本文關(guān)鍵詞： 地下水?dāng)?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(cè) 基于正交數(shù)組的拉丁超立方抽樣　出處：《吉林大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：由于長(zhǎng)期以來(lái)吉林西部地區(qū)(研究區(qū))的地表水(尤其是過(guò)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(lái)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(shì),地下水過(guò)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(wèn)題。為了緩解地下水的開采壓力,保護(hù)生態(tài)環(huán)境,吉林西部近年來(lái)啟動(dòng)建設(shè)了一系列大型水利工程,包括“引嫩入白工程”、“哈達(dá)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(dòng)”等,旨在將更多的過(guò)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(yùn)行必然會(huì)對(duì)地下水的補(bǔ)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(duì)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(duì)未來(lái)一段時(shí)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(bào)十分重要。地下水流數(shù)值模擬模型是指運(yùn)用數(shù)學(xué)模型對(duì)地下水實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬,是系統(tǒng)本身所遵循的物理、化學(xué)和生物原理及規(guī)律的數(shù)學(xué)描述,能夠刻畫系統(tǒng)的輸入-輸出響應(yīng)關(guān)系,相當(dāng)于地下水實(shí)際系統(tǒng)的復(fù)制品,對(duì)于自然條件和人為決策發(fā)生的變化,都可以運(yùn)用模擬模型來(lái)預(yù)報(bào)其結(jié)果。但模擬模型只能解決給定輸入決策下的預(yù)報(bào)問(wèn)題,對(duì)于究竟選擇哪種輸入決策才能獲得最優(yōu)效果問(wèn)題的解決則是軟弱無(wú)力的。而優(yōu)化模型(也稱為運(yùn)籌學(xué)模型)則能解決尋優(yōu)的問(wèn)題,即在給定的目標(biāo)和約束條件下,通過(guò)對(duì)輸入操控方案的優(yōu)選,使目標(biāo)達(dá)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(guò)大而出現(xiàn)地下水位埋深過(guò)低,從而導(dǎo)致一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的發(fā)生,可通過(guò)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(duì)地下水總的開采量在各抽水井群中進(jìn)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(jìn)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(guò)程一定是在遵循地下水實(shí)際系統(tǒng)固有原理和規(guī)律(由模擬模型來(lái)表達(dá))的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。因此,就需要通過(guò)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(shí)現(xiàn)模擬模型與優(yōu)化模型的連接。以往運(yùn)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(lái)解決這一問(wèn)題的,但是,優(yōu)化模型在進(jìn)行求解運(yùn)算時(shí),要成百上千次的調(diào)用模擬模型,這幾種方法存在計(jì)算負(fù)荷大、時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn),甚至?xí)霈F(xiàn)維數(shù)災(zāi)難。本次研究應(yīng)用替代模型實(shí)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(guò)程中的計(jì)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(dòng),尤其是近年來(lái)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(cè)井的水位統(tǒng)測(cè)資料對(duì)模型進(jìn)行了校正和檢驗(yàn);為了對(duì)模型進(jìn)行預(yù)報(bào),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(cè)了預(yù)報(bào)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(gè)預(yù)報(bào)方案,并對(duì)兩個(gè)方案下研究區(qū)的地下水位和均衡狀態(tài)響應(yīng)情況進(jìn)行了預(yù)報(bào);選擇最近典型代表年(2010年)作為均衡期,結(jié)合模擬計(jì)算結(jié)果,根據(jù)均衡期內(nèi)研究區(qū)地下水的補(bǔ)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(jìn)行了地下水均衡計(jì)算,并按照開采系數(shù)法對(duì)變化條件下的地下水可開采量進(jìn)行了估算;選擇長(zhǎng)嶺地區(qū)作為重點(diǎn)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(duì)模擬模型的可控輸入變量(抽水量)在其可行域內(nèi)進(jìn)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(duì)替代模型進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn);將經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的替代模型耦合到優(yōu)化模型(含有目標(biāo)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(duì)優(yōu)化模型進(jìn)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(guò)對(duì)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(guò)對(duì)模型的校正和檢驗(yàn),結(jié)果表明,模擬水位與實(shí)測(cè)水位之間的擬合程度很高,符合精度要求。說(shuō)明所建立的模擬模型能夠反映變化條件對(duì)研究區(qū)地下水的影響,可以作為地下水實(shí)際系統(tǒng)的代表,對(duì)未來(lái)研究區(qū)地下水位的變化情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。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(cè)模型。該模型的優(yōu)點(diǎn)是,既保留了小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)很強(qiáng)的模式識(shí)別能力和容錯(cuò)能力,又能避免由于降水量值的劇烈波動(dòng)而導(dǎo)致的模型不穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)對(duì)模型的訓(xùn)練和檢驗(yàn),結(jié)果表明,采用此方法預(yù)報(bào)降水量,比單獨(dú)采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行預(yù)報(bào)有更高的精度。應(yīng)用此模型預(yù)報(bào)了研究區(qū)內(nèi)6個(gè)氣象站2014~2023(預(yù)報(bào)期)年的降水量,為下一步地下水位預(yù)報(bào)準(zhǔn)備了條件。⑶結(jié)合各新建大型水利工程項(xiàng)目的規(guī)劃和實(shí)施情況,制定了兩個(gè)地下水開采方案預(yù)報(bào)情景:方案一是按目前(2013年)地下水開采量進(jìn)行預(yù)報(bào),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(duì)地下水的綜合影響。預(yù)報(bào)結(jié)果表明,相對(duì)方案一來(lái)說(shuō),方案二條件下研究區(qū)地下水位下降幅度明顯減小,說(shuō)明各新建大型水利工程的運(yùn)行對(duì)整個(gè)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(fù)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(jì)算結(jié)果,對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了地下水均衡計(jì)算。為了對(duì)均衡計(jì)算結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn),將其與按照水位變幅計(jì)算的地下水儲(chǔ)存量的變化量進(jìn)行了比較,結(jié)果顯示,2010年各均衡區(qū)總補(bǔ)給量和總排泄量之差與地下水儲(chǔ)存量的變化量計(jì)算結(jié)果相差不大,計(jì)算誤差在可以接受的范圍之內(nèi),說(shuō)明均衡計(jì)算的結(jié)果比較可靠。然后根據(jù)均衡計(jì)算結(jié)果,按照開采系數(shù)法對(duì)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(jìn)行了估算。其計(jì)算結(jié)果不僅能為區(qū)內(nèi)控制地下水開采量提供科學(xué)依據(jù),同時(shí)也能為優(yōu)化模型提供可開采量約束條件。⑸選取長(zhǎng)嶺地區(qū)作為重點(diǎn)研究區(qū),應(yīng)用基于正交數(shù)組的拉丁超立方抽樣法對(duì)模擬模型的可控輸入變量(抽水量)在其可行域內(nèi)進(jìn)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(duì)于直接采用拉丁超立方抽樣法進(jìn)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(duì)替代模型進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn),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(shuō)明在進(jìn)行地下水優(yōu)化管理模型的建立和求解過(guò)程中,可以采用克里格替代模型來(lái)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(jì)算量。⑹確定研究問(wèn)題的目標(biāo)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(jìn)行耦合,建立地下水優(yōu)化管理模型;采用遺傳算法對(duì)模型進(jìn)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(duì)總的地下水開采量在各抽水井群中進(jìn)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(jìn)行開采,可以使各抽水井群周圍地下水位埋深在進(jìn)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(guò)大而導(dǎo)致的一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。這些成果的取得從理論上來(lái)說(shuō),為地下水流數(shù)值模擬模型預(yù)報(bào)中的降水量預(yù)測(cè)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(gè)更加有效的預(yù)測(cè)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(yàn)樣本(輸入-輸出數(shù)據(jù)集)過(guò)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(shí)際意義上來(lái)講,通過(guò)地下水流數(shù)值模擬模型的預(yù)報(bào),確定了各大型水利工程對(duì)研究區(qū)地下水平衡狀況的影響;通過(guò)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(xué)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(hù)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(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P641.8

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本文編號(hào)：1493045