变密度地下水流溶质运移模型及其海水入侵模拟应用

变密度地下水流溶质运移模型及其海水入侵模拟应用 密级 博士学位论文 变密度地下水流溶质运移模型 及其海水入侵模拟应用 作者姓名: 李 淼 指导教师: 夏 军 研究员 中国科学院地理科学与资源研究所 学位类别: 理学博士 学科专业: 自然地理学 培养单位: 中国科学院地理科学与资源研究所 2012年11月 By Miao Li A Dissertation Submitted to University of Chinese Academy of Sciences In partial fulfillment of the requirement For the degree of Doctor of Physical Geography Institute of Geographic Sciences and Natural Resources Research, CAS Nov, 2012 独 创 性 声 明 —————————————————————————————————————————————————— ——— 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名: 时间: 年 月 日 关于论文使用授权的声明 本人完全了解中国科学院有关保留、使用学位论文的规定，即:中国科学院有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国科学院可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 (保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名: 时间: 年 月 日 导师签名: 时间: 年 月 摘 要 滨海地区海水入侵含水层将引起地区性水质恶化，导致淡水水资源短缺，同时引发土壤盐渍化及荒漠化等一系列生态环境问题，成为制约滨海地区经济社会可持续发展的重要因素。河流供应淡水量的减————————————————————————————————————————————————————— 少、气候变化导致的海平面上升及人类活动影响使海水入侵形势愈发严峻。准确模拟及在不同情景下预测滨海地区海水入侵趋势对解决滨海地区水资源短缺与生态环境问题至关重要。在解决这一问题时，必须要考虑浓度等条件引起流体密度变化。因此，本文基于地下水动力学理论，依托分布式时变增益模型(DTVGM)，构建二维变密度地下水渗流溶质运移模块，重点模拟海水入侵过程。以黄河三角洲南部广饶县为例，探讨不同气候变化情景及人类活动影响下研究区未来20年海水入侵趋势，分析降水丰枯与节水规划共同作用下海水入侵面积差异，并综合利用监测数据和模拟结果进行现状及未来海水入侵风险灾害评价，为区域水资源合理高效利用、规划与管理，提供科学依据和技术支撑。论文的主要结论如下: (1)以流场分布，速度分布、密度分布和浓度分布作为公共变量，将变密度地下水渗流模型与地下水溶质运移模型紧密耦合，利用强隐式(SIP)算法迭代求解，构建变密度地下水渗流溶质运移模块，并利用Henry问题对模块进行验证，结果合理。 (2)以分布式水文模型DTVGM模拟的土壤水入渗量作为变密度地下水渗流溶质运移模块的输入项，实现DTVGM与变密度地下水流溶质运移模块的松散式耦合。利用小清河流域水文站月流量资料及黄河三角洲南部广饶县海水入侵监测数据对耦合模型进行验证，耦合模型月流量模拟效率系数达到0.74以上，相对误差小于6.4%，相关系数大于0.86;地下水位模拟与实测资料相关系数达到0.959;cl-浓度模拟与观测数据相关系数为0.914，表明耦合模型对地表水流、地下————————————————————————————————————————————————————— 水位及溶质运移过程模拟具有可靠性。 (3)根据气候变化情景、降水保证率以及节水规划，拟定12种不同预测情景，以2009年为基准年，利用耦合模型对研究区未来海水入侵变化趋势进行多情景预测分析。保持现状开采不变，在SERS A1B情景下，研究区2030年西北和东部地区海侵线南移，海水入侵面积分别增加了5.55km2和3.13km2。中部地区海侵线基本不变。12种预测 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 中，到2030年最丰方案比最枯方案海水入侵面积少19.14 km2。 (4)最枯方案下，未来2015和2030年研究区北部除小清河河道沿线外大部分地区处于较高风险和高风险，其面积相对于基准年明显扩大，到2030年增加80%，而2030年高风险区比2015年高风险区面积增加20%。表明若该区持续干旱(90%降水保证率)，高风险地区将随时间推移不断增加。由于淄河水库不断的补给地下水，研究区中部低风险区在2015年和2030年相比基准年扩大，面积增加10.4%。最丰方案下，研究区北部地区较高风险和高风险区域相比基准年面积减少70.3%，2030年比2015年减少43.7%，其原因是充足的雨水补给地下水，从而有效的防止海水入侵，使得研究区北部大部分地区由基准年的较高和高风险区变为了中等风险区。中部地区淄河水库周围低风险区的范围也随着时间推移不断扩大，表明河道型水库有效的防止了海水入侵。 关键词:变密度水流，地下水流与溶质运移，海水入侵，黄河三角洲，风险评价 ————————————————————————————————————————————————————— I Abstract Seawater intrusion of the aquifer in coastal areas will lead to the regional water quality deterioration, shortage of freshwater water resources, and a series of ecological problems such as soil salinization and desertification. It becomes a significant factor to restrict of the sustainable development of economic society in coastal areas. The reduction of fresh water by rivers, sea level rising reduced by climate change and effect of human activities accelerate the seawater intrusion and make this situation more serious. It is essential to accurately simulate and predict the trend of seawater intrusion in coastal areas in different scenarios to solve the problem of shortage of water resources and ecological environment in coastal areas. The model based on variable-density flow and solute transport needs to be considered and built to solve the problem of seawater intrusion. On the basis of the groundwater dynamics theory and distributed time variable gain model (DTVGM), a two-dimensional variable density groundwater flow and solute transport module is developed to describe and simulate seawater intrusion process. The model makes a application in Guangrao County in the southern area of the Yellow River Delta to simulate the trend of seawater intrusion in the next 20 years under different climate change scenarios and impact of human activities; to take analysis of area —————————————————————————————————————————————————— ——— differences by the joint action from precipitation differences and water conservation planning; and to take the risk assessment of status quo and future seawater intrusion by comprehensive utilization of monitoring data and simulation results; ultimately to provide a scientific basis and technical support for efficient using, planning and management of regional water resources. The main conclusions of the paper are as follows: (1) Taking the water level distribution, velocity distribution, density distribution and the concentration distribution as the public variables, the variable density groundwater flow and solute transport model is coupled tightly. It uses the algorithm of strongly implicit procedure (SIP) to get the iterative solution. The Henry problem is solved to validate the model and the result is reasonable. (2) The soil water recharge simulated by distributed hydrological model DTVGM is one of inputs to variable density groundwater flow and solute transport module which makes an achievement of loose coupling between surface water module and variable density groundwater flow and solute transport module. Then validation of the coupled model will be made by comparing the monthly runoff data from hydrological station in Xiaoqing river basin and monitoring data of seawater intrusion in Guangrao county in the south of Yellow river delta with modeling results. Efficiency coefficients of monthly runoff simulated by the coupled model —————————————————————————————————————————————————— ——— are more than 0.74, the relative errors are less than 6.4% and correlation coefficients are greater than 0.86. The correlation coefficient between simulated and measured groundwater level reach up to 0.959; the correlation coefficient of simulated and observational cl- concentration is 0.914. It III proved the reliability of coupled model by simulating the process of surface water, groundwater and solute transport. (3) According to the climate change scenarios, precipitation differences and water conservation planning, and taking 2009 as the reference year, 12 different forecast scenarios are made to take a forecast analysis of seawater intrusion trend multi-scenario in the study area. In the SERS A1B scenario and maintaining the present exploitation, the lines of seawater intrusion will move southward in northwest and east of study area in 2030 where the areas of seawater intrusion will increase 5.55km2 and 3.13km2 respectively. The lines of seawater intrusion in central region of study area will keep steady. In all 12 kinds of prediction scenarios, the area difference of seawater intrusion will be 19.14 km2 between the most optimal scenario and the worst one. (4) Under the worst scenario, it will stay high risk and relatively high risk in most north part of study area in 2015 and 2030 except the area —————————————————————————————————————————————————— ——— along Xiaoqing River, and the area of high risk and relatively high risk is distinctly expanded 80%relative to the area of reference year. As well, compared to 2015, 20% increasing of high risk and relatively high risk areas will happen in 2030. It shows that if the study area is stay drought (90% guaranteed rate of precipitation), high-risk areas will continue to increase gradually. Compared to 2009, the low risk areas are expanding in central part of study area in 2015 and 2030 because the groundwater gets recharge from seepage of Zihe reservoir. The low risk areas of seawater intrusion increased by 10.3%. While in the most optimal scenario, compared to 2009, the high risk and relatively high risk areas of seawater intrusion in the northern part of study area decrease by 70.3% in 2030 because of sufficient precipitation recharge to groundwater for effectively preventing the seawater intrusion. Most of the high risk areas of seawater intrusion in northern part of study area become medium risk areas. The low risk areas of seawater intrusion in central part of study area around Zihe reservoir are expending gradually. This is the influence of river-type reservoir to prevent seawater intrusion. Key words: variable density flow, groundwater flow and solute transport, seawater intrusion, Yellow river delta, risk assessment IV 目录 目 录 —————————————————————————————————————————————————— ——— 摘 要.........................................................................................................I Abstract.................................................................................................III 目 录.........................................................................................................I 图 目录.........................................................................................................I 表目 录.........................................................................................................I 第一章 绪 论..............................................................................................1 1.1选题依 据..................................................................................................................1 1.2 国内外研究进 展.....................................................................................................3 1.2.1 密度驱动的流体问 题...................................................................................3 1.2.2 变密度地下水渗流与溶质运移模拟研 究...................................................4 1.2.3 地表水与地下水耦合模拟研 究...................................................................6 1.2.4 海水入侵风险评价综 —————————————————————————————————————————————————— ——— 述.............................................................................11 1.3 研究内容与研究框 架...........................................................................................12 1.3.1 研究内 容.....................................................................................................12 1.3.2 研究框 架.....................................................................................................13 第二章 分布式水文模型 DTVGM.............................................................15 2.1单元产流模 型........................................................................................................15 2.1.1 地表水产 流.................................................................................................16 2.1.2 土壤水产 流.................................................................................................16 2.1.3 土壤蒸 发.....................................................................................................18 2.1.4 潜水蒸 发.....................................................................................................19 2.1.5 地下水产 流.................................................................................................20 2.2汇流模 —————————————————————————————————————————————————— ——— 型................................................................................................................ 21 第三章 变密度地下水流溶质运移模块的开 发....................................25 3.1变密度地下水流溶质运移的数值方程与离 散....................................................25 3.1.1 数值方 程.....................................................................................................25 3.1.2 数值方程的离 散.........................................................................................27 3.2数值方程的算法及验 证........................................................................................29 3.2.1 强隐式差分格 式.........................................................................................30 I 3.2.2 系数矩阵的近似因子分 解.........................................................................33 3.2.3 强隐式迭代解 法.........................................................................................35 3.2.4 前推回代过 程.............................................................................................35 3.2.5 SIP算法验 —————————————————————————————————————————————————— ——— 证...............................................................................................36 3.3 模型的验 证...........................................................................................................41 3.3.1 模型计算 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图.........................................................................................41 3.3.2 Henry问 题...................................................................................................41 第四章 变密度地下水流溶质运移与分布式水文模型耦合模 型........43 4.1 耦合模型的结 构...................................................................................................43 4.2 耦合模型的建 立...................................................................................................45 4.2.1 数据准 备.....................................................................................................46 4.2.2 模型主要参 数.............................................................................................47 4.2.3 小清河流 域.................................................................................................48 4.2.4 黄河三角洲南部广饶 县.............................................................................57 4.2.5基于耦合模型的海水入侵验 —————————————————————————————————————————————————— ——— 证..................................................................70 第五章 不同情景下未来海水入侵趋势预测研 究................................83 5.1 海水入侵预测方 案...............................................................................................83 5.2气候情景介 绍........................................................................................................84 5.2.1 未来气候条件下温度与降雨量分 析.........................................................85 5.2.2 不同保证率条件下的降雨选 择.................................................................87 5.3未来情景下海水入侵情 况....................................................................................88 5.3.1 未来情景下研究区海水入侵趋 势.............................................................88 5.3.2 未来情景下研究区单点地下水位与溶质浓度过程 线.............................90 5.3.3 不同保证率方案对 比.................................................................................93 5.3.4 最丰最枯方案的确定以及相对应的海水入侵情 况.................................94 第六章 不同情景下海水入侵风险灾害评 —————————————————————————————————————————————————— ——— 价........................................99 6.1 海水入侵风险灾害评价的概 念...........................................................................99 6.2 灾害风险评价指标体 系.......................................................................................99 6.2.1 评价方 法.....................................................................................................99 6.2.2 评价指标权重的确 定...............................................................................100 6.2.3 评价因子选 取...........................................................................................100 6.2.4 评价步 骤...................................................................................................102 6.2.5 风险等级划 分...........................................................................................102 6.3 海水入侵风险灾害现状评 价.............................................................................103 6.4 未来情景海水入侵风险灾害评 价.....................................................................104 II 目录 第七章 结论与展 —————————————————————————————————————————————————— ——— 望..............................................................................107 7.1主要结 论..............................................................................................................107 7.2特色与创 新..........................................................................................................110 7.3展 望......................................................................................................................110 参考文 献................................................................................................113 致 谢.....................................................................................................125 作 者简历................................................................................................127 III 图目录 图目录 图 1- 1研究框 架...................................................................................................................13 图 2- 1 DTVGM单元模型结构 图........................................................................................16 图 2- 2山坡研究段的概念性表 示.......................................................................................17 —————————————————————————————————————————————————— ——— 图 2- 3网格(i，j)及其相邻网 格.....................................................................................20 图 3- 1三维计算网格示意 图...............................................................................................28 图 3- 2格点系数相关位置 图...............................................................................................30 图 3- 3假设的矩形2D渗流区位置 图.................................................................................30 图 3- 4式3-22系数相关联的格点示意 图..........................................................................32 图 3- 5有限差分网格剖分图及初始浓度场 图....................................................................37 图 3- 6 SIP算法实例验证 图.................................................................................................38 图 3- 7 SIP算法验证3D切片 图..........................................................................................40 图 3- 8 SIP算法3D三维验证 图..........................................................................................40 图 3- 9变密度地下水流溶质运移模型计算流程 图............................................................41 图 3- 10滨海承压含水层海水入侵问题(Henry问题)的定 义.......................................42 —————————————————————————————————————————————————— ——— 图 3- 11问题参考水头等值线分 布......................................................................................42 图 3- 12 Henry问题的浓度等值线分 布...............................................................................42 图 4- 1耦合模型结构示意 图...............................................................................................43 图 4- 3耦合模型计算流程 图...............................................................................................46 图 4- 4小清河流域行政区划 图...........................................................................................49 图 4- 5小清河流域DEM及水文气象站点 图.....................................................................49 图 4- 6小清河流域三地降水小波实部、模平方系数时频分布 图....................................51 图 4- 7小清河流域三站径流小波实部、模 平方系数时频分布图....................................52 图 4- 8小清河流域降水小波方 差.......................................................................................53 图 4- 9小清河流域径流小波方 差.......................................................................................53 图 4- 10小清河流域降水DFA标度指数拐点分 析............................................................55 图 4- 11小清河流域径流DFA标度指数拐点分 —————————————————————————————————————————————————— ——— 析............................................................55 图 4- 12小清河流域降水、径流序列h(q)-q关系曲 线......................................................56 图 4- 13广饶县及研究区位置 图.........................................................................................58 图 4- 14广饶县2000-2009年月降水 量..............................................................................59 图 4- 15基地构造及第四系等厚度 图.................................................................................61 图 4- 16广饶县地下水长观井分布 图.................................................................................66 图 4- 17 花官乡58A和石村乡110观测井2005年年内动态曲 线..................................67 图 4- 18西营乡14B和大王镇陈官庄105观测井2005年年内动 态曲线.......................68 图 4- 19 58A观测井地下水多年动态变 化..........................................................................69 图 4- 20 105观测井地下水多年动态变 化...........................................................................69 图 4- 21 30A观测井地下水多年动态变 化..........................................................................69 图 4- 22研究区初始流场 —————————————————————————————————————————————————— ——— 图.................................................................................................71 图 4- 23研究区初始浓度场 图.............................................................................................71 图 4- 24地下水模型边 界.....................................................................................................72 图 4- 25灌溉分区 图.............................................................................................................73 图 4- 26麻湾灌区平面 图.....................................................................................................73 图 4- 27工业用水、生活用水井点 位.................................................................................75 I 图 4- 28地下水渗流模拟参数分区 图.................................................................................75 图 4- 29地下水溶质运移参数分区 图.................................................................................75 图 4- 30 1980-2009年黄台桥水文站实测与模拟月流量过程对比 图...............................77 图 4- 31 1983-2007年岔河水文站实测与模拟月流量过程对比 图...................................77 图 4- 32观测井模拟值与实测值对比 图..............................................................................80 —————————————————————————————————————————————————— ——— 图 4- 33水位模型验证散点 图.............................................................................................80 图 4- 34研究区含水层验证期地下水流场拟合 图..............................................................81 图 4- 35溶质运移模型验证散点 图.....................................................................................81 图 4- 36 2009.4氯离子浓度等值线对比 图..........................................................................81 图 5- 1 IPCC 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 温室气体排放情 景.................................................................................85 图 5- 2 1901~2099年B1情景下广饶县降雨量预测及趋势分 析......................................86 图 5- 3 A1B~A2~B1情景下预测值与实测值拟合情 况.....................................................86 图 5- 4广饶县1961-2009年降水频率拟 合........................................................................87 图 5- 5研究区2009年、2015年和2030年地下水位流场 图...........................................88 图 5- 6研究区2009年、2015年和2030年地下水位流场3D效 果图............................89 图 5- 7研究区2009年与2030年研究区海水入侵线 图....................................................90 —————————————————————————————————————————————————— ——— 图 5- 8预测地下水流场和cl-浓度单点位置 图..................................................................91 图 5- 9方案4情景下研究区地下水流场和cl-浓度单点过程线 图...................................92 图 5- 10方案11情境下研究区地下水流场 和cl-浓度单点过程线图...............................93 图 5- 11方案8和方案11情景下地下水水位0m高程 线.................................................94 图 5- 12方案8和方案11情景下海水入侵 线....................................................................94 图 5- 13方案7-方案12情景下2030年地下水水位0m 线..............................................95 图 5- 14方案8和方案12 2030年地下水0m线对比 图....................................................95 图 5- 15方案7和方案11 2030年地下水0m线对比 图....................................................95 图 5- 16方案1和方案10 2030年地下水0m线对比 图....................................................96 图 5- 17方案4和方案9 2030年地下水0m线对比 图......................................................96 图 5- 18方案4和方案9 2030年海水入侵线范围 图.........................................................96 图 6- 1广饶县土地利用类型 图.........................................................................................101 图 6- 2广 —————————————————————————————————————————————————— ——— 饶县土壤类型 图.................................................................................................102 图 6- 3广饶县海水入侵现状风险评价图(2009 年).....................................................103 图 6- 4最枯方案(方案9)2015年和2030年海水入侵风险灾害评价图....................104 图 6- 5最丰方案(方案4)2015年和2030年海水入侵风险灾害评价图....................105 II 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