岩溶水资源评价方法.ppt

岩溶水资源评价方法研究,中国地质大学（武汉） 2011年3月20日,2,岩溶水资源评价方法研究的必要性,近年来由于用水量的增加, 无节制地开采地下水, 水资源管理不善, 在长期开采地下水过程中, 引发了区域地下水位下降、抽水井单井涌水量减小、水质恶化、岩溶塌陷等一系列环境地质问题。目前这些问题还有继续加剧的趋势。 水资源已成为经济建设发展的制约因素。岩溶水是优质的供水水源，针对岩溶水特点，进行水资源评价，合理开发利用和管理水资源，是亟待解决的关键问题。 岩溶水评价是目前地下水资源评价中的一个难题。由于岩溶水分布规律和运动途径一般不易查清, 运动规律研究得还不够, 因而到目前为止尚未找到能正确表征岩溶水运动规律的方程。,3,岩溶水资源分布及特点,岩溶水资源分布 碳酸盐岩出露面积约占全国陆地面积的十分之一左右 全国岩溶水天然资源约占全国地下水天然资源的四分之一 岩溶水天然资源绝大部分集中分布于湿润的南方, 云南、广西、四川、贵州、湖南和湖北等省裸露和半裸露岩溶地区,4,岩溶水资源分布及特点,岩溶水资源特点 一个地区岩溶地下水资源的形成是含水结构、补给条件、水动力条件、水化学条件等综合作用的结果。岩溶水含水结构复杂, 补给方式多样, 富水不均匀性强, 水动力条件复杂、因此, 应该从独立的水文地质单元出发, 把其视为一个完整的系统, 研究其特有的结构、边界条件及完整的补径排体系。 水资源管理难度大 -碳酸盐岩特有的不同岩性结构, 经岩溶化作用的结果, 形成不同形状，大小和不同性质的含水空间。再加上岩层构造上的差异，使含水空间分布极不均匀，富水性差异大。 岩溶水系统的边界条件 -接受地表水补给或向地表排泄的边界，与可溶岩接触的隔水边界，有地下分水岭存在的隔水边界，断层隔水或阻水边界，地下径流进出口边界,5,岩溶水资源分布及特点,岩溶水资源特点 岩溶水补径排条件 -岩溶含水层构造、埋藏条件及边界条件的差异决定了岩溶水补径排方式的多样化。 南方岩溶水特点 -南方碳酸盐岩分布广, 质纯, 厚度大, 岩溶发育强烈而不均匀, 广泛发育有地下暗河。水量丰富,水位和水量变化大, 补给、径流和排泄较迅速, 岩溶水资源形成周期较短, 常具有月调节特征，其开发利用程度较低。 北方岩溶水特点 -北方岩溶发育相对较弱, 以溶蚀裂隙为主。含水体具有统一地下水面, 储水和调节库容较大, 具有多年调节特征。岩溶水多以泉群形式集中排泄, 泉水流量大而稳定，其开发利用程度较高。,6,岩溶地下水资源评价研究意义,岩溶地下水系统是一个开放、半封闭体系，它与外界环境有物质、能力以及信息的交换。所以对于岩溶水的研究应该综合考虑自身及外界的影响，使研究成果具有更大置信度和更好精度。 岩溶地下水富水性是指地下水系统的储存能力和岩溶水的分布规律，反应了水资源空间分配和时间分配情况，是合理开发水资源和有效调度水资源的理论依据。如何能准确评价地下水的富水性，对水资源的有效利用有着重要的现实意义。,7,岩溶水资源评价的研究现状,目前有很多模型、方法或技术应用于岩溶水资源的评价。但是基 于地下岩溶条件的复杂性和多变性，采用怎样的方法进行评价，一 直为人们所讨论。 在以往包括现有的岩溶水资源评价的研究中存在很多的局限和 不足，但是人们一直在不断的探索和尝试新的方法，针对不同的岩 溶研究区，建立适合该区的水资源评价体系。 随着数学及计算机技术的普及，越来越多的新方法新理论被尝试 应用于岩溶水资源的评价中，例如人工神经网络方法、时间序列法、 层次分析法、系统分析法，GIS方法等。 并且随着地质监测手段的不断发展，许多依赖于准确含水层参数的 定量评价方法也逐渐的受到关注，数值模拟的方法综合了地质条件、数 学以及计算机技术，该方法在岩溶水资源评价方面将有很大的发展前景。,8,岩溶水资源评价方法及实例应用,GIS原理评价岩溶水资源评价 层次分析法 人工神经网络方法 水均衡原理定量评价岩溶水资源 系统分析法,9,岩溶水资源评价方法 （1）基于GIS原理评价岩溶地下水富水性,岩溶地下水富水性评价GIS方法原理 GIS空间分析方法原理 -GIS以地理空间数据库 库为基础，运用系统工程和信息科学的理论，采用地理模型分析方法，通过提供多种空间和动态的地理信息，产生对资源环境、灾害防治、区域规划和管理决策等方面的有用信息。 岩溶地下水资源评价GIS方法原理 -该方法的基本思想是获取岩溶地下水富水性的决定因素，将其分类归纳，利用GIS分别建立影响因子的栅格要素曾，按照影响因子的影响性大小，进行空间叠加分析，最终得到综合评价下的富水性分布规律。,10,岩溶水资源评价方法 （1）基于GIS原理评价岩溶地下水富水性,岩溶地下水资源影响因子 水文地质环境因子 -包括岩溶地下水的补给、排泄和径流区的划分，岩溶发育程度， 岩性，含水层类型及含水层厚度 构造环境因子 -包括断层、断裂富水性分带，向斜、背斜富水性等 气象环境因子 -包括降雨、蒸发的时空分布 其他环境因子 -地下水动态、人工开采、生态环境,11,岩溶水资源评价方法 （1）基于GIS原理评价岩溶地下水富水性,获取岩溶地下水富水性的决定因素,建立评价模型,利用GIS分别建立各影响因子的栅格数据层,按因子影响性大小进行空间叠加分析,得出综合评价下的富水性分布规律,岩溶水资源评价GIS方法步骤,影响因子的选择与获取,12,岩溶水资源评价方法 （1）基于GIS原理评价岩溶地下水富水性实例,2006年邱士利将GIS方法与地质统计学以及非线性模型相结合，选取了广西黎塘地区为研究区，定量评价了岩溶地下水富水性。 定量分析了岩溶发育程度、断层构造、地下河系、地貌类型、含水层组和地下水水位变幅六个影响因子。 确定各影响因子的影响权重 建立了该区岩溶地下水富水性评价模型 对黎塘地区岩溶水资源进行定量评价,13,岩溶水资源评价方法 （2）基于层次分析法的岩溶水资源评价,找出岩溶水资源的控制因素,气候、岩溶发育程度、岩溶带的连续性和阻水性结构、岩层倾角、地形地貌、植被覆盖率等,确定各影响因子的权重,确立隶属关系、建立正互反矩阵、归一化处理、一致性检验,计算表层岩溶水调节系数,参照标准，确定因子的分值，结合权重计算出特征分值，即为调节系数,岩 溶 水 资 源 计 算,14,岩溶水资源评价方法 （2）基于层次分析法评价岩溶水资源实例,王伟等2007年将基于层次分析法的表层岩溶水资源评价方法引入到贵州高原的大小井流域。 用该方法量化了影响表层岩溶带系统调节表层岩溶水能力的主要因素 以大小井流域的岩溶泉作为比拟对象 最终计算出区域表层的岩溶水资源量并进行模拟分析,15,岩溶水资源评价方法 （3）基于人工神经网络评价岩溶水资源,人工神经网络评价方法的引入 岩溶水评价中存在的问题 -岩溶水评价是目前地下水评价中的一个难题。但是岩溶水分布规律和运动途径一般不易查清，运动规律研究的不够，因而到目前为止尚未找到确切刻画岩溶水运动规律的方程， 这就使得岩溶水评价数学模型往往借用多孔介质或双重介质模型,影响评价精度。 人工神经网络方法用于岩溶水资源评价的引入 -人工神经网络具有自组织、自适应和自学习能力，其中BP网络是一种非线性映射人工神经网络，对于任何闭区间连续函数都可以用一个隐层的BP网络来逼近。因此可用一个三层BP网络逼近模拟岩溶地下水系统。,16,岩溶水资源评价方法 （3）基于人工神经网络评价岩溶水资源,BP网络模拟岩溶地下水系统的原理 网络的建立,人工神经网络拓扑结构图,输入层有Ni个结点，隐含层有Nh个结点，输出层有N0个结点，其中Ni由影响地下水系统的因素个数决定，N0由地下水系统响应的个数决定。,17,岩溶水资源评价方法 （3）基于人工神经网络评价岩溶水资源,BP网络模拟岩溶地下水系统的原理 网络的建立,Nh的范围由以下三个方程决定,式中：p样本数； -为大于1小于10的整数,上图中Wi,j 表示输入层与隐含层之间权值；Wkj 表示隐含层和输出层之间的权值。,18,岩溶水资源评价方法 （3）基于人工神经网络评价岩溶水资源,BP网络模拟岩溶地下水系统的原理 学习原理,设有P个样本，则对于第P个样本，某一个结点，其输入为Xp，i ，输出为Op，j ，则：,用权值调整公式，对于输出层和隐含层分别为：,19,岩溶水资源评价方法 （3）基于人工神经网络评价岩溶水资源,BP网络模拟岩溶地下水系统的应用实例 以济南市为例，对网络模型进行训练和拟合。 设定该区地下水位主要由大气降水和开采量决定 建立一个两个输入点、一个输出结点的3层BP网络模型，隐层取三个结点。 取研究区1959-1980年的降雨量、开采量输入，地下水位作为输出，对资料进行处理、计算、拟合。,20,岩溶水资源评价方法 （4）水均衡原理定量评价岩溶水资源,水均衡法引入的原因 鉴于现有的模型很难在岩溶地区推广应用，都具有一定的局限性，例如 地下水动力学方法大多是建立在含水层过分理想化的基础上，而岩溶介质的特征与理想条件差距甚远，含水层厚度变化无常，空间展布不规则，含水介质不连续，非均质性明显。 数值模型是以精确的数学为基础，但是依赖于含水层系统精确的参数，边界条件，补径排关系等，需要投入大量的资金和勘察工作。 统计模型需要掌握大量时间序列资料 而以水均衡原理为基础的岩溶水资源评价方法，不需要考虑含水 层的空间展布和内部结构，具有较大的适应性。,21,岩溶水资源评价方法 （4）水均衡原理定量评价岩溶水资源,水均衡法原理 水均衡方程,对于含水层中任一单元体，某时段内净流入的水量等于引起该单元体在该时段内水头变化所需的水量。对某一研究对象，流入 流出体系内质量变化量。,22,岩溶水资源评价方法 （4）水均衡原理定量评价岩溶水资源,水均衡法方程中各参数的含义,式中： Q补、Q开、Q雨、Q河、Q灌分别代表岩溶水补给量、开采量、降 雨入渗补给量、河水渗漏补给量和灌溉入渗补给量 (m3)， -降雨入渗补给系数，-灌溉入渗补给系数，-岩溶 岩层综合给水度，-河水入渗补给强度（m3/d）,H-水 位变幅， t-均衡时间段d，F-岩溶区面积km2，T-河水位 补给时段d，P-降雨量mm，A-降雨入渗补给面积km2，G-田 间灌溉水量m3.,23,岩溶水资源评价方法 （4）水均衡原理定量评价岩溶水资源实例,选取山东邹城电厂附近的供水水源地两城水源地，运用水均衡方法对其岩溶水资源量进行研究评价。具体如下： 收集研究区长期的降雨蒸发资料以及地质资料。 得到研究区的基本参数，例如降雨入渗系数、灌溉入渗系数、河流入渗补给量，计算区面积等。 设定补给天数，根据水文地质系数，求取研究区的补给资源和开采资源量。 确定研究区的水资源特征，判断该区的供水潜力。,24,岩溶水资源评价方法 （5）系统分析法,系统分析法的引入 岩溶水资源已经被广泛的开发利用，由于岩溶水赋存和运动的复杂性，使得岩溶水资源的评价方法一致为人们所探讨。 以往多把岩溶水介质等效视为孔隙介质，采用孔隙含水层的评价方法。 利用分布参数的确定性模型要求获取评价区的水文地质参数和边界条件等等。 于是系统理论法就被引入了水资源评价的领域,25,岩溶水资源评价方法 （5）系统分析法,系统分析法的原理,系统理论法是将一个完整的水文地质单元作为一个系统考虑, 并将进入系统的水量作为输入信息, 将流出系统的水量作为输出信息, 根据输入与输出变量之间的因果关系应用数理统计的方法建立统计模型或者随机模型进行水位、水量预测。,岩溶水的形成受很多因素的影响，其间的关系要借助于数理统计方法建立相关分析方程进行动态预测，而在复杂的岩溶水系统中，变量众多的情况下，运用逐步归回分析效果更好。,26,岩溶水系统划分原则 以大的河流、流域作为一个系统，一、二、三级系统 （单元）按水利部门划分的流域分级； 以完整大泉、地下河流域具有完整独立输入、输 出体系的地质体作为子系统； 四级及四级以下系统 （基本单元） 必须是具有完整补、 迳、排过程的一个地下水系统。 编制地下水资源评价流域系统分区图,27,岩溶水资源评价方法 （5）系统分析法,逐步回归分析方法的原理及方法,对于研究的变量y（流量或水位）,虽然从物理意义上选出一些对y有影响的因子,但由于变量y构成的复杂性,其影响因子对y影响的显著程度,单从物理分析很难判断,其中有些可能对y影响显著，有些影响很小，为了避免遗漏影响显著的因子,在初步选因子时,往往考虑要多一些,再优选出影响较大的一些因子,构成一个“最优线性回归方程”。,原理,方法,逐步回归方程的建立是将考虑的因子一个个引入, 该引进因子偏回归平方和经检验是显著的。同时每引入一个新因子后, 对老因子逐个检验, 将偏回归平方和变化不显著的因子剔除, 此过程直到没有显著的因子可以引人为止。,28,岩溶水资源评价方法 （5）系统分析法,逐步回归分析方法的步骤,确定输入和输出信息,大气降雨作为输入信息，排泄作用的泉群为输出信息,建立系统输入输出响应方程式,Q-输出响应，P-输入响应，W-系统权函数,水文地质条件的概化,将含水体、降雨量、泉排量看成是一个线性不随时间改变的单输入输出集中参数系统,求 解 模 型,对方程进行离散，确定权序列，解出权函数