三江平原地下水?dāng)?shù)值模擬及仿真問題研究

內(nèi)容概要

　　三江平原位于黑龍江省東北部，西鄰小興安嶺，北靠黑龍江，東依烏蘇里江，土地總面積10．88萬km2，是松花江、黑龍江和烏蘇里江不斷遷徙和泛濫所形成的沖積平原，其土地平坦，面積廣闊，土質(zhì)肥沃，屬于世界三大黑土帶之一。該區(qū)耕地集中連片，人均耕地面積達(dá)1hm2以上。三江平原氣候溫和，雨量適中，適于多種農(nóng)作物栽培，尤其適于水稻和大豆生產(chǎn)，是國(guó)家重要商品糧生產(chǎn)基地。隨著三江平原區(qū)域社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門、各行業(yè)對(duì)水利保障要求越來越高，對(duì)水資源的需求量越來越大，對(duì)水環(huán)境的保護(hù)要求越來越迫切。由于多年水利發(fā)展的滯后和水利工程建設(shè)的薄弱，本區(qū)水利安全保障能力低，水資源利用缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，水資源供需矛盾突出，導(dǎo)致水環(huán)境惡化，生態(tài)環(huán)境質(zhì)量降低，平原區(qū)內(nèi)地下水水位急劇下降，出現(xiàn)地面沉降等現(xiàn)象，所以對(duì)三江平原地下水系統(tǒng)進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。由于三江平原部分地區(qū)觀測(cè)井和水文地質(zhì)資料缺乏，《三江平原地下水：數(shù)值模擬及仿真問題研究》（作者吳昌友）主要以三江平原撓力河流域作為研究對(duì)象，對(duì)三江平原撓力河流域的地下水系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，建立了三江平原撓力河流域地下水分布式模型，在模型識(shí)別的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三個(gè)地下水開采方案。在不同開采方案條件下，分別采用地下水分布式模型進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，并對(duì)這三個(gè)方案模擬預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。研究取得的主要成果有： （1）對(duì)三江平原撓力河流域的地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、氣象條件和地下水分布特征進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，建立了三江平原撓力河流域水文地質(zhì)概念模型，為地下水?dāng)?shù)學(xué)模型的建立奠定了基礎(chǔ)?！　。?）建立了三江平原撓力河流域地下水三維數(shù)學(xué)模型，并采用國(guó)際通用的地下水?dāng)?shù)值模擬軟件MODFLOW，對(duì)撓力河流域地下水進(jìn)行模擬仿真，通過模型的識(shí)別和檢驗(yàn)，證明所建立的數(shù)學(xué)模型、邊界條件和水文地質(zhì)參數(shù)的確定符合實(shí)際情況?！　。?）《三江平原地下水：數(shù)值模擬及仿真問題研究》對(duì)標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本原理進(jìn)行系統(tǒng)分析，指出標(biāo)準(zhǔn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的不足，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提出了改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。將改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到降水量和蒸發(fā)量和第一類邊界條件的預(yù)測(cè)中，建立了降水量、蒸發(fā)量和第一類邊界條件的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列模型。對(duì)2008—2020年降水量、蒸發(fā)量和第一類邊界條件進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)中得到的年平均降水量為499．1mm，接近于近30年平均值 486．3mm；預(yù)測(cè)中得到的年平均蒸發(fā)量為717．9mm，接近于近20年平均值 713．8mm。　?。?）利用改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型對(duì)地下水動(dòng)態(tài)變化的不確定因素（指降水量、蒸發(fā)量和第一類邊界條件）進(jìn)行預(yù)測(cè)，將這些不確定的因素作為隨機(jī)時(shí)間序列耦合到撓力河流域的地下水確定性模型中，進(jìn)而建立了三江平原撓力河流域地下水確定性一隨機(jī)耦合模型?！　。?）本書將Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和小波分析理論進(jìn)行耦合，建立了Elman 小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并首次將Elman小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用到撓力河流與地下水開采量的預(yù)測(cè)中，建立了地下水開采量的Elman小波神經(jīng)網(wǎng)路模型，對(duì) 2008 2020年地下水開采量進(jìn)行預(yù)報(bào)，取得了較好的效果。　?。?）本書對(duì)未來地下水開采量設(shè)計(jì)了3個(gè)開采方案，其中以2005年的地下水開采量作為第一個(gè)開采方案，以黑龍江省水利綜合規(guī)劃中的開采量作為第二開采方案，以Elman小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測(cè)的地下水開采量作為第三方案。采用建立的確定性一隨機(jī)耦合模型分別對(duì)不同方案條件下2007 2020年撓力河流域地下水進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果表明，第三開采方案地下水位降深最大，其次是第一開采方案，第二開采方案降深較小。如果按著第二開采方案對(duì)三江平原撓力河流域地下水進(jìn)行開采，有利于解決地下水水位下降、地面下沉和水環(huán)境惡化等現(xiàn)象，有利于三江平原水資源可持續(xù)開發(fā)和利用。

書籍目錄

摘要1  引言  1．1  研究的目的和意義  1．2  國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)    1．2．1  三江平原地下水的研究現(xiàn)狀    1．2．2  地下水系統(tǒng)數(shù)值模擬國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)    1．2．3  地下水系統(tǒng)參數(shù)識(shí)別國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)  1．3  研究的主要內(nèi)容、方法和技術(shù)路線    1．3．1  研究的主要內(nèi)容    1．3．2  研究的方法和技術(shù)路線2  撓力河流域的基本概況  2．1  自然地理概況    2．1．1  地理位置    2．1．2  氣象條件    2．1．3  水文條件  2．2  區(qū)域地質(zhì)概括    2．2．1  地形地貌    2．2．2  地層巖性    2．2．3  水文地質(zhì)條件  2．3  社會(huì)經(jīng)濟(jì)狀況  2．4  水資源開發(fā)利用狀況及存在問題    2．4．1  供水工程狀況    2．4．2  水資源利用狀況    2．4．3  地下水開發(fā)利用中存在的問題3  撓力河流域地下水系統(tǒng)分析  3．1  地下水系統(tǒng)概述    3．1．  地下水系統(tǒng)的基本概念    3．1．2  撓力河流域地下水系統(tǒng)概述  3．2  含水層系統(tǒng)分析    3．2．1  第四系孔隙含水層亞系統(tǒng)    3．2．2  第三系孔隙裂隙含水層亞系統(tǒng)    3．2．3  前第四系基巖裂隙含水層亞系統(tǒng)  3．3  地下水系統(tǒng)流動(dòng)分析    3．3．1  淺層地下水循環(huán)系統(tǒng)    3．3．2  深層地下水循環(huán)系統(tǒng)  3．4  地下水系統(tǒng)化學(xué)特征    3．4．1  第四系松散巖類孔隙水水化學(xué)系統(tǒng)    3．4．2  第三系碎屑巖裂隙孔隙水水化學(xué)系統(tǒng)    3．4．3  前第四系基巖裂隙水水化學(xué)系統(tǒng)  3．5  地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析    3．5．1  地下水動(dòng)態(tài)類型    3．5．2  地下水位動(dòng)態(tài)影響分析4  撓力河流域地下水參數(shù)及水均衡分析  4．1  撓力河流域均衡區(qū)和均衡時(shí)段的劃分    4．1．1  均衡區(qū)和均衡時(shí)段劃分    4．1．2  水量均衡方程  4．2  水文地質(zhì)參數(shù)    4．2．1  滲透系數(shù)    4．2．2  給水度和彈性釋水系數(shù)    4．2．3  潛水蒸發(fā)強(qiáng)度    4．2．4  降水入滲補(bǔ)給系數(shù)    4．2．5  灌溉回歸人滲系數(shù)  4．3  流域年地下水資源量分析    4．3．1  流域地下水補(bǔ)給量    4．3．2  流域地下水排泄量  4．4  流域地下水資源總量估算    4．4．1  現(xiàn)狀基準(zhǔn)年(2005年)    4．4．2  多年平均地下水資源量5  撓力河流域地下水?dāng)?shù)值模擬  5．1  模型的研究范圍  5．2  含水層的概化    5．2．1  含水層結(jié)構(gòu)的概化    5．2．2  含水層水力特征的概化    5．2．3  邊界條件概化  5．3  地下水流數(shù)學(xué)模型的建立及求解    5．3．1  地下水流數(shù)學(xué)模型的建立    5．3．2  地下水流數(shù)學(xué)模型的求解    5．3．3  空間離散    5．3．4  時(shí)間的離散    5．3．5  水文地質(zhì)參數(shù)分區(qū)和初值的確定    5．3．6  源匯項(xiàng)的處理    5．3．7  邊界條件的處理    5．3．8  地下水的初始水位  5．4  地下水流模型的識(shí)別和檢驗(yàn)    5．4．1  地下水流模型的識(shí)別    5．4．2  地下水流模型的檢驗(yàn)  5．5  水量均衡分析6  神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型  6．1  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型    6．1．1  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)    6．1．2  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)算法  6．2  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)    6．2．1  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)措施簡(jiǎn)介    6．2．2  BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)的思路    6．2．3  改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)步驟  6．3  改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型  6．4  大氣降水量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型    6．4．1  撓力河流域降水量特征分析    6．4．2  模型的建立    6．4．3  模型的檢驗(yàn)    6．4．4  預(yù)測(cè)2008—2020年降水量  6．5  蒸發(fā)量的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型    6．5．1  撓力河流域蒸發(fā)量特征分析    6．5．2  模型的建立    6．5．3  模型的檢驗(yàn)    6．5．4  預(yù)測(cè)2008—2020年蒸發(fā)量  6．6  第一類邊界水位的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型    6．6．1  模型的建立    6．6．2  模型的檢驗(yàn)    6．6．3  第一類邊界水位的長(zhǎng)期預(yù)測(cè)7  地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)的確定性一隨機(jī)耦合模型研究  7．1  確定性一隨機(jī)耦合模型    7．1．1  確定性模型的離散    7．1．2  耦合模型的構(gòu)成    7．1．3  耦合模型的求解方法  7．2  地下水開采量的預(yù)報(bào)模型    7．2．1  Elman小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型    7．2．2  基于Elman小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地下水開采量預(yù)測(cè)    7．2．3  2020年撓力河流域地下水開采量的預(yù)測(cè)  7．3  地下水開采方案的設(shè)計(jì)  7．4  2020年地下水位動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)    7．4．1  匯源項(xiàng)的離散    7．4．2  地下水位預(yù)測(cè)及結(jié)果分析8  結(jié)論參考文獻(xiàn)后記

編輯推薦

《三江平原地下水?dāng)?shù)值模擬及仿真問題研究》是在作者吳昌友博士論文基礎(chǔ)上經(jīng)過進(jìn)一步修改而成的，書中主要以三江平原撓力河流域作為研究對(duì)象，對(duì)三江平原撓力河流域的地下水系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，建立了三江平原撓力河流域地下水分布式模型，在模型識(shí)別的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三個(gè)地下水開采方案。在不同開采方案條件下，分別采用地下水分布式模型進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，并對(duì)這三個(gè)方案模擬預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。    本書適合從事相關(guān)研究工作的人員參考閱讀。

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