（环境科学专业论文）敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理.pdf

a b s t r a c t c o m b i n i n gg i st e c h n i q u e sa n dv i s u a lm o d f l o ws o f t w a r e ，t h i sp a p e rs i m u l a t e s a n df o r e c a s t st h ev a r i e t y ，t r a n s f o r ma n dt r a n s p o r to ft h eg r o u n d w a t e ri nd u n h u a n g b a s i n ，r e a l i z e si t st w oa n dt h r e ed i m e n s i o n a ld i s p l a yi n t e g r a t i n gt h es p a c ea n a l y s i so f g i s ，c a r t o l o g y a n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o no f c o m p u t e r ， a n da d v a n c e st h e m a n a g e m e n tm e a s u r e so ft h er e g i o n a lg r o u n d w a t e rr e s o u r c e t h er e s u l tc a np r o v i d e t h eb a s i so fe x p l o i t i n gt h eg r o u n d w a t e rr e a s o n a b l ya n de n r i c ht h es t u d y ，i n f o r m a t i o n a n dv i s u a ld i s p l a yo f r e g i o n a lh y d r o l o g y b ya n a l y z i n g t h e p h y s i c a lg e o g r a p h y ，r e g i o n a lh y d r o l o g y a n d g e o l o g y i n f o r m a t i o n , a n dg r o u n d w a t e re q u i l i b r i u mo fd u n h u a n gb a s i n ，t h i sp a p e rs i m u l a t e s t h ea q u i f e r o u sl a y e rw h i c hh a st h et h i c k n e s so f2 5 0m ，a n dc o n s i d e ri ta st w o d i m e n s i o nm i x e dl a y e rw h i c hi sh e t e r o s p h e r ea n di s o t r o p y t h er e s e a r c hr e g i o nc a n b ed i v i d e di n t o9s u b a r e a s ，a n ds c a t t e r e di n t o1 4 2 8s q u a r e 班d s ，e a c hl e n g t ho fw h i c h i s2k m i nt h et i m e ，ay e a ri sd i v i d e di n t of o u ru n e q u a ls t r e s sp e r i o d si nw h i c ht h e i n i t i a lt i m es c a l ei s1 d a ya n dt h ei n c r e a s i n gf a c t o ri s1 3 c o m p a r i n g 讪t ht h e o b s e r v a t i o nr e s u l t s ，t h eb i g g e s ta v e r a g ee r r o ro ff o u ro b s e r v a t i o nw e l li s0 1 4mi nt h e s i m u l a t i o n ，t h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v ee r r o ri sr e l a t i v e l ye q u a l ，a n dt h es t a b i l i t yo f s y s t e mi sb e t t e r w h i c hm e a n st h es i m u l a t i o nm o d e la c c o r d sw i t l lt h er e a l i t yo ft h e s t u d y i n gr e g i o n t h e r e f o r e ，t h es i m u l a t i o nm o d e la f t e rc a l i b r a t i o nc a nm e e tt h e d e m a n d so fe v a l u a t i o na n dm a n a g e m e n t o nt h eb a s i so fd e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，e c o n o m ya n dp o p u l a t i o n ，t h ep a p e r f o r e c a s t st h ev a r i a t i o no fg r o u n d w a t e ro f15y e a r si nt h ef u t u r eb yt h ec a l i b r a t e d m o d e l ，a n dp r e s e n t si t st w oa n dt h r e ed i m e n s i o n a lf o r m sb yu s i n gv i r t u a lo fg i s t h e r e s u l ts h o w st h ed r o pv e l o c i t 5 , o fg r o u n d w a t e rt a b l ei nt h ed u n h u a n gc i t ya n di t ss o u t h a r e ai sl a r g e rt h a nt h a ti ni t sn o r t ha r e a ；t h ef o r m e rd r o pv a l u ei sa b o u t4 - 5mf r o m 2 0 0 0y e a rt o2 0 1 0y e a r ，af u n n e lo f2 6k mi nd i a m e t e rw i l lb ef o r m e db e l o wt h e d u i l h u a n gc i t yi n2 0 1 0 t h ed i a m e t e rw i l le x p a n dt o3 0k mt ot h ey e a r2 0 1 5 ，a n dt h e d r o pv e l o c i t yi nt h en o r t ha r e ai sa b o u t1 0 3 0c mp e ry e a r i nc o n c l u s i o n ，i no r d e rt oe n s u r et h es u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y ，e c o l o g y a n dw a t e rr e s o u r c e ，w es h o u l dc a r r yo u tt h ei n t e g r a t e dm a n a g e m e n t s ，a d j u s tt h ew a t e r r e s o u r c e su s ei nd i f f e r e n ti n d u s t r y ，s t r i c t l yc o n t r o lt h ee x p l o i t a t i o no fg r o u n d w a t e r ， i m p l e m e n tl i c e n s es y s t e m o f e x p l o i t i n gg r o u n d w a t e r ，s u p e r v i s e e n v i r o n m e n t a l c h a n g e sa n ds oo n k e yw o r d s ：d u n h u a n gb a s i n ，v i s u a lm o d f l o w ，a r c g i s ，v i s u a l i z a t i o n ， m a n a g e m e n t ， g r o u n d w a t e rs i m u l a t i o n i i 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 图表清单 图1 1 研究范围6 图1 2 技术路线图8 图2 1 敦煌地理位置图9 图2 2 敦煌盆地多年各月平均气温、降雨量、蒸发量变化图1 1 图2 3 敦煌多年年平均气温变化图1 1 图2 4 敦煌多年年均降雨量变化曲线1 1 图2 5 敦煌盆地水文地质剖面图1 3 图2 6 敦煌第四系地质图1 4 图2 7 敦煌盆地d 1 一d 6 孔水文地质结构剖面图1 5 图2 8 敦煌市干、支渠分布图1 7 图2 91 9 9 9 年潜水等水位线图1 8 图2 1 0 敦煌市土地结构图2 0 图2 1 1 敦煌市土地利用分布图2 1 图2 - 1 2 敦煌城区地下水位多年动态变化曲线图2 2 图3 1 敦煌地区灌溉面积多年变化曲线2 8 图4 1 含水层的空间离散3 3 图4 2 含水层在空间平面上的矩形离散示意图3 4 图4 3 研究区含水层水文地质参数分区3 8 图4 4 研究区观测井分布图3 9 图4 5 模拟区有限差分栅格剖分图4 0 图4 6 敦煌盆地地下水位观测井模拟值与实测值拟合过程线4 1 图5 11 9 9 5 1 9 9 9 年敦煌灌区用水量及回归方程4 6 图5 2 不同地区典型井孔地下水位变化趋势4 7 图5 3 敦煌盆地1 9 9 9 年5 月地下水等水位面图4 7 图5 - 41 9 9 9 年a - b 地下水位剖面图4 7 图5 51 9 9 9 年c d 地下水位剖面图4 7 图5 6 敦煌盆地假三维地下水流场图4 8 图5 72 0 1 0 年地下水位预测4 8 图5 82 0 1 0 年盆地地下水位降落值4 8 v 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 图5 92 0 1 5 年地下水位预测4 8 图5 1 02 0 1 5 年盆地地下水位降落值一4 8 图5 1 12 0 1 0 - 2 0 1 5 年a b 剖面地下水位下降曲线图4 9 图5 1 22 0 1 0 - 2 0 1 5 年c d 剖面地下水位下降曲线图4 9 表1 1 地下水资源信息化主要数据类型与数据内容5 表2 一l 敦煌地区气温、降雨量、蒸发量月平均统计表1 0 表2 2 敦煌地区气象要素表1 2 表2 3 敦煌地下水井数及年开采量统计1 9 表2 4 敦煌市土地结构表( 1 9 9 9 2 0 0 0 年) 一2 0 表3 1 党河( 党河水库) 年内各时期水量分配比例2 6 表3 2 西水沟各年度主要断面流量表2 7 表3 31 9 8 7 年至2 0 0 0 年的渠道田间引水量及渗漏量统计表2 7 表3 - 4 敦煌市灌溉面积多年变化表2 8 表3 5 地下径流侧向补给量统计表2 9 表3 6 潜水蒸发量3 0 表3 7 地下水流出量3 l 表3 8 地下水均衡表3 l 表4 1 模型校正前含水层水文地质参数分区初值表3 9 表4 2 应力期划分表4 l 表4 3 各补排项应力期分配值表4 l 表4 4 模型校正后的含水层水文地质参数分区表“4 2 表4 _ 5 研究区地下水位计算值与观测值拟合的统计参数4 2 表5 11 9 9 5 2 0 0 0 年敦煌人口统计4 4 表5 2 敦煌人口预测结果4 4 表5 3 敦煌盆地牧业生产预测分析结果4 4 表5 4 敦煌盆地生活需水定额及需水量预测结果4 4 表5 51 9 9 9 2 0 0 0 年敦煌第一产业、第二产业统计4 5 表5 61 9 9 5 1 9 9 9 年灌溉区农业现状用水一4 5 表5 7 敦煌灌区用水量预测结果4 6 表5 8 不同地区典型井孔的预测水位4 6 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或 未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。除文中已经 注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写 过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：日期：! 哆三尘 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属兰州大学。本人完全了解兰少t l 大学有关保存、使用学位论文的规定， 同意学校保存或向国家有关部门或机构送交论文的纸质版和电子版， 允许论文被查阅和借阅；本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用任何复制手段保存和 汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该论文直接相 关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为兰州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 论文作者签名：蹲师签名逊曰 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 1 前言 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 地下水是人类不可缺少的一种重要自然资源，对人类的生活、工农业及城市 建设都起着重大作用。随着工农业生产的迅速发展，对地下水资源开发利用的规 模越来越大。地下水的开发为社会经济的发展和人类生活提供了基本保证，但由 于开发不当同时也会产生一系列的水资源及生态环境问题，如河水断流、地下水 位下降、湖泊萎缩、泉水干涸、植被死亡、土壤盐渍化、土地沙漠化、水质恶化、 地面沉降等；尤其在我国西北内陆河流域，因对水资源的超负荷开发利用，导致 了更为突出的生态环境问题，如楼兰古城的兴衰与环境变化、黑河终端湖地区额 济纳旗生态环境恶化、石羊河终端湖的沙漠侵蚀、敦煌月牙泉萎缩等；其根本原 因就是长期的超量开采地下水。因此，要避免区域性地下水位下降，就需要做到 合理开发利用地下水资源，既要尽可能地满足实际用水的最大需求，又要符合该 地区可能开采的数量标准。而要找到一个最优开发利用的方案，就需要首先进行 比较精确的地下水资源量的模拟和评价【6 。 6 0 年代中期以来，随着快速大容量电子计算机的出现和广泛应用，数值计 算方法在地下水资源评价中得到逐步推广。所谓地下水数值模拟方法是指用数学 模型描述地下水系统的运动状态，并应用数值方法在数值计算机上求解，以模拟 该系统动态的种方法。利用数值模型对地下水流和溶质运移问题进行模拟的方 法以其有效性、灵活性和相对廉价性逐渐成为地下水研究领域的一种不可或缺的 重要方法，并受到越来越大的重视和广泛的应用【“。传统的地下水模拟过程复杂 繁琐，前后处理所花费的时间往往是计算时间的几倍，甚至是几十倍。如何获取、 组织和输入模拟计算所必各的含水层复杂结构、庞大的数据与参数，如何分析和 理解模拟计算过程中所产生的庞大的结果数据，如何减轻研究人员的劳动强度， 缩短研究工作时间，成为传统地下水模拟研究工作面临的突出问题和困难。而 g i s 的应用和一些专业数值计算软件的出现可以较容易地解决上述问题。 1 9 8 7 年在华盛顿召开的一次科学计算会议上，形成了题为“科学计算可视化” 的报告一“可视化是将一种抽象符号转换为几何图形的计算方法，以便研究者能 够观察其模拟与计算的过程和结果” 3 8 o 十多年来，可视化的应用遍及自然科 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 学、工程技术、经济管理等众多领域，呈现出蓬勃发展的趋势。地下水水资源信 息表达不仅仅是一个量上的概念，更重要的是其在空间上的分布，进行地下水资 源的计算，则需要表达与之相关联的一系列空间数据信息，所有这些信息表现出 了强烈的三维空间性。地下水资源的可视化管理基于数据库和应用软件，充分利 用现有的软件技术和成果，将数据库技术、g i s 技术、地图学表达、地下水数值 模拟及管理模型等有机的结合在一起。数据库基于信息可视的需求进行设计，包 含了地下水资源信息的全部内容；应用软件基于数据库而开发，能够从数据库中 自动抽取相关数据信息，通过一定的模型运算和转换，形成地下水资源对象的空 问可视化显示【4 。 敦煌盆地深居内陆，气候十分干旱，是一个被戈壁、沙漠包围的绿洲，发源 于祁连山团结峰的党河是绿洲的生命源泉。自古以来，党河水资源与敦煌绿洲之 间保持着内在的自然生态平衡关系，水资源的数量和质量决定着绿洲面积的大小 和植物的种类及其发育状况。正是由于党河水资源及其养育的绿洲存在，才使得 敦煌成为丝绸之路上的重镇和历史文化名城：也正是由于以党河水资源为核心的 自然生态系统长期保持着平衡，才使得敦煌的社会经济相对稳定地健康发展。自 2 0 世纪6 0 年代以来，敦煌大搞农田水利建设，加大了对水资源和土地资源的开 发力度，地方经济以较快的速度发展，特别是随着旅游业的兴起，敦煌以其博大 精深的历史文化和独特的沙漠绿洲景观，吸引着国内外众多游客。但是，近2 0 多年来，敦煌市为了加快地方经济的发展，盲目地超负荷开发利用自然资源，导 致了以水资源为中心的生态环境失调，造成河水断流，地下水位大幅度下降等生 态环境问题，已对地方经济的持续发展产生了不良影响，如果任其发展，将会给 敦煌的生态环境带来灾难性后果。因此，要从可持续发展的战略高度，充分认识 敦煌盆地水资源的特征和水循环规律，根据地方资源的特点来调整产业结构，有 计划地合理开发利用水资源和土地资源，按照自然资源的承载力来科学地安排社 会经济的发展，以确保以水资源为中心的自然资源的可持续利用。只有这样，才 能保证敦煌盆地的生态平衡，保持沙漠绿洲的稳定，保持干旱区特有的自然景观 和人文景观，保证敦煌旅游业和社会经济的持续发展【7 】。 1 1 2 研究依据及意义 计算机技术的快速发展，在不断驱使研究人员对更为复杂的含水层系统中的 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 地下水运动及溶质运移进行数值模拟的同时，又不断为解决问题提供新的技术和 手段。g i s 与过程模型结合应用是资源环境科学应用研究的前沿领域，f e d r a i l 】、 m a i d m e n t 2 1 和l i 3 l 等从不同方面给予了述评。v i s u a lm o d f l o w 在国外应用比较广 泛，但在国内具体应用尚不多见。本研究采用g i s 与v i s u a lm o d f l o w 软件相结 合，在目前已承担的敦煌水资源评价、莫高窟水资源评价项目的基础上进行深入 的研究，模拟敦煌盆地地下水资源，不仅可为敦煌盆地合理开采利用地下水资源 提供依据，而且将丰富区域水文地质的系统研究工作及地水资源信息化和可视 化。 1 2 国内外研究现状 m o d f l o w 是由美国地质调查局( u s g s ) 的m c d o n a l d 和h a r b a u g h 于2 0 世纪8 0 年代开发出来的。它是一套用于孔隙介质中三维有限差分地下水流动数 值模拟的软件。不需对源程序进行任何修改，m o d f l o w 就可直接用来解决大 多数地下水模拟问题。这为我们提供了一个相对标准的软件，也为同行之间的交 流提供了方便。自从它问世以来，人们已经对m o d f l o w 进行了多种测试，至 今尚未发现错误。所以，它已经被世界上许多官方和司法机构所认可峭j 。 目前，计算机技术正呈现日新月异的发展态势并深刻影响着科学技术的各个 领域，这种影响正成为近年来地下水模拟软件发展的主要动力和特征，呈现如下 的特点和趋势：1 ) 软件结构正由模块式向组件式的方向发展。这将使软件系统更 易局部更新，适用范围更广，灵活性更强，也使用户可以方便地将自己编制的模 型程序嵌入进这类软件中；2 ) 地下水模拟软件与地理信息系统( g i s ) 的联系日益 密切。当前国际上的主流地下水模拟软件都提供了与g i s ( 如a r c i n f o ) 的 数据接口，随着g i s 在水文地质领域中的应用日益广泛和深入，它们之间的联 系会更加密切。与g i s 无缝集成的地下水模拟软件系统将会出现并且会在地下 水模拟软件市场占有一席之地；3 ) 软件的前后处理功能越来越强。目前地下水模 拟软件的前后处理功能有了很大程度的增强，但是前后处理仍然占据研究工作过 多的时间和精力，因此，前后处理功能的提高仍将是今后若干年内这类软件开发 的主攻方向之一；4 ) 科学计算可视化的应用将是这类软件发展的一个日益重要的 技术特征。科学可视化技术的初步运用，已经显著提高了地下水模拟软件的前后 处理功能，而这种功能的不断提高也将更多地依赖于科学可视化技术，地下水模 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 拟软件研究与发展将越来越来多地受到科学计算可视化技术发展的影响。 对目前国际上以v i s u a lm o d f l o w 为代表的几个最有影响的地下水模拟软件 的分析研究，可以得到对这些软件的如下一些认识：( 1 ) 用户界面友好，交互性 强；( 2 ) 普遍提供了与某种g i s 工具软件的i m p o r t e x p o r t 接口，以实现数据交 换和共享；( 3 ) 普遍具有较强的前后处理可视化的功能；( 4 ) 科学可视化技术的应 用将会不断深入，与g i s 的联系也会日益密切，这方面国内外差距在显著扩大。 美国的p a v e l i c 等在研究不同土地利用方式下地下水位对土壤盐渍化影响时 选用m o d f l o w 模型来模拟区域地下水流运动，把土地利用方式看成是不同的方 案考虑它们对地下水补给的影响，从而在g i s 帮助下模拟了9 种方案下的地下 水位在未来2 0a 的变化 4 1 。美国s a n dh i l l s 地区利用地下水数值模型m o d f l o w 和非饱和带水平衡模型对处于半干旱半湿润沙丘地区( s a n dh i l l s ) 地下水位进行 了模拟及水量平衡分析，为地下水资源评价和区域生态环境保护提供了分析方法 1 6 1 。v i s u a lm o d f l o w 在国外应用比较广泛，但在国内具体应用尚不多见。其中 有大庆市龙西地区使用v i s u a lm o d f l o w 在该地区进行了地下水资源的模拟与预 报，建立了准三维模型，把随机模型和m o d f l o w 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，水源地设计开采量是可行的；v i s u a lm o d f l o w 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 9 1 。 表达空间数据信息的理论数据模型有很多。在目前的文献中多采用基于二 维空间模型的三维延伸，即单一面的三维空间矢量模型和栅格模型。单一面对象 在三维空间的表现方式及其拓扑关系与其在二维空间上的表现形式和拓扑关系 没有本质上的不同，其实质的分别只是代表着边界位置的点由二维空间坐标延伸 到三维空间，典型的例子就是不规则三角网模型，主要方法即利用在三维空间的 点构成优化的三角面网络，从而在最大限度上逼近实际的地形面【3 9 1 。 地下水资源信息化过程中，在数据库建设中必须尽量全部地包括这些反映地 下水含水层空间结构特征的数据源，重点描述三维对象在空间上的分布状况，以 实现数据信息处理过程中的可视化操作。在数据库设计中，考虑到行业信息技术 应用水平的限制，实际的数据库建设采用二维数据模型，利用属性反映标识三维 的“高程”数值，涉及到的图元对象包括点、线、面等；其属性数据库包括了水 兰州大学硕士研究生毕业论文 敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 文地质( 含水文地质条件、水文地质观测、地下水资源、地下水开采分布等) 、 社会经济、农业、环境地质等方面的数据信息( 表卜1 ) 。 表卜l 地下水资源信息化主要数据类型与数据内容 数据类型数据内容 水文地质 社会经济 农业 地表信息 环境地质 含水层分布、厚度、埋藏条件、物质组成、孔隙特征、水理性质 地下水补、排形式及其量，地下水径流方向及速度等 水位，水量，水质等 钻孔柱状图，抽水试验揭示的含水层的富水性、类型、边界条件及有关水文 地质参数 开采井的分布位置，开采时间，开采量等 降水时空分布，降水入渗强度。潜水蒸发强度，河流湖沼等地表水体分布、 径流量及其与地下水的互补关系等 土地与供水需求的现状与规划，人口分布等。 灌溉引入来源，灌溉面积，灌溉定额，灌溉入渗试验资料，渠长 土地利用、地貌，地形、d e m 、遥感影像等 海水入侵、地面沉降、地面塌陷、区域地下水位超常下降、土地盐渍化、水 质污染与变异等环境地质问题的分布。 1 3 主要研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 敦煌盆地的基底为第三系，岩性主要为泥质砂砾岩、泥质粉砂岩和泥岩等， 为泥钙质半胶结，结构较为紧密，构成了盆地区域性的隔水底板，其上覆盖了数 十米至数百米厚的第四系松散沉积物，颗粒组分主要为含砾粗砂、细砂夹亚砂土 等，是地下水资源的良好储存场所，一般以孔隙潜水赋存于其中，承压水次之。 除东南边的基岩山区一三危山、火焰山之外，莫高窟及其周围出露的地层均为第 四系。由老到新第四系的四个统在本区都有出露，其总厚度在敦煌市北部地带为 3 5 0 m 左右，在莫高窟区约为2 3 0 m 。 边界条件的确定是否恰当、是否符合实际极为重要，因为这直接影响区域侧 向补给量的大小和可开采资源量的估算精度。如果条件允许，应尽量以完整的地 下水盆地( 即完整的水文地质单元) 的自然边界作为边界。因此，应按盆地地下 水运动的特征和所掌握的资料情况恰当地确定边界。敦煌盆地边界条件比较清 楚，南部为三危山、小红山隆起，阻挡了南部洪积平原的地下径流，北部老基岩 与隐状第三系碎屑岩构成北部边界；故将以上两边确定为零流量边界，即 兰州大学硕士研究生毕业论文 敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 一o f = 0 边界；根据第四系潜水等水位线与承压水水位图，东部有地下潜流汇入， 咖 从西部排出，确定为定流量边界，其侧向补给量及排泄量可由边界上长观点控制 的过水断面厚度、水力梯度以及区域总体水量均衡求出。 综上所述，根据敦煌盆地含水层的实际情况，考虑第四系松散岩类孔隙潜水 是敦煌地下水开采利用的主要用水，为方便计算和管理的要求，本文将含水层 2 5 0m 左右深度处稳定流线以上的含水层作为数值模拟对象。 图1 - 1 研究范围 敦煌盆地地下水资源信息可视化的实现，是通过地下水数值模拟模型的计 算，结合g i s 技术的数据信息管理与可视化数据信息管理的强大功能，对区域地 下水资源相关数据进行采集输入、存贮、管理、查询、检索、显示和更新、输出， 在功能上包括信息集管理、数据输入、图形编辑、检索查询、数据挖掘与分析、 数据输出、图形显示等模块。数据信息管理以图形为主线，属性数据原则上作为 图元的属性进行管理。在人工参与的条件下，可直接从数据库中提取相关的数据 信息，进行分析和可视化操作，其结果可以再存入数据库。可视化转换模型是一 系列的算法组合，它从数据库中直接提取相关的数据信息，把二维结构表达的地 下水资源数据信息转换成良好视觉感的假三维或真三维可视化图形。 以空间数据库中的数据信息为基础，以三维可视化的形式显示含水层的空间 结构，用户可以有选择地对这些临时性成果进行存储，也可以直接输出成用户定 义的h r c g i s 格式的数据文件，实现数据文件的可视化输出，其具体形式如下： 6 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 1 ) 地下水位平面等值线绘制：利用地下水位监测数据，或数值模拟生成的 水位数据，绘制平面等值线图，系统生成的平面等值线图由点、线、面三个 文件组成； 2 ) 含水层任意剖面生成：根据用户任意给定的两点连线，系统将自动绘制 含水层的剖面图，并适当填色( 或图案) ，把含水层和隔水层区分开，标注 水位； 3 )曲面一剖面立体图绘制：曲面- n 面立体图是曲面图和剖面图的有机结 合。利用地理等值线数据，生成曲面立体图部分，利用含水层顶、底等值线 图生成剖面立体部分； 4 ) 彩色等值线立体图绘制：利用地理等值线数据、含水层顶板和底板等值 线数据、地下水位监测数据，可生成曲面立体图和等值线图m 1 ； 5 ) 流场模拟：利用地下水位监测数据，或利用模型模拟分析某时刻的水位 数据，可生成指定含水层指定时刻的地下水渗流场图； 6 ) 三维动态显示：三维动态显示是在曲面一剖面立体图的基础上的进一步延 伸，通过地下水模拟模型得到各时段各节点的水位，用三维表面流场图把地 下水流动状态动态地显示出来，使地下水沿流场内流线的方向动态地流动， 并可以旋转、平移，从各个角度观察流场信息，从而能够对地下水模拟过程 进行可视化和动态分析，再现地下水在含水层中的运动变化情况，动态演示 地下水降落漏斗的扩展过程，可得到非常逼真的视觉效果。 1 3 2 技术路线 1 )以敦煌水资源评价、莫高窟水资源评价项目为基础 2 1 现场调查 3 )查阅国内外相关文献，收集敦煌盆地地下水水文资料及数据( 表1 1 ) 4 )用a r c g i s 制作模型所需的各种数据 5 )建立模型，用v i s u a lm o d f l o w 调用g i s 准备的数据，调参，校验模型 6 1可视化地下水资源 7 )分析并提出水资源管理措施 兰州大学硕士研究生毕业论文 敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 图1 2 技术路线图 兰州大学硕士研究生毕业论文 敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 2 敦煌盆地自然条件及水文水资源概况 2 1 自然地理概况 2 1 1 位置 敦煌盆地位于甘肃省河西走廊西端，地处西北内陆，地理位置9 2 。1 3 e 9 5 。3 0 e ，3 9 。4 0 n 4 l o4 0 n 之间( 图2 一1 ) ，是甘、青、新三省区的交汇处， 南有祁连山，北有马鬃山，东西两面为戈壁沙漠，平均海拔1 1 3 8 m ，形成了南北 高，中间低，自西向东倾斜的盆地平原地势，总面积6 2 9 0 8k m 2 ，其中绿洲面积 1 4 0 0k m 2 ，仅占总面积的2 2 ，且被沙漠戈壁包围，故有“戈壁沙漠”之称。 图2 一l 敦煌地理位置图 2 1 1 地形地貌和气候 敦煌总的地势是南部高，北部低，为甘肃省最低县区。其东南部海拔最高， 海拔在1 7 0 0 1 9 0 0 m 之间，属于低山地形；西部洪积平原地势平缓，以8 o - 1 2 的坡降由南向北倾斜，海拔1 0 5 0 1 3 5 0 m ：东部山前洪积平原坡度较大，以 1 0 1 5 o 的坡降由南向北倾斜，海拔1 1 0 0 - - 。1 4 0 0 m ；北部洪积平原以l o 1 5 9 0 的坡降向南倾斜，海拔为1 0 6 0 1 2 4 0 m ；中部冲洪积平原地势比较低缓，以 2 3 的坡降由南向北倾斜，同时，沿疏勒河冲积平原则以0 5 9 0 - - 1 0 的坡 降向西倾斜。该区丘陵、沙漠、戈壁等地貌兼而有之，还有大量的盐碱地、盐 兰卅大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 原和雅丹地貌区。 受大地构造的影响，敦煌盆地的地貌可分为四个区：1 ) 剥蚀构造低山地 貌：为基岩中低山地，包括火焰山、三危山、鸣沙山、独山及疏勒河下游哈 拉诺尔西部的低山；2 ) 过渡区：为盆地边缘部分，包括山前洪积扇及河流阶 地，以及党河水库以北的砾面戈壁；3 ) 倾斜平原区：是山前与平原之间的过 渡地带，包括台地及戈壁滩等；4 ) 堆积区：为敦煌盆地的中央部分，包括疏 勒河河谷平原、党河三角洲以及冲积阶地、白龙滩和零星风成沙丘以及低洼 湖沼地区等。其中绿洲区自七里镇呈扇形向东北展开，东至新店台，北至金 县湾、西至头道泉呈三角形。它位于党河冲洪积扇顶部，由西南向东北倾斜， 海拔在0 0 1 2 0 0 m 之间，坡降为3 0 4 。 敦煌气候为典型的大陆干旱性气候，气候干燥，昼夜温差大，降雨量少，蒸 发量大，日照时间长，四季分明。据敦煌气象站多年( 1 9 3 8 1 9 9 9 年) 气象资 料，敦煌地区多年平均气温为9 8 。c ，后坑子至绿洲一带在9 1 0 。c 之间，南北 沿山区偏低1 2 。c 。月平均最高气温7 月为3 2 8 。c ，1 月最低为1 5 6 。c 。年平均 最高为1 7 8 。c ，最低为1 4 。该区多年( 1 9 3 8 1 9 9 9 年，敦煌站) 平均降水量 为3 9 8 n 1 i - n ，最多的一年为1 0 5 5 m m ，最少的一年为6 4 m m 。全区多年平均蒸 发量为2 4 8 6 m m ，是年均降水量的6 0 多倍，一年中5 - - 6 月蒸发最强烈。平均相 对湿度为4 0 各月平均在5 0 以下，相对湿度的日变化与气温的日变化正好 相反，最大值出现在日出前，最小值出现在午后1 4 1 6 时。一年中，最大相对 湿度出现在1 2 1 月，为4 9 5 ，3 5 月最小为3 1 。敦煌地区一般风力为2 - - 4 级，春季的4 、5 月份大风次数多，八级以上大风年平均出现1 5 2 0 次，年平 均大风日数和沙暴日数分别为1 5 4d 和1 5 8d 。 表2 1 敦煌地区气温、降雨量、蒸发量月平均统计表 资料来源：敦煌气象站( 降水量和蒸发量的单位为m m ，温度为) 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 ；荔； j r、 ：，。2 3456t891 0 i i 、1 2 周 、 。 4 0 0 3 5 0 3 0 0 2 6 0 2 0 0 冒 1 5 0s 删 1 0 0 捌 横 5 0 0 - 5 0 1 0 0 1 5 0 图2 2 敦煌盆地多年各月平均气温、降雨量、蒸发量变化图 1 1 0 0 1 0 7 5 1 0 5 0 1 0 2 5 p1 0 0 0 9 7 5 9 5 0 9 2 5 9 0 0 1 2 0 i 0 0 0 1 9 8 81 9 9 01 9 9 21 9 9 41 9 9 61 9 9 82 0 0 02 0 0 2 年 图2 3 敦煌多年年平均气温变化图( 1 9 9 0 2 0 0 0 年) 1 9 3 01 9 4 01 9 5 01 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 1 0 亚 图2 - 4 敦煌多年年均降雨量变化曲线( 1 9 3 8 1 9 9 9 年) 怕弧巧加坫化5 0石佃侣 。ou蟪旷吾置一卿畦世 n；v喇峰世轷廿 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 表2 - 2 敦煌地区气象要素表 资料来源：敦煌气象站 2 1 2 河流水资源及其转化 敦煌地区主要的河流是疏勒河和党河。 疏勒河，发源于祁连山西段托来南山和疏勒南山之间，自昌马峡流出后经玉 门市和安西、敦煌等市县，最终注入哈拉湖。其上游多峡谷陡壁，河床比降大； 中下游比较平缓，发育成广阔的绿洲，流量随季节发生变化；下游径流渗漏强， 补水困难，蒸发强烈，水中盐分含量高，径流地带有大量可垦荒地。据安西双塔 水文站资料，疏勒河最大流量为3 7 3m 3 s ，最小流量为2 5 8m 3 s ，平均流量为2 4 6 4 m 3 s 。1 9 4 9 年前，疏勒河经羊桥子附近流入敦煌市北部；到1 9 6 0 年前，在汛期 和冬春季节，疏勒河还常有尾水流入敦煌境内，并向西注入罗布泊。但自安西 1 9 6 0 年建成双塔水库之后，下游基本断流，河道干枯。 党河，全长3 9 0k m ，汇水面积为1 6 9 7 0 0k m 2 ，以乌兰窖洞以上为上游，沙 枣园以下为下游。党河水库修建以前，党河流入市境长为5 5k m ，修建党河水库 之后，沙枣园下游河水被纳入渠道，故河床经常处于干涸状态。据党河沙枣园水 文站1 9 5 5 1 9 9 9 年4 5 年的实测资料，党河多年平均径流量为2 9 8 亿m 3 ，最大 径流量为3 8 3 亿m 3 ，出现于1 9 8 2 年，最小径流量为2 5 4 亿i n 3 ，出现于1 9 7 5 年。党河每年1 1 月中旬开始封冻，到次年3 月中、下旬开始消融。冬季流量最 小，7 、8 、9 月流量较大。由于党河是混合补给型河流，当每年3 月中旬到7 月 间，上游积雪融化后会出现洪水；当夏季暴雨发生的时候，沟道山洪聚集，党河 也会有较大的洪水出现。一般洪水呈多峰型，单一冰雪融水形成的呈肥胖型，以 暴雨水形成的呈尖瘦型，以雪融水和雨混合形成的则具备两者特征，形成混合峰 型。党河的泥沙主要来源于上游山区流失的风化表土和区域暴雨洪水对地面及河 流的冲刷，输沙最多的是洪水季节，7 、8 两月的输沙量占全年的8 5 。 党河以东还有西水沟和东水沟两条小河。西水沟流经莫高窟前，在流入莫高窟 南7 0 0m 处的沟谷附近被拦截，主要供敦煌研究院的日常洗涤、园林浇灌、生物治 兰州大学硕士研究生毕业论文 敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 沙等用水。多年平均径流量2 4 0 9 1 0 4 m 3 ，年平均流量o 0 8i i l 3 s 。东水沟位于敦煌 城东4 0k m 处，正常流量只有4 7 5l s ，年径流量1 5 0 1 0 4 m 3 。 南湖泉水是党河的中游部分渗入地下的水和南山沟渗入地下的水在该地区的露 头。这些水分别汇集到黄水坝、北工坝、南工坝等八个水系用以灌溉。南湖泉水的 重复利用是该地区的一大特点，它在上游被灌八农田后渗漏到下游又重新溢出。南 湖泉水的平均溢出流量为3 1 4m 3 s 。 2 2 区域水文地质 2 2 1 概况 敦煌盆地东南角为剥蚀构造低山，分布地层主要有前震旦系变质岩和蓟县期 侵入岩，主要岩性有大理岩、片麻岩、混合岩、片岩相花岗岩、闪长岩等西北 角为构造剥蚀丘陵，分布地层有奥陶、志留系变质岩，石炭系、二迭系火山碎屑 岩及海西、印支期侵入岩。主要岩性有：片麻岩、大理岩、角闪岩、火山碎屑岩 和二长花岗岩、石英闪长岩、花岗闪长岩等。北部为洪积平原，下伏第三系泥质 砂砾岩。中部广大地区均属敦煌盆地，由党河洪积平原、西水沟洪积平原、党河 及疏勒河冲积平原、冲一湖积平原及沙山等地貌单元组成。洪积倾斜平原由第四 系洪积砂砾卵石层组成，冲积平原由含砾粗砂、细砂夹亚砂土组成，冲积湖积平 原由粉细砂、亚砂土、亚粘土组成。盆地南部边缘的沙山，下伏地层为中上更新 统洪积砂砾卵石层( 图2 5 、图2 - 6 ) 。 ，巨 目l 圈团s 口臣a 框蜀e 2 1 n r # 3 h * * 廿e lp e p6 自p * 自b z n t # _ - 砌i 目 图2 5 敦煌盆地水文地质剖面图 删 脚 鲫 兰州大学硕士研究生毕业论文敦煌盆地地下水数值模拟及可视化与管理 耍茧，霾翳z 圆。厦，睡野团s 豳，邂! 虻至9 圈嚣，篷銎匡豳星瑟琵羽m 匿三窭j 宿 采蓉缔成瓤援2 煮：辩蕊辞嚣女l 麓$ 一盘勰羝雄氍辫 惫薪荣粥嘏瞄$ 土囊簖妻若鸯i 墨t 一上鞭当l 缝 冲鬻鹫t 书氍鞭避供鬣麓g 。 硪新