水頭分布場(chǎng)一般采用如圖２．８所示的柵格模型加以表達(dá)，逡逑通過(guò)對(duì)分級(jí)渲染區(qū)邊界進(jìn)行追蹤，可以獲取研究區(qū)的水位等值線。基于插值方法提取逡逑每一個(gè)格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位置（ｘ，，ｙ，）處的測(cè)壓管水頭值知，并以（；《：，，ｙ，，邋Ａ，）構(gòu)建水頭ＤＥＭ，逡逑采用顏色映射列表的方法對(duì)連續(xù)分布的水頭值進(jìn)行分級(jí)渲染實(shí)現(xiàn)可視化表達(dá)。逡逑圖２．８多層含水層地下水流三維建�？梢暬疽鈭D逡逑地下水滲流運(yùn)動(dòng)的三維空間模型相對(duì)較為簡(jiǎn)單，為了準(zhǔn)確反映滲流的方向和速逡逑度，一般來(lái)說(shuō)可采用“流線”和“箭頭”兩種模型。其中流線法采用數(shù)值積分的方式計(jì)算逡逑格網(wǎng)節(jié)點(diǎn)位置處的流速大小，并以流速的方向?yàn)榍芯�擬合流動(dòng)曲線，此方法可較為直逡逑觀地反映出地下水滲流方向及變化確實(shí)，具體計(jì)算過(guò)程如下：逡逑如圖２．９所示，在流線上取一微小線元也，其切線方向與滲流方向一致，設(shè)滲流逡逑速度為Ｖ

，ｙ，）處的測(cè)壓管水頭值知，并以（；《：，，ｙ，，邋Ａ，）構(gòu)建表的方法對(duì)連續(xù)分布的水頭值進(jìn)行分級(jí)渲染實(shí)現(xiàn)可視化表圖２．８多層含水層地下水流三維建�？梢暬疽鈭D逡逑運(yùn)動(dòng)的三維空間模型相對(duì)較為簡(jiǎn)單，為了準(zhǔn)確反映滲流采用“流線”和“箭頭”兩種模型。其中流線法采用數(shù)值積分的流速大小，并以流速的方向?yàn)榍芯�擬合流動(dòng)曲線，此方水滲流方向及變化確實(shí)，具體計(jì)算過(guò)程如下：逡逑，在流線上取一微小線元也，其切線方向與滲流方向一

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2793259