地下水资源系统经济管理模型研究

以乌鲁木齐市柴窝堡供水水源地为例，运用系统分析方法和工程技术经济学原理，从水源地地下水可持续开发利用及水资源与社会经济环境协调发展的角度，探讨水源地合理开发与优化管理问题．研究过程中，在分析研究水源地地下水形成与分布规律的基础上，建立了水源地水地质概念模型与地下水流数学模型：利用长序列观测资料，对地下水流数学模型进行了识别与验证．模型识别与验证中，在进行降速场、梯度场两场同时拟合的情况下，又将水均衡分析结果结合起来，提高了模型的仿真性，保证了利用模型进行预测的可靠性．在此基础上，应用响应矩阵法，将最优化模型与模拟模型相耦合，从水源地开发与社会经济环境协调发展的观点出发，以供水净收益最大为目标函数，建立了水源地地下水资源系统经济管理模型．最后，利用有限元方法，对管理模型运行后产生的方案进行了模拟预测，评价了系统地下水的A级允许开采量．     

大区域地下水流数值模拟研究现状及存在问题

在分析大区域地下水流数值模型构建缘起的前提下,系统论述了近年来地下水流数值模拟在大区域地下水资源评价、水文地质参数确定、地面沉降、溶质运移、海水入侵、盐渍化、风险评估、地下水管理及地表水与地下水的联合开发利用等方面的国内外研究应用现状;归纳、总结了目前大区域地下水流数值模型在灵敏度分析、裂隙和岩溶介质中模型建立、基于地下水流数值模拟的溶质运移模型建立、地下水流数值模型构建所需工作量等理论和方法研究及实际建模过程中存在的一些问题;展望了今后大区域地下水流数值拟在研究范围、模拟技术与方法以及与其它模型耦合等方面的发展趋势。      

地下水模拟与预测一体化平台构建

本文介绍了基于MIS和GIS的国内外地下水数值模拟模型的发展.以北京市为研究区,在分析研究区自然地理、水文地质和应用需求基础上,提出采用浏览器/服务器(B/S)与客户机/服务器(C/S)体系结构相结合的方式,建设地下水基础信息库,将研究区概化为非均质各向同性三维非稳定地下水流系统;提出采用"稳定+相对静态+动态"的思路,找到信息系统与地下水流模型输入文件之间的数据接口,通过建立MODFLOW程序的输入文件建立水流数值模型,实现将地下水流模型与信息系统集成,探索地下水数值模拟一体化平台建设和应用.     

区域地下水流数值模拟的方法和实践 ——以华北平原为例

平原(盆地)和流域尺度的地下水流数值模拟对于区域地下水资源合理开发利用具有重要意义。本文在总结分析国内外区域地下水资源数值模型特点的基础上,重点介绍了华北平原区域地下水流数值模型,并指出了区域地下水流数值模拟中存在的问题。     

淮北市地下水流数值模拟及水文地质参数不确定性分析

淮北市用水主要取自地下水,开采量大,开采布局不合理已引发一系列环境问题。建立可靠的地下水流数值模拟模型,对于定量评价淮北市地下水资源、优化开采布局具有重要的现实意义,而目前针对淮北市进行的地下水数值模拟研究尚不多见。在分析安徽淮北市水文地质条件的基础上,建立了研究区水文地质概念模型和地下水流数学模型。并应用灵敏度分析法及蒙特卡罗法对模拟层的水文地质参数进行不确定性分析。灵敏度分析结果表明,含水层的给水度或单位释水系数及弱透水层的垂向渗透系数对模拟结果的影响最大,获得了各层灵敏度最大的参数分区,可为今后野外勘察试验提供参考。蒙特卡罗法结果直观地反映出各层敏感性分布,进一步证明了确定性模型的合理性。     

中国北方岩溶水系统管理模型中处理大泉的一种方法

探讨了具有岩溶大泉的岩溶地下水系统的数值模拟与优化管理问题。首先把泉流量转换成为受控于地下水头的排地强度，然后将它嵌入到地下水系统的数值模型之中。在优化管理模型中，将会人工开采影响而产生的泉流量的改变量作为决策变量处理，并把描述地下水头和泉流量之间数量关系的方程嵌入到管理模型中，作为等式约束。从而为具有岩溶大泉的地下水系统的数值模拟和优化管理问题的解决找到了一条有效可行的途径。     

中国北方岩溶水系统管理模型中处理大泉的一种方法

探讨了具有岩溶大泉的岩溶地下水系统的数值模拟与优化管理问题。首先把泉流量转换成为受控于地下水头的排泄强度，然后将它嵌入到地下水系统的数值模型之中。在优化管理模型中，将受人工开采影响而产生的泉流量的改变量作为决策变量处理，并把描述地下水头和泉流量之间数量关系的方程嵌入到管理模型中，作为等式约束。从而为具有岩溶大泉的地下水系统的数值模拟和优化管理问题的解决找到了一条有效可行的途径。     

长春市城区基岩裂隙水开采优化决策研究

论文阐述了长春市城区基岩裂隙水开采区地下水位、水质状态的变化特征。在研究区地下水流数值模拟的基础上建立地下水资源优化管理模型,确定了地下水优化开采方案,并提出实现地下水合理开采、优化管理的决策。     

多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中的三维地下水流问题

应用多尺度有限单元法模拟非均质多孔介质中的三维地下水流问题。与传统有限单元法相比，多尺度有限单元法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点，所以这种方法能在大尺度上抓住解的小尺度特征获得较精确的解。在介绍多尺度有限单元法求解非均质多孔介质中三维地下水流问题的基本原理之后，对参数水平方向渐变垂直方向突变的非均质多孔介质中的三维地下水流和Borden实验场的三维地下水流分别用多尺度有限单元法和传统等参有限单元法进行了计算，结果表明在模拟高度非均质多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法比传统有限单元法有效，既节省计算量又有较高的精度；在模拟非均质性弱的多孔介质中的三维地下水流问题时，多尺度有限单元法虽然也能在大尺度上获得较为精确的解，但效果不明显。     

基岩岛屿地下水流场数值模拟研究

岛屿是我国领土的重要组成部分,对国家安全和国防军事意义非凡。岛屿的地下水资源尤为珍贵,地下水流场模拟是研究地下水分布规律的重要手段。水文地质条件复杂、可利用的观测井较少等原因,造成了基岩岛屿水文地质模型概化精度不高、初始条件难以获取等问题。为克服基岩岛屿地下水流场模拟的诸多困难,将珠海外伶仃岛作为研究区,利用数字高程模型数据开展地质地貌建模; 利用探地雷达法、直流电法与地质分析对岛屿进行探测,获取了地层数据; 采用地下水遥感评估法,利用实测井位数据,确定了地下水的初始水位,进而对基岩岛屿地下水流场进行建模; 最终,通过对外伶仃岛地下水流场的数值模拟得出地下水模拟流场图。岛上多个测点的探测水位值与模拟水位相关性较好,其拟合优度R²为0.872 2。由此可见,综合遥感、物探、水文地质手段等技术方法获取的数据,采用地下水模拟软件或程序实现基岩岛屿地下水流场的数值模拟,是基岩岛屿地下水资源研究的一个有效方法。     

Groundwater dewatering optimization in the Shengli no. 1 open-pit coalmine, Inner Mongolia, China

Impacted by groundwater, faults, lithology, and other factors, the slope of the Shengli no. 1 open-pit coalmine has been in a state of instability. Among these factors, groundwater in the quaternary aquifer is considered primary. Thus, an optimum design for dewatering well pumping rates is presented in this paper. A two-dimensional groundwater simulation model is built to characterize the groundwater flow of the study area. A steady-state model was applied to the observed data (head and discharge) to verify and calibrate the groundwater model. The pilot point method, with a regularization option provided by parameter estimation, was used to identify the hydraulic conductivity field. Afterward, a groundwater optimization model is integrated with the calibrated simulation model to realize groundwater dewatering optimization in the studied open-pit coalmine, and an optimization method called modified Pareto dominance-based real-coded genetic algorithm is adopted. Taking into account the safety of the mine, slope and dewatering wells, seepage discharge is added to objective function and the maximum aquifer saturated thickness is set as the constraint condition in the optimization model. The results indicate that the dewatering optimization procedure developed in this paper can serve as a useful template and framework for solving mining related water problems.     

地下水数值模拟不确定性分析研究进展

地下水数值模拟不确定性分析旨在提高研究区域地下水流的模拟精度。学者们将地下水数值模拟不确定性分析分为:模型的不确定性、参数的不确定性以及资料的不确定性三类,其中参数的不确定性分析在研究中是最为重要的。同时,对模型、参数、资料不确定性分析的研究进展和成果进行归纳总结,补充关于参数不确定性分析过程中的替代模型的一些研究成果以及模型不确定性分析的多模型分析;强调在地下水数值模拟的过程中,重视模型、资料的不确定性分析;展望未来,随着地下水数值模拟不确定性分析研究的深入,方法和应用会更加多样化。     

UCODE反演程序的原理及应用

对地下水模型进行反演是模拟过程中的一个必要步骤,使用反演程序自动校正模型可快速确定最佳拟合的参数值,分析参数对模拟结果的敏感性,比人工试算-调整法更为优越。UCODE是一款被广泛应用的地下水模型反演程序,它使用高斯牛顿法进行参数优化,反演结果对参数初值有一定的依赖性。通过建立假想的非稳定流模型,进行6组数值试验,验证了UCODE程序的实用性。尽管参数的初始取值会影响反演的进程,但只要取值适当,UCODE就能实现优化参数的目的。     

地下水管理模型求解方法综述

地下水管理模型求解方法的研究是目前地下水管理领域的热点问题。本文从地下水管理模型传统优化算法和现代智能优化算法等方面进行了评述,着重讨论了目前应用较广泛的求解非线性地下水系统的优化算法,如遗传算法、模拟退火算法、人工神经网络算法等;阐述了地下水监测网优化设计研究以及多目标地下水管理模型的求解方法。最后指出应加强地下水动态规划管理模型和地下水系统随机管理模型的求解技术的研究。     

天津市地下水流-地面沉降耦合模型

天津市平原区地面沉降主要由地下水大量开采引起,影响范围广、危害大,已成为天津市主要的环境地质问题。分析了研究区的水文地质条件,结合地下水开发利用状况,将研究区概化为6个含水层组,地下水流考虑三维非稳定流,地面沉降选用一维固结压缩模型,运用地下水流模型Modflow 2005和地面沉降模拟模块 Sub,建立了天津市平原区地下水流-地面沉降数值耦合模型,模型面积为1.1×10⁴ km²,利用1998-2008年地下水位等值线、过程线、地面沉降过程线等资料对模型进行了识别。模拟期的地下水均衡分析表明,在多年开采条件下,越流补给、压缩释水、侧向边界流入分别占深层含水层补给量的41.84％、32.15％和24.17％。将调试后的模型应用于南水北调实施后地下水控采条件下的地面沉降趋势预测,显示出停采或减少地下水的开采,有利于减缓地面沉降下降速度,且表现出开采层位越往下,地面沉降恢复难度越大的变化趋势。     

Comparison of surrogate models with different methods in groundwater remediation process

Surrogate modelling is an effective tool for reducing computational burden of simulation optimization. In this article, polynomial regression (PR), radial basis function artificial neural network (RBFANN), and kriging methods were compared for building surrogate models of a multiphase flow simulation model in a simplified nitrobenzene contaminated aquifer remediation problem. In the model accuracy analysis process, a 10-fold cross validation method was adopted to evaluate the approximation accuracy of the three surrogate models. The results demonstrated that: RBFANN surrogate model and kriging surrogate model had acceptable approximation accuracy, and further that kriging model’s approximation accuracy was slightly higher than RBFANN model. However, the PR model demonstrated unacceptably poor approximation accuracy. Therefore, the RBFANN and kriging surrogates were selected and used in the optimization process to identify the most cost-effective remediation strategy at a nitrobenzene-contaminated site. The optimal remediation costs obtained with the two surrogate-based optimization models were similar, and had similar computational burden. These two surrogate-based optimization models are efficient tools for optimal groundwater remediation strategy identification.     

基于数值模拟的区域性地下水补给过程实例研究

研究主要目的是以数值模拟的方法,再现选定的研究区域20世纪70~90年代地下水位处于较低水平的过程并推求地下水的补给过程。研究区为某流域入海口前10×12km2的矩形区域,基于研究区土层纵断面的物理条件,在平面二维的基础上,考虑含水层垂向水收支成分,利用地下水计算的基本方程式开发地下水准三维数值计算模型,以数值模拟的方法验证模型效率。对地下水位数值模拟的结果表明,模型效率可以达到80%以上。基于1966~2005年的数值计算结果,推求了研究区各含水层的补给过程。研究结果可为区域性地下水数值模拟技术及地下水资源量的评估等研究提供方法上的借鉴。     

Visual MODFLOW在大庆龙西地区地下水数值模拟中的应用

Visual MODFLOW是综合MODFLOW、MODPATH、MT3D、RT3D和WinPEST等地下水模型而开发的可视化地下水模拟软件，具有水的质点向前、向后示踪流线模拟、任意区域的水均衡、简化数值模拟数据前处理和后处理，将模拟的复杂性降到最小等特点。龙西地区是大庆油田新增水源地，使用Visual MODFLOW在该地区进行了地下水资源的模拟与预报，建立准三维模型，发现PCG2求解方法精确度最高。另外，把随机模型和MODFLOW模型相结合，解决了边界水位在计算中不断变化的问题。按照设计开采量对地下水水位进行预报，根据模型预报结果，水：原地设计开采量是可行的。Visual MODFLOW成功地运用于大庆龙西地区地下水资源的评价，操作简便，预报准确、可靠，说明具有很好的应用和推广前景。     

通用模型参数率定技术研究

在介绍当前模型参数优选技术的基础上，设计了模型参数同优选方法相耦合的一系列数据接口定义，实现了人工试错和自动优选相耦合、多模型多参数同时自动优选的模型参数率定功能。应用实例表明，通用模型参数率定功能具有简便、快捷、准确的优点，大大提高了参数率定的效率。     

分布参数地下水管理模型的遗传算法研究

在简单回顾了分布参数地下水管理模型的发展和建模方法基础上, 阐述了将地下水模拟模型耦合到遗传算法之中, 求解分布参数地下水管理模型的方法和特点, 给出了该算法的程序框图。最后通过实例说明遗传算法适于求解非线性地下水管理模型。