（农业水土工程专业论文）滦河内蒙段径流变化规律分析预测及流域水资源模拟评价研究.pdf

摘要 水是人类赖以生存和发展的不可替代的重要资源和物质基础，又是生态环境的 基本要素，随着国民经济的不断发展，水资源问题越来越成为制约社会经济发展的 重要因素。水资源系统是庞大而多变的非线性动力系统，水资源问题涉及的内容众 多，而径流的模拟预测目前仍处于积极探索和不断发展阶段，这也是当前水科学研 究中的热点与难点之一。浑善达克沙地是内蒙古自治区生态建设重点区之一，生态 保护与建设成败的关键因素之一是水资源承载能力能否支撑生态建设需水。 本文以国家自然科学基金重点研究项目“京蒙沙源区植被建设中的水资源优化 配置研究”为依托，在总结吸收前人研究成果的基础上，将地质统计学理论、人工 智能理论及m o d f l o w 模型应用于滦河内蒙段径流变化规律分析预测及流域水资 源模拟评价的研究中。 文章主要内容如下： 首先，采用时间域地质统计学理论，建立了时间域普通克立格、泛克立格及协 克立格预测模型，实现了对研究区年径流的预测，并对预测结果进行对比分析。同 时采用基于人工智能技术中的遗传算法和神经网络模型，建立了甩于径流预测的基 于r a g a 的s h e p a r d 相似模型、基于r a g a 的投影寻踪模型、a b p 神经网络模型 及基于r a g a 的组合预测模型，实现了对研究区年径流的预测。在对研究区枯季径 流统计特性进行分析的基础上，建立了枯季径流预测模型，研究了枯季径流的变化 规律。其次，对研究区的水资源量进行了模拟评价。采用常规评价方法评价了区域 地表水资源量，采用排泄量法评价了区域地下水资源量，给出了研究区的地表、地 下水资源量，总水资源量。采用m o d f l o w 模型对选定子研究区的地下水系统进 行了模拟，对其地下水资源进行了评价。 文章最后概括总结了本文的主要研究内容及取得的成果，并对有待进一步研究 的问题进行了展望。 关键词：模拟；预测；径流变化；水资源；滦河流域：内蒙古 r e s e a r c ho nt h es i m u l a t i o na n d p r e d i c t i o no f t h er u n o f f c h a n g e sa n d w a t e rr e s o u r c e so ft h el u a n h eb a s i ni ni n n e rm o n g o l i a a b s t r a c t w a t e rr e s o u r c ei sv e r yi m p o r t a n tt ot h eh u m a n i t y , i tc a n n o tb es u b s t i t u t e d , a n da l s o i ti st h ee s s e n t i a lf a c m ro ft h ee c o l o g i c a le n v i r o n m e n t a l o n gw i t he c o n o m y d e v e l o p m e n t , w a t e rr e s o u r c eh a sb e c o m et h ed e c i s i v ef a c t o rt or e s t r i c tt h es o c i a le c o n o m yd e v e l o p m e n t w a t e rr e s o u r c e ss y s t e mi sah u g ea n dn o n l i n e a rd y n a m i cs y s t e m ，t h em s e a r c hc o n t e n ti t i n v o l v e si sm u l t i t u d i n o u s ，b u tt h er u n o f fs i m u l a t i o nf o r e c a s ti ss t i l li nt h ep o s i t i v e l ye x p l o r i n gs t a g e t h i si sa l s oo n eo ft h eh o ta n dd i f f i c u l ts t u d ys p o t si nt h i sa r e a t h eh o s h a n d u c k e rs a n d ya r e ai so n eo fi n n e rm o n g o l i aa u t o n o m o u sr e g i o ne c o l o g yc o n s t r u c t i o n k e ya r e a s ，w h e t h e rt h ew a t e rr e s o u r c e sb e a r i n gc a p a c i t yc a ns u p p o r t st h ee c o l o g yc o n s t r u c t i o nn e e di so n eo fk e ya s p e c t si nt h es u c c e s so fe c o l o g yp r o t e c t i o na n dc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e s 允n dr e s e a r c hp r o je c to f a s t u d yo fs c i e n t i f i ca l l o c a t i o no fw a t e rr e s o u r c e sf o rv e g e t a t i o nc o n s t r u c t i o ni nt h e s a n d ya r e ab e t w e e nb e i j i n ga n di n n e rm o n g o l i a i nt h ef o u n d a t i o no ft h ep r e d e c e s s o r r e s e a r c h ，t h ea u t h o ra p p l i e st h eg e o l o g i c a ls t a t i s t i c st h e o r y , t h ea r t i f i c i a li n t e l l i g e n c et h e o r y , t h em o d f l o wm o d e li nt h er e s e a r c ho ft h er u n o f ff o r c a s to fl u a n h er i v e ri n n e r m o n g o l i as e c t i o na n di t sg r o u n d w a t e rr e s o u r c e ss e y s t e ms i m u l a t i o n t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , b yu s i n gd o m a i ng e o l o g ys t a t i s t i c st h e o r y , t h et i m ed o m a i no r d i n a r yk r i g i n g ； u n i v e r s a lk r i g i n g ；c o k r i g i n gf o r e c a s t i n gm o d e l sa r ee s t a b l i s h e d ，t h ea r e aa n n u a lf l o w f o r e c a s ti sr e a l i z e d ，a n dt h ec o n t r a s ta n a l y s i st ot h ef o r e c a s tr e s u l ti sc a r r i e do n s i m u l t a n e o u s l y , b yu s i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h en e u r a ln e t w o r km o d e lb a s e do nt h ea r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c et e c h n o l o g y , s h e p a r di n t e r p o l a t i o nm o d e l ，p r o j e c t i o np u r s u i tm o d e l b a s e do nt h er a g & a - b pn e u r a ln e t w o r km o d e la n dt h ec o m b i n a t i o nf o r e c a s t i n g m o d e la l s ob a s e do nt h er a g aa r ee s t a b l i s h e d ，t h er u n o f ff o r e c a s ti sr e a l i z e d a f t e r s t u d y i n gt h ed r ys e a s o nr u n o f fs t a t i s t i c a lp r o p e r t yo ft h i sa r e a , t h ed r ys e a s o nr u n o f f f o r e c a s t i n gm o d e li se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h ew a t e rr e s o u r c ea m o u n to ft h i sa r e aa r e e v a l u a t e d ，u s i n gt h ec o n v e n t i o na s s e s s m e n tm e t h o dt oe v a l u a t et h er e g i o n a ls u r f a c ew a t e ra m o u n to fr e s o u r c e s ，u s i n gt h ee x c r e t i o nm e m u r a f i o nm e t h o dt oe v a l u a t et h er e g i o n a l g r o u n dw a t e ra m o u n to fr e s o u r c e s t h i r d l y , t h em o d f l o w i su s e di nt h es i m u l a t i o no f t h eg r o u n dw a t e rs y s t e mi nas u b a r e a t h ep r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o 5 013 9 0 4 0 ) a n di n n e rm o n g o l i an a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o 2 0 0 4 0 8 0 2 0 3 0i ) a tt h ee n do ft h ep a p e r s ，a u t h o rs u m m a r i z e st h er e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h ea c h i e v e m e n t sa n dd i s c u s s e st h ep r o b l e me x i s t i n gi nt h es t u d yp r o c e s s k e yw o r d s ：s i m u l a t i o n ；p r e d i c t i o n ；r u n o f f c h a n g e s ；w a t e rr e s o u r c e sil u a n h eb a s i n ；i n n e r m o n g o l i a d i r e c t e db y ：p r o f c h a o l u n b a g e n a p p l i c a n tf o rd o c t o rd e g r e e ：l if e n g l i n g ( a g r i c u l t u r a l w a t e ra n ds o i le n g i n e e r i n g ) ( t h ec o l l e g eo f h y d r a u l i ca n dc i v i le n g i n e e r i n go f i n n e rm o n g o l i a a g r i c u l t u r a lu n i v e r s i t y , h u h h o t , 0 1 0 0 1 8 ，c h i n a ) 内蒙古农业大学 研究生学位论文独创声明 本人申明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果据我所知。除了文中特别加以标注和致谢坷 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 含为获得我校或其他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 明并表示谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任 论文作者签名：巷n 礁 日期：型，j 7 内蒙古农业大学研究生学位论文版权使用授权书 本人完全了解内蒙古农业大学有关保护知识产权的规定。即：研 究生在攻读学位期阊论文工作的知识产权单位属内蒙古农业大学本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位为内蒙 古农业大学，且导师为通讯作者，通讯作者单位亦署名为内蒙古农业 大学学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子文档，允许论文被查阅和借阅学校可以公布学位论文的全部或部 分内容( 保密肉霖除外) ，采用影印、缩印或其他手段保存论文 论文作者签名： 指导教师签名： 日 期： 篆掣 内蒙古农业大学博士学位论文 1 1 导论 1 1 选题背景 水是人类赖以生存和发展的不可替代的重要资源和物质基础，又是生态环境的基 本要素，随着国民经济的不断发展，水资源问题越来越成为制约社会经济发展的重要 因素。研究水资源问题，对于缓解水资源危机、保护生态环境、实现水资源的可持续 利用，进而实现社会经济的可持续发展具有十分重要的意义。在气候变化和人类活动 的干扰下，水循环规律发生了深刻的变化，水循环的时空格局和水资源的形成与演化 规律发生了巨大的变化，因而，水资源问题也变得越来越复杂。 水资源系统是庞大而多变的非线性动力系统，水资源问题涉及的内容众多，包括 水资源系统的优化、决策、评价以及预测等各个方面。径流是水资源系统变化的主导 因素之一，由于受气候、流域自然地理、社会发展以及人类生存需要的综合影响，径 流变化规律错综复杂，而原有的传统研究方法和手段面临着许多无法妥善处理的困 难，因此，需要不断引入新的理论和方法。径流的模拟预测目前仍处于积极探索和不 断发展阶段，这也是当前水科学研究中的热点与难点之一【l 】。 浑善达克沙地是内蒙古自治区生态建设重点区之一，该区自然地理条件恶劣，随 着经济的高速增长和过去几十年不合理的毁草垦地以及水资源的大量开采利用，脆弱 的沙地生态环境遭到严重破坏，水资源不断衰竭，河川径流量日趋减少，地下水位区 域性持续下降，沙化现象严重，加剧了水资源问题的复杂性和严峻性。为了保护沙地、 牧民生存空间、北京市免受沙尘暴的袭击，自治区按国家的要求提出了生态屏障建设 规划、生态环境保护与建设规划，并在积极实施。滦河内蒙段流域位于浑善达克沙地 的南缘，对于浑善达克沙地的治理和生态恢复建设具有重要的意义。 生态保护与建设成败的关键因素之一是水资源承载能力能否支撑生态建设需水。 了解流域径流时空变化规律、揭示其内在联系和变化趋势、对水资源系统进行模拟评 价是水资源承载能力分析的前期工作。同时，通过对流域径流时空变化规律研究和水 资源模拟评价研究，可真正掌握当前和将来水资源信息以及存在的问题，对提高人们 的水资源认识，协调流域生态环境和经济用水之间的关系，实现流域水资源科学管理 及水资源可持续利用，实现人与自然的和谐发展具有重要的意义。 本文以国家自然科学基金重点研究项目“京蒙沙源区植被建设中的水资源优化配 置研究”为依托，在总结吸收前人研究成果的基础上，将地质统计学理论、人工智能 理论及m o d f l o w 模型应用于滦河内蒙段径流变化规律及流域水资源模拟评价的研 究中，寻求和探讨径流预测和水资源模拟评价的改进的新方法、新途径，并为滦河内 蒙段流域进行经济活动宏观调控、生态保护与建设，以及农业种植结构调整、缓解供 需矛盾等提供依据。 2 滦河内蒙段径流变化规律分析预测及流域水资源模拟评价研究 1 2 国内外研究状况 1 2 1 径流预测研究 预测就是根据研究对象或类似于研究对象发展变化的实测数据、历史资料以及各 种经验、判断和知识等，充分分析研究对象的发展规律，运用一定的科学原理和方法 对研究对象在未来一定时期内的可能变化进行推测、估计、分析和评价，以减少对研 究对象未来状况认识的不确定性、指导研究对象的决策分析和减少决策的盲目性。 预测对象不同或预测方法不同，预测的实现过程也不同，从方法论的角度来说， 预测可以从以下步骤来实现：确定预测对象和预测目标；收集、分析资料和数据：确 定预测方法：建立预测模型，确定模型的结构和参数：利用模型进行预测；根据模型 的预测结果，对模型的合理性、计算精度等进行分析和检验：对预测结果进行修正、 评定，确定最终的预测结果，作为决策依据；根据预测的实际效果对预测模型进行修 改和完善。 水资源系统预测的主要内容包括水文要素预测、水量需求预测和水环境预测。径 流是水文基本要素之一，它与浅层地下水、大气、植物及土壤存在密切关系，对其进 行有效预测，可以为生态环境建设、经济发展提供重要的理论依据和参考数据。径流 受天文因子、气象因子、水文气象因子、植被土壤因子和人类活动等众多因素综合影 响，因此呈现高维性、随机性、模糊性等诸多复杂特征，从而造成了以目前科学发展 的水平难做到准确分析预测的现状，特别是对中长期径流变化准确分析预测更是困 难。限于目前的科技水平，国内外径流的中长期分析预测，总体上看尚无比较成熟的 方法可供借鉴，仍处于积极探索和不断发展阶段，因此径流预测也是当前水文水资源 工程研究的热点和难点之一。 根据预测方法的性质可以将预测方法分为四类：定性预测方法；时间序列预测方 法；因果关系预测方法；组合预测方法。其中时间序列、因果关系和组合预测方法属 定量方法，主要借助历史数据建模，预测精度主要取决于数据的可靠性和方法的科学 性。 定性预测法，它是以已知事物的基本现状为确切依据，判断其未来发展状况，揭 示某些不确定因素，主要是依据人们对系统过去和现在的经验、判断和直觉，通过现 场调查、专家打分、主观评价等对系统进行预测，如特尔斐法、主观概率法等。定性 预测法很难对预测结果的效果和精度进行分析，这就增加了其使用的局限性。因此， 在可以定量化的条件下，往往先通过定量后再进行预测分析，从而从更客观的角度进 行预测，提高预测的准确性。 时间序列分析预测法，主要是根据系统对象随时间变化的历史资料，通过系统时 间序列的自相关分析、谱分析等，对系统发展趋势进行外推。这也是目前用于径流预 测的分析应用最广泛的方法之一。如黄国如等( 2 0 0 4 ) 【2 l 阐述了流域降雨径流时间序 列的混沌识别及其预测研究进展：刘德林等( 2 0 0 6 ) t 3 1 大沽夹河为例研究了径流趋 内蒙古农业大学博士学位论文 3 势一随机时间序列预测模型；蒋传文等( 1 9 9 9 ) 1 4 提出了径流序列的混沌神经网络预 测方法等等。 因果关系预测方法，主要是根据系统内部要素变化存在的因果关系，通过识别影 响系统发展的主要变量，建立它们的数学模型，然后可以根据自变量的变化预测因变 量。如彭梅香等( 2 0 0 0 ) 【5 j 研究了黄河上游径流与太平洋海温场关系并对径流进行了 预测；车克钧等( 1 9 9 2 ) 【6 j 进行了祁连山森林生态环境与黑河流域径流量的灰色关联 分析和拓扑预测：j i t e n d r a 等( 2 0 0 2 ) 1 7 用地形特征预测了喜马拉雅某集水区径流等等。 组合预测方法主要是基于单种预测方法的局限性和近似性，通过对多种不同的预 测方法进行适当组合( 一般是线性加权) ，形成组合预测方法，以便综合利用各种预 测方法所提供的信息，从而提高预测的精度和可靠度。如胡平等( 2 0 0 4 ) i s 】提出了一 种非线性组合预测方法并在径流预测中应用；蒋传文等( 1 9 9 9 ) 【4 】将混沌理论和神经 网络相结合提出了径流序列的混沌神经网络预测方法：王文圣等( 2 0 0 4 ) 1 9 提出了基 于小波分析的组合随机模型并在径流预测中应用取得了较好的效果等等。 近年来，随着传统方法理论的逐步成熟、完善，一些新理论、新技术和新方法不 断被引入到水文水资源工程计算中，如灰色系统模型、人工神经网络、小波分析、混 沌理论及遗传算法等高效计算理论，使极其复杂的计算得以简便实现，这大大简化了 水文水资源工程预测的过程。 地质统计学( g e o s t a t i s t i c s ) 形成于2 0 世纪6 0 年代，是研究空间分布数据的结 构性和随机性，进行空间最优无偏内插估计的- 1 7 新的统计学分支，目前已在地质、 土壤、农业、水资源、气象、海洋、生态及环境等方面得到广泛应用。最初的地质统 计学主要用来研究矿床的品位，七十年代起，地质统计学被应用于水科学领域，如 n e u m a n ( 1 9 7 9 ，1 9 8 0 ) 利用地质统计学理论研究了含水层的水力特性，并给出应用实例； n e u m a n ( 1 9 8 4 ) 以区域地下水水位的资料用剩余克立格研究了地下水水位的非本征特 性的空间变异性：a m l e t o 等( 1 9 8 8 ) 用泛克立格研究了美国新泽西某区域含水层参数 空间分布特征；a b o u f i r a s s i 等( 1 9 8 9 ) 用协克立格法估计了丘陵地带的地下水水位： 李恩羊( 1 9 9 1 ) 用地质统计学研究了作物需水量及其空间变异性；毛荣生，李恩羊 ( 1 9 9 1 ) 研究了点雨量和面雨量的最优估计：朝伦巴根，刘廷玺等( 1 9 9 4 ) 以地质统 计学研究了含水层渗透系数k 的空间变异性：刘廷玺等( 1 9 9 5 ) i t s 给出了多时段泛克 立格空间估计方法并应用于水文领域中；陈亚新，徐英，史海滨等( 1 9 9 1 - 2 0 0 5 ) 1 1 9 ) 以地质统计学理论进行了水盐空间变异性及条件模拟的研究；施小清，吴吉春等 ( 2 0 0 5 ) 【2 0 】研究了含水介质各向异性对渗透系数空间变异性统计的影响和渗透系数空 间变异性。关于地质统计学在径流预测方面的应用研究并不多见。 1 2 2 水资源模拟评价研究 水资源评价就是按流域或地区对水资源的数量、质量、时空分布特征和开发利用 4 滦河内蒙段径流变化规律分析预测及流域水资源模拟评价研究 条件做出全面的分析估价，是水资源规划、开发、利用、保护和管理的基础工作，为 国民经济和社会发展提供水决策依据。 世界水资源评价工作始于1 9 世纪的末期，随着人口的膨胀；工农业用水的增长 和用水方式的改变给水资源带来了巨大的压力，水资源缺乏已经在许多国家不同程度 的出现，成为全球经济发展的一大障碍，许多国家开始寻找新的途径对水资源进行合 理规划和管理，水资源评价作为水资源综合规划和管理的基础性工作，逐渐受到世界 各国的关注。 早期的评价方法主要是水资源统计方法。对不同区域来说，统计方法不向，区域 水资源量的计算观点也各有不同，一般认为，一个区域的水资源量，只计算当地的地 表产水量，不计区域以外流入本区域的河川径流量和地下产水量。在此之后的水资源 评价发展中，才逐渐将地下产水量纳入到水资源量中。 随后发展起来的评价方法主要是流域水量平衡法，这种方法概念清楚，计算简便 快捷，目前许多国家仍然在使用，这种方法的主要缺点是对降水量、蒸发量等气象要 素的依赖性较大，计算精度低。 水均衡法对水资源评价比较粗略，而且不能反映水资源在时间上的变化，因而近 期在水资源评价中多采用数值模拟方法，以满足水资源规划和科学管理的需要，数值 模拟的作用和优越性越来越明显。 我国是从二十世纪八十年代开展全国性的水资源评价工作，建立起一套比较成熟 的水资源评价方法，并于二十一世纪初进行了第二次全国水资源评价，全面评价了我 国的水资源的数量、分布与特征。 我国采用的评价方法主要是水均衡法和数值模拟方法。 我国的水资源总量指评价区内当地降水形成的地表和地下产水总量( 不包括区外 来水量) ，由地表水资源量与地表水和地下水的不重复量相加得到。 地表径流量受人为因素影响较大，实测量己不能代表地表径流量，通过还原实测 径流量求得，还原项主要包括：农业灌溉耗损量：工业用水耗损量：城镇生活用水耗 损量：跨流域( 或跨区间) 引水量，引出为正，引入为负：河道分洪决口水量，分出为 正，分入为负；大中型水库蓄水变量，增加为正，减少为负。 地下水由于在山丘区和平原区的形成机理不同采用不同的评价方法：( 1 ) 山丘区 采用排泄量法求得地下水资源量，包括河川基流量、山前泉水溢出量、山前侧向流出 量、浅层地下水实际开采净消耗量和潜水蒸发量：( 2 ) 平原区采用补给量法计算地下 水资源量，主要包括降水入渗补给量、河道渗漏补给量、渠系渗漏补给量、田间回归 补给量、山前潜流补给量。 地表水和地下水的重复量包括山丘区河川基流量、平原区河川基流量、地表水体 补给量与河川基流量形成的补给量之差。各还原分项的统计除受资料条件等客观因素 的影响以外，还受各种人为因素的影响，对于资料缺乏的地区，农业耗水存在一定的 内蒙古农业大学博士学位论文5 主观随意性，资料参数如回归系数、有效利用系数、耗损率的选取缺乏充分的依据， 影响计算的精度。而重复量和不重复量的计算由于无法校核而显得依据不足。 二十世纪八十年代末期，我国的水资源评价模型逐步发展起来，中国水利水电科 学研究院水资源所谢新民( 2 0 0 2 ) 1 1 0 】研制的将概念性水文模型与地下水动力学模型有 机结合的平原区二元耦合模型，该模型曾应用于安阳地区的水资源评价。 郝振纯等【i i 】借鉴了山坡水文数学模型和以地下水动力学模型为主的联合模型的 组合经验和方法，选取新安江模型与地下水动力模型联合运用，进行区域的水资源评 价。 上世纪末期到本世纪初，分布式模型进行水资源评价逐步受到关注。王国庆( 1 9 9 8 ) 等针对黄河流域的水资源评价问题，提出了中游分布式水资源评价模型。杨大文( 2 0 0 3 ) 等建立了黄河流域的分布式水文模型。 7 0 年代平原区地下水资源评价主要采用水均衡法和总补给量法，丘陵山区用总排 泄量法。自1 9 7 8 年底，中国地质学会召开第一届地下水资源评价会议以来地下水资 源的数值模拟评价进入新阶段。薛禹群、朱学愚( 1 9 7 9 ) 1 2 】的“地下水动力学”：薛禹群、 谢春红( 1 9 8 0 ) 1 3 j 的“水文地质学的数值法”：陈崇希( 1 9 8 3 ) 【1 4 】的“地下水不稳定径 流计算方法”：陈雨孙( 1 9 8 6 ) l l5 】的“地下水运动与资源评价”：朱学愚( 1 9 8 7 ) 1 6 】的“地 下水资源评价”等教材和专著的出版使有限差分法、有限单元法、边界单元法、有限 分析法在地下水资源评价中得以广泛应用。美国水文地质专家m c d o n a l dmg 和 h a r b a u g haw ( 1 9 8 8 ) i l7 】的“地下水流的模块化三维有限差( m o d f l o w ) ”软件问世 以后，9 0 年代开始在我国得以应用。1 9 9 4 年加拿大w a t e r l o oh y d r o g e o l o g i c s 公司在 m o f d f l o w 的基础上推出v i s u a lm o d f l o w 以来在我国有许多应用的先例。多 位学者用v i s u a lm o d f l o w 评价了区域地下水资源。 随着人类活动对自然界影响的加剧，以及计算机技术的迅猛发展，借助地理信息 系统( g i s ) 、数字高程模型( d e m ) 、遥感及m o d f l o w 软件等先进技术将成为未来水 资源评价的主要手段。 综上所述，随着科学的进步和预测要求的提高，新方法、新模型将不断得到应用 和发展。运用和借鉴新理论、新技术等现代科学发展的成果，对水资源系统变化机理 进行深入研究，分析其影响因素，找出未来变化的基本规律，并进行预测或预估，这 对于经济发展和生态建设具有十分重大的理论意义和实用价值，可以更好地为水资源 规划、分配和调控提供可靠的科学依据。 1 3 本文研究的主要内容 本文针对滦河内蒙段流域经济发展和生态恢复建设中的水资源问题，分析研究了 滦河内蒙段径流变化规律，在此基础之上从系统的观点出发，利用地质统计学理论、 人工智能理论、水资源数值模拟理论等，研究和探讨了建立径流预测模型和基于 6 滦河内蒙段径流变化规律分析预测及流域水资源模拟评价研究 m o d f l o w 软件的地下水系统模拟模型进行区域水资源预测、模拟评价改进的新思 路、新途径。 论文研究的具体内容如下： 第一章导论。论述了选题的背景。概述了径流预测研究和水资源模拟评价研 究的国内外状况，提出了本文的主要研究内容。 第二章研究区的概况。概述了研究区的地理位置、气候特征、地形、地貌、 河流水系及社会经济等情况。 第三章对研究区径流特性进行了分析，讨论和分析了径流的统计特性，如径 流的年变化规律、月均径流的丰枯变化规律，对径流进行了自相关分析，并与水文气 象要素进行了相关性分析。 第四章采用时间域地质统计学理论，建立了时间域普通克立格、泛克立格及 协克立格预测模型，实现对研究区径流的预测，并对预测结果进行对比分析。 第五章采用基于人工智能技术中的遗传算法和神经网络模型，建立了进行径 流预测的基于r a g a 的s h e p a r d 相似模型、基于r a g a 的投影寻踪模型、a b p 神经 网络模型及基于r a g a 的组合预测模型，实现了对研究区径流的预测。 第六章对研究区枯季径流进行了统计特性分析，建立了枯季径流预测模型， 研究了枯季径流的变化规律。 第七章对研究区的水资源量进行了评价与数值模拟分析。对研究区的地表水 资源量进行了评价，采用排泄量法对研究区的地下水资源进行了评价，给出了研究区 的地表、地下水资源总量。采用m o d f l o w 模型对子研究区的地下水资源进行了模 拟评价。一 。 第八章总结与展望。概括总结本文的主要研究内容及取得的成果，并对有待 进一步研究的问题进行了展望。 图1 给出了论文的主体结构流程。 内蒙古农业大学博士学位论文 7 研究目标 山 山 径流变化规律分析与预测 区域水资源模拟评价 。 。 t y 天然径流还原天然径流一致性分析 ，、， ii 占 王 o 山山 、 ，排 r 泄 o 年径流统计特性分析枯季径流统计特性分析 天然径流频率分析 量 法 数 值 模 j 型 _ _ _ _ _ - _ _ 一。广 山上 、 ii fvv 基于地质统计学理论基于人工智能理论 地表水资源量地下水资源量 i 上j lj 刃 时 时时 匆 间 o 域 间间 o田 习 普 域域 _ 口 通 泛协 ， 神 o n 投 、 ，、， 克 克克 口 经 组 水资源总量 l 影 寻 网厶 卫 格 格 相 坏 络 预 格 似 预 预 测 预 预预 测 测测 预 测 测 模 模 模模 测 模 模 型 型型 模 型 型 型 型 弋弋。弋弋弋j弋弋 上 结论 图1论文主体结构流程图 8 滦河内蒙段径流变化规律分析预测及流域水资源模拟评价研究 2 研究区的概况 2 1 地理位置 研究区位于内蒙古浑善达克沙地南部，包括内蒙古锡林郭勒盟的多伦县大部、 正蓝旗南部和太仆寺旗东南部一部分。地理坐标北纬4 1 0 3 6 4 2 0 3 6 ，东经 1 1 4 0 5 1 ，_ 1 1 6 0 5 4 。南与河北省毗邻，北与正蓝旗的桑根达来镇相邻，东与内蒙古赤 峰市克什克腾旗接壤，东西长约2 0 0 k i n ，南北宽约5 0 k i n ，其行政区划见图2 。研究 区内的滦河发源于河北省北部的大马群山，在内蒙古锡林郭勒盟境内的河长约 2 5 0 k i n ，其较大的一级支流有黑风河、吐力根河，二级支流有羊肠子河、蛇皮河。 本研究区为典型的农牧交错带。南端距北京市3 0 0 k m ，距张家口市8 0 k m ，是沙尘暴 刮入北京市的重要通道。 图2 研究区行政区划图 2 2 气候特征 研究区属于干旱、半干旱大陆性气候，年度温差大，风多雨少，无霜期非常短。 多年平均降雨量为3 8 4 9 m m ；多年平均气温2 1 ，年内气温最高3 5 7 ，最低- 3 5 1 ；冬春季节多风，以偏西风为主，最大风力可达1 0 级以上；春季干旱，降雨多 集中在6 - 9 月份，成为地下水接受补给的主要时期：2 0 c m 蒸发皿多年平均蒸发量为 内蒙古农业大学博士学位论文9 1 6 1 0 7 r a m ；绝对湿度为5 7 m b ，相对湿度为6 0 ；气压为8 6 8 7 r o b ；多年平均无霜 期为1 0 1 天，最高1 3 3 天，最低7 9 天；最大冻土深度为2 7 6 m ；最大积雪深度为 2 0 c m 。气象要素的年际、年内变化取自正蓝旗、多伦气象站观测资料，见图3 、图 4 、图5 、图6 。 3 0 0 0 2 5 0 0 昌 巨 蔷2 0 0 0 篓1 5 0 0 叠1 0 0 0 越 装5 0 0 0 星 v 捆 窿 邀 掘 越 稚 1 9 5 31 9 6 31 9 7 31 9 8 31 9 9 3 2 0 0 3 年份 图3 多伦1 9 5 3 2 0 0 3 年气象要素变化曲线 固 塌 溢i ，、 ： 、 一 一 - 一 一 l 一喜j乏：曼 - - 。f奉j啊 曼 _ _ - _ -奔 、一 ￥ ， 一 _ _ 一 一 _ _ ， _ 产譬 - 。 _ _ - - _ 丰 一 一 一 _ _ _ _ i k 一 _ - 一_ - 一 产 、 x - 产 i_ k - 一 i - 瓤 2 -_ _ _ _ _ j 气 ， 基 - 1 4 0 呵1 0 赠8 0 f ，5 0 亏2 0 删 瞎l o 篷 - 4 0 1 9 7 01 9 8 0 年份 图4 兰旗1 9 5 3 - 2 0 0 3 年气象要素变化曲线 口蒸发量 一气温 + 降雨量 月份 图5 兰旗气象要素多年平均年内变化 4 5 4 3 5 3 2 52 2 磊 1 5r 1 0 5 0 3 0 0 勺 重 2 0 0 。 棚 铽 1 0 0 礁 o p v 赠圹 5 4 3 2 l 0 一 o 药坫m 0 1 0 滦河内蒙段径流变化规律分析预测及流域水资源模拟评价研究 口蒸发量一气温 十降雨量+ 相对湿度 、 人k，- _ 1哆 飞一 亡，r ：p心 r o 叶t - f 商 月份 图6 多伦气象要素多年平均年内变化 3 5 0 3 0 0 2 5 0 宅 2 0 0 童 1 5 0 由i 裂 1 0 0 撼 5 0 0 2 3 地形地貌 ( 一) 滦河流域闪电河子流域正兰旗段 闪电河子流域正兰旗段位于阴山山地东延部分，属低山丘陵，河谷洼地镶嵌分 布。地势南高北低，相对高差约4 0 0 m 。最低点在闪电河出口处，高程为1 2 6 1 m 。 希拉空地到查干脑宝石为北东西南向的分水岭。 地貌类型有剥蚀堆积类型、堆积类型两大类： ( 1 ) 剥蚀堆积类型有：丘间沟谷洼地，主要分布在流域东北部的沟谷洼地 中。组成岩性上部多为第四系上更新统粘砂土、粉细砂及砂砾石，厚度较薄，一般 不超过2 0 m ；其下即为上新统红色泥岩，个别地方红色泥岩已经出露地表。地势低 洼，为低山丘陵区地下水的迳流地带。丘间盆地，分布在北部的推脑目诺尔附近， 第四纪沉积物厚度不超过5 m ，下覆红色泥岩。 ( 2 ) 堆积类型有：河谷平原，分布在闪电河、角隆河河谷地带。上部由第 四系粉细砂、砂砾石、淤泥质粘砂土组成，厚度达2 0 0 多m 。下部为数百米厚的巴 彦花群，岩性系以砂砾岩、粉砂岩、页岩为主的含煤地层。河谷平原地势平坦，闪 电河自南向北逐渐折向东部流入多伦县境内，河床宽度一般5 - - 7 m ，河床坡度约1 3 ，河曲比较发育。角隆河属内陆水系，自南东流向北西，河床宽度一般2 5 聊， 清水期水深0 2 m 左右。闪电河现己成为间歇性河流，汛期河内有水，非汛期断流。 两河两岸发育有不完整、不连续的两级阶地。一级阶地高出河水面2 3 肌，阶面平 坦，微向河心倾斜，宽度各处不一，一般2 3 砌，局部地段可达5 拥：二级阶地 高出一级阶地1 0 一1 5 m ，由于后期受剥蚀作用而分布零散且不对称。河谷平原是区 域地下水的主要径流排泄地带，也是地下水的富集带。风积沙地地形，主要分布 于上都河、角隆河苏木的东南部，由第四系风积中细沙组成。沙地形态以半固定之 纵向沙垅和沙丘为主，流动的新月形沙丘次之。沙垅可以五一种畜场北侧沙垅作为 典型，高1 5 2 0 川，表面凸凹起伏，总体延伸方向与主风向一致，宽度约为2k m ， m 寻 m 装v世赠靛冥一 一 u)赠扩，量v嘲陉篷 内蒙古农业大学博士学位论文 植被覆盖度约为2 0 。 ( 二) 滦河流域多伦段 滦河流域多伦段地貌类型有构造剥蚀类型、溶岩剥蚀地型、剥蚀堆积地形、堆 积类型、高平台、沙丘： ( 1 ) 构造剥蚀类型，按形态特征可划分两种：低山丘陵地形，分布于煤窑 沟、黑头洼一带，由燕山期斜长花岗岩、花岗斑岩及上侏罗统火山岩组成。山顶呈 次尖顶状、浑圆状、山坡较陡峻、坡角3 0 0 - 6 0 0 ，为上升区，海拔1 3 0 0 1 6 7 0 m ，相对 高差1 6 0 3 7 0 m ，为区域地下水补给区。丘陵地形，分布于榛子山一带，由燕山期 钾长石英斑岩、花岗斑岩，二迭系下统安山岩、安山玢岩、角砾状碎裂安山岩、粉 砂质细砂质凝灰岩及灰岩透镜体组成，为地下水补给区。 ( 2 ) 溶岩剥蚀地型，按形态特征可划分如下两种：低山丘陵，广泛分布于 工作区内，由上侏罗统火山熔岩及火山碎屑岩组成，为地下水的补给区。丘陵地 形，分布于工作区中部、东北部，由上侏罗统火山熔岩及火山碎屑岩组成，为地下 水的补给区。 ( 3 ) 剥蚀堆积地形，按照形态特征可划分如下两种：沟谷洼地，分布于多 伦西部、南部地区的沟谷洼地是地下水补给或径流区。西部及东部沟谷顶部一般有 泉水而形成常年流水的小溪，为地下水的径流排泄区。山前倾斜平原，分布于东 南部，由第四系砂、砂砾石和砂卵石组成，地势由东向西缓倾，为地下水径流排泄 区。 ( 4 ) 堆积类型，按照地形特征划分如下几种：河谷平原，分布于闪电河、 黑风河、滦河等现代河流一带。由第四系冲积、冲洪积砂、砂砾石、砂粘土组成。 河谷平原地势西南高，东北低，均向滦河倾斜为地下水径流排泄区。河谷洼地， 分布于闪电河、黑风河、滦河、小河子等现代河流一带。呈带状延伸，洼地两侧发 育着对称而连续的一级阶地。局部可见不对称且不连续的二级阶地。滦河为外流水 系，它构成区内地表水与地下水的排泄通道。 ( 5 ) 高平台，为中更新世末期的剥蚀面，区内地下水补给区。 ( 6 ) 沙丘，为一条近东西向延伸的沙带，宽1 - 2 k m ，长约3 0 k m ，由近代风积 沙组成。 2 4 河流水系 滦河发源于河北省丰宁县巴彦图古尔山麓，河源为闪电河，经河北省沽源县流 入内蒙古锡林郭勒盟境内，经由太仆寺旗、正蓝旗、多伦县，在西山湾下游外沟门 附近再次流入河北省丰宁县境内。在锡林郭勒盟境内总长度约为2 5 0 k m ，是内蒙古 自治区锡林郭勒盟境内唯一的外流入海河流。滦河流域内蒙古段位于东经1 1 5 0 5 l 4 7 ”1 1 7 0 1 7 4 0 “，北纬4 1 0 4 6 4 8 “- - 4 2 0 3 9 0 5 ”之间，流域面积6 9 5 0 k m 2 。滦河流 1 2 滦河内蒙段径流变化规律分析预测及流域水资源模拟评价研究 域内蒙古段水系见图7 。 滦河流经内蒙古正蓝旗一段叫闪电河，流到上都河乡巴音敖包东1 5 加处于与 黑风河汇合，以下称滦河。在多伦曹营子和东梁处小河子和吐力根河流入滦河。黑 风河发源于正蓝旗桑根达来苏木毛哈尔布拉格以北l k m 处，向南流至松木沟进入多 伦，继续向南流入滦河，河流全长7 7 2 k m ，多年平均径流量为5 5 6 7 5 2 万m 3 。吐 力根河发源于赤峰市克什克腾旗鸡毛林山，在五间房南l k m 处流入多伦，在骡子地 西3 5 k i n 处入滦河，多年平均径流量为7 11 9 5 3 万m 3 。 一研究区边界 河流 一旗( 县) 边界 。 县( 旗) 政府 所在地 ，i 水库 内 i 7 图7 滦河内蒙