（水利水电工程专业论文）沈阳市城区地下水动态数值模拟研究.pdf

沈阳农业犬学硕士学位论文 摘要 地下水资源在世界范围内都被作为重要水源，其开发利用管理受到广泛关注。随着 社会经济迅速发展，城市建设和经济发展规模不断扩大，沈阳市水资源的需求量也越来 越大。从二十世纪五十年代开始由于集中水源地的建立，地下水位开始逐渐下降形成降 落漏斗。此后随着开采量的逐年增加，漏斗的范围不断扩大，区域水位大幅度下降，地 下水降落漏斗中心区出现了地面沉降，部分建筑物及道路设施遭到破坏：地下水水质部 分指标超标，部分有毒有害成份出现在地下水中，威胁着人民群众的健康，并使得沈阳 市的水资源短缺问题更为严重。因此来说，研究地下水动态变化对地下水资源合理开发 利用及促进社会、经济、资源和环境的协调发展具有重要的战略意义。 本论文研究重点及目的是：在了解国内外对地下水动态变化研究现状的基础上，分 析地下水位动态变化研究的发展趋势，以及在目前沈阳市地下水开发利用、社会经济条 件下，地下水位变化影响因素分析；建立研究区域地下水位动态变化数学模型，对未来 沈阳市地下水位变化趋势做出预测分析；并结合沈阳市城区实际情况提出地下水可持续 开发利用的对策与建议。 本论文重点进行了以下几方面研究工作： ( 1 ) 分析研究沈阳市城区地下水水位变化影响因素，如：地下水位与降水量之间 的关系，地表水与地下水之间的补给关系等。 ( 2 ) 对沈阳市城区地下水水质、水位动态变化进行分析。 ( 3 ) 运用灰色系统模型，建立区域地下水位变化数值模拟模型，研究区域地下水 位的动态变化规律，模拟出未来沈阳市地下水位变化趋势。 ( 4 ) 通过对沈阳市城区地下水位动态变化规律及沈阳市地下水水质的分析，并根 据地下水开发利用现状，提出沈阳市城区地下水可持续开发利用对策及建议。 ( 5 ) 建立沈阳市城区地下水位观测资料信息管理系统。 关键词：沈阳市城区，地下水动态变化特征数值模拟。水位预测灰色系统，g m ( 1 ，2 ) 预测模型 英文摘要 a b s t r a c t a b s t r a c t ： t h eg r o u n d w a t e rr e s o u r c e si sa l lb e e na ni m p o r t a n tw a t e rr e s o u r c ew i t h i nt h es c o p eo f w o r l d ，i t se m p l o i t a t i o n u s i n gm a n a g e m e n t 1 0b es u b j e c t e da na b r o a da t t e n t i o n d e v e l o p q u i c k l ya l o n gw i t hs h e n y a n gc i t y sn a t i o n a le c o n o m y , t h ec i t y c o n s t r u c t i o na n de c o n o m y d e v e l o p ss c a l et oe x t e n dc o n t i n u o u s l y , t h ed e m a n do ft h ew a t e rr e s o u r c e si sa l s om o r ea n d m o r eg r e a t n e s s f r o m5 0 si n2 0c e n t u r i e ss t a r tt h ee s t a b l i s h m e n to ft h ec o n c e n t r a t e h e a d w a t e r st e r r a ，w a t e t a b l e b e g i n n i n g d e s c e n d s g r a d u a l l y ，c o m e i n t o b e i n gd e s c e n t f u n n e l h e n c e f o r t ha l o n gw i t hm i n eq u a n t i t yo fi n c r e a s ey e a rb yy e a r , t h ea r e ao ff u n n e l e x t e n d sc o n t i n u o u s l y ，t h ed i s t r i c tw a t e r - t a b l e i sg r e a ts c o p et od e s c e n d , t h eg r o u n d w a t e r d e s c e n tf u n n e lc e n t e ra p p e a rg r o u n dd e c l i n e ，p a r t so fb u i l d i n g sa n dt h er o a df a c i l i t i e s e n c o u n t e rt ot h eb r e a k a g e ；t h e g r o u n d w a l e r w a t e r q u a h t y sp a r t s o fg u i d e l i n eo u t r u n s t a n d a r d ，p a r to fp o i s o n o u sa n dh a r m f u lc o m p o s i t i o n sa p p e a ri n t h eg r o u n d w a t e rh r e a t e n p e o p l e sh e a l t h ，a n d i m a k et h e p r o b l e m o f s h e n y a n gc i t y s w a t e rr e s o u r c e s 。m o r e s e r i o u s t h e r e f o r e ，r e s e a r c hg r o u n d w a t e rd y n a m i cv a r i e t yf o rr e a s o n a b l ee x p l o i t a t i o nu s i n go f g r o u n d w a t e r a n d p r o m o t es o c i e t y , e c o n o m y , r e s o u r c e a n d ie n v i r o n m e n t a l sc o o r d i n a t i o n d e v e l o p m e n th a v ei m p o r t a n ts t r a t e g i cm e a n i n g 。 t h i st h e s i sr e s e a r c he m p h a s e sa n dp u r p o s e si s ：o nt h ef o u n d a t i o no fu n d e r s t a n d i n g d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h p r e s e n t o fg r o u n d w a t e r d y n a m i cv a r i e t y , a n a l y s e w a t e r t a b l eb e h a v i o rd y n a m i cv a r i e t yr e s e a r c h sd e v e l o p m e n tt r e n d ，a n dc u r r e n t l yu n d e r s h e n y a n gc i t y sg r o u n d w a t e rd e v e l o p m e n tu s i n g ，s o c i a le c o n o m i cc o n d i t i o n ，t h ei n f l u e n c e f a c t o ro fw a t e r - t a b l ec h a n g e ；e s t a b l i s h m e n tr e s e a r c hd i s t r i c tw a t e r - t a b l ed y n a m i cv a r i e t y m a t h e m a t i c sm o d e l ，w i l la l le s t i m a t ea n a l y s i si nt h e f u t u r et os h e n y a n gc i t y sw a t e r - t a b l e c h a n g et r e n d ；c 0 m b i n e ss h e n y a n gu r b a nc i t y s a c t u a lc i r c u m s t a n c et op u tf o r w a r dt h e c o u n t e r m e a s u r ea n dt h e s u g g e s t i o n t h a t g r o u n d w a t e r c a nk e e p i n go n d e v e l o p m e n t e x p l o i t a t i o n t h i st h e s i se m p h a s e sc a r r i e do nf o l l o w i n gs e v e r a lr e s e a r c hw o r k s ： ( 1 ) a n a l y z et h ei n f l u e n c ef a c t o ro fw a t e r - t a b l ev a r i e t yd u r i n gt h ep e r i o do fe x p l o i t a t i o n i n s h e n y a n g u r b a n c i t y l s ，s u c h a s ：t h er e l a t i o no fw a t e r t a b l ea n d p r e c i p i t a t i o n ，t h e r e p l e n i s h m e n tr e l a t i o no fs u r f a c ew a t e ra n dg r o u n d w a t e re t c ( 2 ) c a r r yo na n a l y s i st ot h eg r o u n d w a t e rw a t e rq u a l i t y , w a t e r - t a b l ed y n a m i cv a r i e t yi n s h e n y a n gu r b a nc i t y ( 3 ) u t i l i z et h eg r a ys y s t e mm o d e l ，e s t a b l i s hr e g i o nw a t e r - t a b l ev a r i e t yn u m e r i c a l i i 沈阳农业大学硕士学位论文 s i m u l a t i o nm o d e l ，r e s e a r c h1 7 e g i o nw a t e r - t a b l eb e h a v i o rv a r i e t yo r d e r l i n e s s 。 ( 4 ) a n a l y s i st h ew a t e r t a b l eb e h a v i o rv a r i e t yo r d e r l i n e s sa n dg r o u n d w a t e rw a t e rq u a l i t y i ns h e n y a i m gu r b a na r e a ，b a s eo np r e s e n to ft h eg r o u n d w a t e re x p l o i t a t i o na n du s i n g p u t t i n g f o r w a r dt h ec o u n t e r m e a s u r ea n ds u g g e s t i o no fg r o u n d w a t e ra b i d a n c ee x p l o i t a t i o na n du s i n g i ns h e n y a n gu r b a na r e a ( 5 ) e s t a b l i s ht h ew a t e r t a b l eo b s e r v a t i o nd a t u mi n f o r m a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mo f s h e n y a n gu r b a n a r e a k e y w o r d s ：s h e n y a n g s u r b a na r e a ，u n d e r g r o u n dw a t e rb e h a v i o rc h a n g ec h a r a c t e r i s t i c ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h ew a t e r w a t e rf o r e c a s t i n g ，g r a ys y s t e m ，g m ( 1 ，2 ) m o d l e i j i 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，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育 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：撞榻f 如 导师签名 时间：7 斫 f 嚼饲t 沙1 | 年6 冠f o b 年厅五日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保 留、使用学位论文的规定，即：学校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。 同意沈阳农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发 表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签 导师签名 名：漉砀比 绷z 嚼阚：1 每6 其煅 帆驴7 年号抄 沈阳农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 地下水动态预测模型的发展与研究现状 随着社会发展对水资源需求不断加大，地下水资源的供需矛盾日益突出，因此在进 行区域地下水资源开发利用时，要制定合理的开发利用方案。面对地下水系统客观存在 的复杂性，人们在实践中不断的总结，通过建立预测模型，来获得在地下水资源量、地 下水污染、地下水合理开发利用等方面的数值解，对地下水资源进行定量分析计算，为 合理开发利用地下水资源提供决策依据。建立地下水动态预测模型对水文地质学科中某 些理论和实际问题的解决起了很大作用，也成为掌握水文地质规律和资源评价管理中必 不可少的方法手段。 1 1 1 地下水动态预测模型研究发展现状分析 影响地下水的动态变化因素有很多，如降水量影响、地表水入渗、越流补给、人工 补给等诸多因素。这些因素包含有确定性和不确定性因素，因此地下水动态预测模型可 以分为确定性模型和随机模型。 1 1 1 1 地下水动态预测模型一确定性模型 确定性模型：在数学模型中地下水运动要素之间的相互关系为确定的关系。一个确 定性数学模型，通常包括一个描述地下水运动规律的微分方程和某一特定地区的定解条 件( 包括初始条件、控制方程、微分方程与边界条件) ，以及一些表征含水层性质的物理 参数，如贮水系数，导水系数等。确定性模型的解能够用解析式表示出或者用数值和物 理法进行模拟。 ， 根据所研究的耳的和介质特性的不同确定性模型可以分为连续和非连续模型( 董志 高等，2 0 0 2 ：周志芳等，1 9 9 4 ，1 9 9 6 ) 。 ( 1 ) 连续性模型假定介质是连续的，从而可借助连续介质理论进行分析。等效连 续介质模型是将裂隙中的水流等效平均到整岩体中，从而将裂隙岩体模拟为具有对称渗 透张量的各向异性连续体，该模型突出优点是可以沿用各向异性连续介质理论进行分 析，无论是在理论上还是在解题方法上均有较为成熟的基础和经验，而且不必知道每条 裂隙的确切位置和水力特性。但等效连续介质模型在地下水动态预测中的应用还存在两 方面的困难，一是裂隙岩体等效渗透张量的确定；二是等效连续介质模型的有效性不一 定能得到保证。 ( 2 ) 非连续性模型根据介质的特性也可分为裂隙网络模型和裂隙一孔隙模型两种。 裂隙网络模型是假定裂隙间的岩体是不透水的，把岩体中的裂隙视为一个连通的导水网 络系统。地下水运动是通过裂隙组成的网络实现的。根据裂隙交汇结点处的水量守恒原 理来求解整个网络系统的水位分布与流量。裂隙一孔隙介质模型是把岩体中的裂隙视为 一个独立的裂隙网络系统，把裂隙间的岩块视为孔隙介质处理，两者由水量转换关系来 联系。 第一章绪论 这两种模型的优点在于较真实地反映了岩体的不连续性，缺点是需要的裂隙网络资 料非常详尽，三维流问题难以模拟求解。 国外，n o o r i s h a d 和m e h r a n ( 1 9 8 2 ) 提出上游有限元法：求解这类模型中物质运移问 题。国内，毛昶熙( 1 9 9 1 ) 应用这类模型，成功地解决了工程应用中平面裂隙流问题： 王恩志( 1 9 9 3 ) 按非连续介质方法建立了裂隙网络渗流离散模型，采用全区域不变网络 分析方法，并引入初流量概念，化非线性分析为线性分析，成功地解决了岩体剖面上有 自由面的裂隙网络渗流计算问题。 非连续模型具有模拟真性好、精度高等优点，但是工作量比较大，在实际的地下水 预测模拟中不能得到有效广泛的应用。 对于地下水动态预测的确定性模型的求解有解析法、数值法、试验法等。 a 解析法是一种比较经典的求解模型方法，主要适用于求解区域的水文地质边界条 件比较简单的情况下，如可以利用水力学中的泰斯公式来求解出某点的任意时刻的地下 水位变化情况，可以作出地下水动态的短期预测。 b 数值法，随着计算机科学的迅速普及发展，数值模拟技术逐渐应用到水文地质方 面成为一种实用、方便的模拟地下水动态的方法。目前在水文地质领域应用比较多的数 值方法有：有限差分法：有限差分法的基本思想是用差商近似控制方程中的微商，然 后耦合初始条件及边界条件求解封闭的线性代数方程组。t y s o n 及w e b e r ( 1 9 6 4 ) 成功地把 不规则网格有限差分法用于美国加利福尼亚州的含水层模拟中；国内学者张宏仁、李俊 亭( 1 9 7 9 、1 9 8 0 、1 9 8 2 ) 对不规则有限差分法的推导、论证及推广应用做了大量工作，解 决了许多实际问题。该方法具有物理概念清楚、直观、易懂、计算简单、编制计算程序 容易等特点；有限元法：我国数学家冯康( 1 9 6 5 ) 创建，其基本思想是采用插值近似使 控制方程通过积分形式在不同意义下得到近似满足，把研究区域转化为有限数日的单元 而列出计算格式a t a i e a s h t i a n i b 等( 1 9 9 9 ) 运用基于有限元的二维数值模型s u t r a ，对 基本方程和模型进行修改，模拟含水层边界条件周期性变化的地下水流；边界元法， 近几年出现的边界元法现已发展成为种新的数值计算方法。边界元法是通过g r e e n 公 式和定解问题的g r e e n 函数化微分方程为边界积分方程，使用离散化技术离散边界，当 求出边界上的水位之后，对计算区内的水位可依靠边界上的水位用简单公式求出。有 限分析法一国内学者陈雨孙( 1 9 9 1 ) 、李俊亭、王文科( 1 9 9 3 、1 9 9 4 、1 9 9 5 ) 等开始应用 此方法解决某些水文地质问题。有限分析法的基本思想是将控制方程的局部解析解组成 整体数值解。这样得到的解可以比较好地保持原有问题的物理特性，既能准确地模拟对 流效应，又能消除有限元方法中造成的数值振荡现象。计算稳定性好，收敛速度较快， 因而，自从有限分析问世以来，受到国内外众多学者的重视，并在流体力学、热传导等 方面取得了较为理想的效果。 c 试验法分为室内试验和现场试验两大类。有关裂隙水渗流的立方体定律、裂隙水 的偏流、简单应力场与渗流场的耦合关系都是通过室内试验获得的。现场试验常有压水 沈阳农业大学硕士学位论文 试验、抽水试验、连通试验等等。这些现场试验的目的主要是用来定性或定量确定岩体 裂隙介质透水性和连通性。 总之，确定性模型能比较准确预测地下水动态变化，特别是对研究区水文地质条件 简单、含水层系统较均一的情形更为有效。但是，确定性模型是在许多假设条件基础之 上建立起来的，很难真实地模拟实际复杂的水文地质条件，用它进行地下水动态预测必 定存在较大的误差；而且，还必需花费大量的人力、物力、财力来获取含水层参数信息 ( 渗透系数、贮水系数等) 以及对含水层系统的识别。 1 1 1 2 地下水动态预测模型一随机模型 在地下水运动诸要素中，有一个或一个以上的变量视为随机变量的数学模型称为随 机模型，随机模型的研究是以概率论和数理统计以及随机过程理论为工具的，其数学解 答常常表示为具有某一实现概率的集合，不可能在通常的精确意义下表示为某一确定的 值。常用的随机模型方法包括多元回归分析，频谱分析法，时间序列分析等。 ( 1 ) 回归分析法是种处理变量间相关关系的数理统计方法，它不仅可以提供变量 间相关关系的数学表达式，而且可以利用概率统计知识对此关系进行分析，以判别其有 效性；还可以利用关系式，由一个或多个变量值，预测和控制另一个因变量的取值，进 一步可以知道这种预测和控制达到了何种程度，并进行因素分析。回归分析法就是以统 计回归概念为基础，采用多种类型的回归方法建立预测方程，包括一元线性、多元线性、 非线性回归等。因为在许多实际问题中，预测函数往往是非线性的，勉强用线性逼近， 误差太大，难以获得很好的效果。因此，当研究对象与预报因子之间存在高度的非线性 时，应选用其他回归模型。 ( 2 ) 灰色系统模型g m ( 1 ，n ) ( 邓聚龙，1 9 8 6 ；刘思峰等，2 0 0 4 ) 1 9 8 2 年我国学者邓聚龙教授创立灰色系统理论，是一种研究少数据、贫信息不确定 性问题的新方法。灰色系统理论以“部分信息己知，部分信息未知”的小样本、贫信息 不确定性系统为研究对象，主要通过从已知信息提取有价值的信息，实现对整个系统演 化规律的描述和有效控制。灰色系统模型对实验观测数据的要求没有什么特殊要求和限 制，因此其在社会、经济、农业、工业生态、生物等领域得到广泛应用，产生显著的社 会效益和经济效益。灰色系统建模一般可以分为以下几个步骤：明确研究的方向、目 的、措施，并对研究对象进行系统分析；仔细对模型中的各项影响因素之间的关系进 行分析，找出其中的因果关系；对各个环节的因果关系进行量化处理，得到量化模型； 进一步进行数据的输入、分析，根据所得的数据序列建立动态灰色系统模型；对模 型进行系统的分析研究，通过对结构、参数的调整进行系统分析、优化，达到改善系统 的目的，使系统更能表达出实际的意义。 灰色模型g m ( 1 ，n ) 表示阶的n 个变量的微分预测模型，用于时间序列预测模型。 其主要原理如下： 3 第一章绪论 设系统特征数据序列为x 1 o = 1 o ( d ，石1 o ( 2 ) ，z 1 o ( h ) ) 相关因素序列为：x 2 ( 0 ) = 2 o ( 1 ) ，工2 o ( 2 ) ，工2 o ( h ) ) x = 缸o ，h ( 2 ) ，h ) ) 其g m ( 1 ，n ) 建模步骤如下： 对原始序列进行一次累加，x ；( i = 1 ，2 ，n ) 为诸x ；( o 的一次累加 序列。 进行数据得光滑性、准指数规律检验。 模型参数求解。 妒( 2 ) 中矧 1 一f o ，) 川：) | 则g m ( 1 ，n ) 模型a = 【口，6 ：，b ，】f 的最小二乘估计参数数列满足： a = p 礓) 1 矿y = 1 ：i ，u ， n 确定模型：! + 甜。o = 6 ；t 1 ( 将a 、b 值带入) 及g m ( 1 ，n ) 的时间响应 序列。 还原求出x ，o 的模拟值。 检验误差。 通过利用相对误差法、关联度法等对所得数据进行误差、精度检验。 利用灰色系统理论进行预测分析能够反映序列的总体变化趋势，而且灰色系统理论 对原始数据的要求不高，对于数据可多可少，其理论可靠，方法简单实用。 用灰色理论预测地下水位的动态，理论可靠，方法较简单。对原始数据量的要求不 高，可多可少，但要求数据总体上为单调较平缓的变化，而不能是周期性、突变的变化， 否则即使是作为原点修正，也难以保证预测的精度。这是因为模型本身是一个呈单调变 化的指数型函数。故对地下水位呈单调变化的地区，用灰色理论预测是较为合适的。 模型的形式并非唯一，是随数列的变化而变化，故预测不宣多步，以1 2 步为宜， 并应随时增加最新的数据，使模型能反映系统的最新信息。 4 q p 0mm一m 一 一 一 胸焖附 妒妒掣 一 一 一 ilrllllll，lliil 沈阳农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ) ( 陈明，1 9 9 5 ) ，又称为连接机制模 型( c o n n e c t i o n i s mm o d e l ) 或称并行处理模型( p a r a l l e ld i s t r i b u t e dp r o c e s s i n gm o d e l ) ，是 一种由大量简单的人工神经元广泛连接而成的，用以模仿人脑神经网络的复杂网络系 统。人工神经网络具有高维性、并行分布处理性、自适应、自组织、自学习等优良特性， 为一些传统方法所难以解决的问题提供了一条新途径，引起了人们的广泛关注。己在人 工智能、信息处理等领域取得了显著效果其基本网络由三层组成，即输入层( i 层) 、中 间隐含层( h 层) 、输出层( o 层) 网络基本结构见图l 一1 。信息由1 层输入网络后单向 流动经h 层变换，最后由0 层输出。网络中的i 层、0 层单元数是由具体问题的输入 层参数和输出层参数来确定的。而h 层的单元数则由具体问题的复杂程度、误差下降情 况等来确定。 h 信 息 流 动 方 向 y 一输出矢量 毛一i 层与h 层神经元问的连接权：1 1 2 - - 0 层与h 层神经元问的连接权 图1 - ib p 网络结构示意图 f i g 1 - 1 a r c h i t e c t u r e o f b p n e t w o r k 用b p 网络模型进行地下水动态预测是神经网络方法在水文水资源领域中应用的探 索，实例表明它能提高地下水动态预测的精度，模型输入项可根据实际地区的水文特征， 通过分析影响该区地下水动态的主要因素获得。 以多年的历史资料作为训练样本，训练样本数量越大，网络精度就越高，一旦训练 好了一个网络模型，就可以用在该区地下水动态预测中，预测结果真实可靠j 训练样本 数量越大，网络精度就越高，预测结果真实可靠，有更好地持久性和适时预报性。 人工神经网络具有非线性、不确定性和并行处理的强大功能，用人工神经网络建立 地下水动态预测模型，不仅能够实现多影响因素的多因子并行预测，而且可以实现时间 序列的多时刻同时预测，扩大了地下水动态预测范围。不足之处在于网络的隐蔽层数以 及隐蔽层中的神经元数难以确定，一般要根据研究问题的实际情况凭经验确定。 1 2 地下水动态预测模型未来发展趋势 因为地下水动态是一个十分复杂的变化过程，目前对于地下水动态模拟研究尚处于 发展阶段，还有很多不完善的地方。现在还不能用一个高精度、高效率、高可靠性的模 5 第一章绪论 型来完全的把地下水动态特征描述出来，地下水动态研究尚还有很多工作要做、很多潜 力可挖掘。未来进行地下水动态研究主要应在以下几个方面加强： ( 1 ) 在未来地下水动态研究中要逐渐扩大研究领域，除解决水文地质问题外，还要 逐步向相关的领域发展，如通过地下水动态研究进行含水层结构分析、地质灾害预测及 土壤学研究等。 ( 2 ) 地下水动态受降水、河流、蒸发、人工开采等多种因素影响，地下水动态分析 模型主要是多输入单一输出的特点，未来应该加强多输入一多输出分析模型的研究。 ( 3 ) 将边界条件、降水入渗量作为时间序列，以地下水含水层的贮水、导水系数作 为随机变量，进行数值求解，建立起地下水动态变化的随机分析模型，通过对模型的求 解可以得出相关地下水流变化的概率分布，这可以作为实际工程建设、领导决策的依据。 ( 4 ) 建立地下水动态突变模型，研究地下水动态的突变问题。 1 2 研究工作的主要内容及技术路线 1 2 1 研究工作的主要内容 根据目前沈阳市地下水开采现状及开发利用中所存在问题，需要及时的掌握地下水 的动态变化规律及在目前地下水开发利用现状下研究地下水资源可持续开发利用问题， 本文以沈阳市( 三环以里范围) 为例，重点开展了以下方面的研究工作： ( 1 ) 分析研究影响沈阳市地下水位变化因素，地下水位与降水量之间的关系，地 表水与地下水之间的补给关系等。 ( 2 ) 对沈阳市城区地下水水质、水位动态变化进行分析。 ( 3 ) 运用灰色系统模型，建立区域地下水位变化数值模拟模型，研究区域地下水 位的动态变化规律，模拟出未来沈阳市地下水位变化趋势。 ( 4 ) 通过分析研究沈阳市城区地下水位动态变化规律及沈阳市地下水水质的分析， 并根据沈阳市地下水开发利用现状、存在问题，提出沈阳市城区地下水可持续开发利用 对策及建议。 ( 5 ) 建立沈阳市城区地下水位观测资料信息管理系统 以上对沈阳市地下水位动态变化规律及地下水水质变化分析研究的研究结果，可作 为沈阳市区域地下水资源可持续开发利用决策依据，和制定其他相关行业政策法规的参 考依据之一。 1 2 2 研究工作的技术路线 本论文研究的技术路线是对所要研究的主要问题，通过收集资料、借鉴国内外地下 水动态变化研究经验，结合沈阳市地下水实际情况，进行现状调查，资料收集，理论分 析，建立关于地下水位变化的数值模拟模型。同时对近几年沈阳市地下水位观测数据进 行分析，拟合，做出相关的预测分析，提出地下水资源可持续开发利用的对策及建议， 见图1 2 。 6 沈阳农业大学硕士学位论文 图1 - 2 技术路线 f i g 1 - 2t h et e c h n i q u er o u t e 7 第一章绪论 1 3 研究的目的及意义 当今世界面临严重的水资源危机。水资源的严重缺乏已成为关系到贫困、可持续发 展乃至世界和平与安全的重大问题。地下水资源在世界范围内都被作为重要水源，其开 发利用管理受到广泛的关注。长期以来，由于不适宜的开发利用方式，使得全球许多地 区面临着由此产生的环境和生态闯题。 随着沈阳市国民经济迅速发展，城市建设和经济发展规模不断扩大，水资源的需求 量也越来越大。从二十世纪五十年代开始由于集中水源地的建立，地下水位开始逐渐形 成降落漏斗。此后随着开采量的逐年增加，漏斗的范围不断扩大，中心水位逐渐下降。 由于近二十多年间的超量开采地下水，区域水位大幅度下降。地下水降落漏斗中心区出 现了地面沉降，部分建筑物及道路设施遭到破坏；地下水水质部分指标超标，部分有毒、 有害成份出现在地下水中，威胁着人民群众的健康，并使得沈阳市的水资源短缺问题更 为严重。 以上地下水水资源问题说明，研究区的地下水环境己受到了威胁。这就要求我们去 研究和掌握地下水资源动态变化情况及地下水资源的可持续性发展，根据研究结果，来 指导区域地下水开采利用规划及决策，实现地下水资源可持续利用。因此来说，研究地 下水动态变化对地下水资源合理开发利用及促进社会、经济、资源和环境的协调发展具 有重要的战略意义。 ， 地下水动态是指地下水与环境相互作用下，含水层各要素随时间变化，包括地下水 位、水化学特征、水量、水温等，是通过一系列长期观测资料反映出来的( 中国水利教 育协会，2 0 0 6 ) 。 本课题探索并研究的重点及目的是：在了解国内外对地下水动态变化研究现状的基 础上，分析地下水位动态变化研究的发展趋势，以及在目前沈阳市地下水开发利用、社 会经济条件下，地下水位变化的影响因素；建立研究区地下水位动态变化数值模拟模型， 对未来沈阳市地下水位变化趋势做出预测分析；并结合沈阳市城区实际情况提出地下水 可持续开发利用对策与建议，是本文研究的最终目的。 沈阳农业大学硕士学位论文 第二章研究区域概况及地下水开发利用现状 2 1 自然概况 2 1 1 社会经济概况 沈阳市是辽宁省省会，是全省的政治中心，也是我国东北地区最大的经济中心城市 和全国重要的工业基地。项目研究区涉及到和平、沈河、大东、铁西、皇姑5 个区与新 城子、苏家屯、东陵和于洪四个郊区及铁西新区、浑南新区的一部分。项目研究区即沈 阳市规划中心区位于东经1 2 3 。1 6 1 2 3 。3 5 ，北纬4 1 4 2 t 4 1 。5 5 t 。即东至东陵桥， 北至王家沟立交桥、朱家屯立交桥，向西至三台子立交桥、红旗台立交桥，向南至张士 立交桥、金宝台立交桥，总面积4 6 8 k m 2 。截止至2 0 0 4 年底，沈阳市市区人口4 8 5 0 万 人，市区人口密度1 3 7 3 人i n n 2 沈阳市工业发达，经济实力雄厚，工业综合生产能力较强，机械工业驰名中外，是 我国第二大机械工业基地。从总体上看，沈阳市三产业比例由1 9 7 8 年的9 2 ：6 5 8 ：2 5 调整到2 0 0 4 年的5 8 ：4 9 5 ：4 4 7 ，第一、二产业比例下降，第三产业比例上升，成为 经济发展的主导产业，沈阳市正在由以重工业为主的工业城市逐步转化为以第三产业为 主，二三产业协调发展的综合性城市发展。 2 1 2 水文 ( 1 ) 降水 降水是水资源的补给源，降水的特性在很大程度上决定了水资源特性。降水量及其 时空分布取决于水汽来源、天气系统、地理位置和地形等条件。水汽的输送量随着季节 不同而有差异，形成降水量的季节变化。 从行政分区看( 1 9 5 6 2 0 0 0 年系列) 见图2 1 ：沈阳市区年降水量为1 0 6 8 4 万m 3 ， 折合降水深为6 8 9 3 m m ；新城子区年降水量为5 7 7 1 6 万m 3 ，折合降水深为6 5 8 9 m m ； 苏家屯区年降水量为5 4 1 5 5 万m 3 ，折合降水深为6 8 9 o m m ；于洪区年降水量为4 4 3 2 2 万i n 3 ，折合降水深为6 4 2 8 m m ；东陵区年降水量为4 0 8 6 7 万m 3 ，折合降水深为7 0 3 9 r a m ； 辉山风景区年降水量为1 0 0 0 8 万m 3 ，折合降水深为7 0 4 8 m r n ；浑南开发区年降水量为 8 4 9 9 万m 3 ，折合降水深为7 0 4 8 m m ；铁西新区年降水量为5 5 7 3 万m 3 ，折合降水深为 6 4 4 2 m m ；农业高新区年降水量为3 0 1 6 万n 1 3 ，折合降水深为7 0 4 8 m m 。 辉山风景区 铁西新区 浑南开发区 新城子区 农业高新区 苏家屯区 于洪区 东陵区 市区 毯行政分区多年平均降水量分布示意图 6 0 06 2 06 4 06 6 06 8 07 0 07 2 0 m m 第二章研究区域的自然、地理概况 匿2 - - 1 行政分区多年平均降水量分布不惹图 f i g , 2 1t h e s k e t c hm a p o f a d m i n i s t r a t i o ns u b a r e am e a na n n u a l p r e c i p i t a t i o nd i s t r u b u t i n g ( 时间) 降水量的年内分配：由于特定地理位置及季风气候影响，降水量四季变化 明显，年内分配很不均匀。冬季受冷高压控制时间较长，寒冷少雪；春季冷高压开始北 撤，东南季风入侵较晚，一般到六月份才进入雨季，7 8 月份为降雨全盛时期。正常 年份最大四个月雨量约占全年降水量的7 1 7 7 7 4 。 ( 2 ) 径流 年径流地区分布：沈阳市年径流深区域分布的不均匀性比降水量更严重。东南部苏 家屯一带最大径流深约达1 5 0 r a m 左右，往中部和西北部递减，市区径流深约达1 2 0 r a m 左右，西北部康平一带径流深最小约5 0 r a m ，最大值约是最小值的3 倍。 沈阳市径流的年际变化比较明显，年际变化最大的如养息牧河小荒水文站1 9 9 8 年 最大径流量达2 4 7 7 1 万1 1 1 3 ，而2 0 0 0 年径流量只有9 6 万m 3 ，最大年径流量是最小年径 流量的2 5 8 倍；就年际变化最小的新民水文站，1 9 6 3 年最大径流量达1 1 4 8 1 0 万m 3 ，而 1 9 8 2 年仅为1 4 1 7 2 万m 3 ，最大最小年径流量比为8 1 。 径流的季节变化主要取决于河流的补给来源和变化，沈阳市河流的补给来源主要有 雨水、融雪水、地下水，一般以雨水补给为主；并兼有融雪水补给影响，每年有春、夏 两次汛期。但是春汛短且量小，融雪径流只占年径流3 4 。夏汛长且量大，一般四个 月( 6 9 月) ，汛期径流约占年径流的6 0 8 0 ，而汛期径流又集中在7 8 两个月，7 8 月径流一般占年径流的5 0 6 0 。枯水径流很小，4 5 月径流仅占年径流的1 0 左 右，所以枯水季节严重缺水。河水的年内变化主要依赖于降水的年内变化，且变化明显。 ( 3 ) 蒸发 a 水面蒸发量地区分布与年内分配 沈阳市多年平均水面蒸发量为1 3 0 0 - - 1 8 0 0 m m ( 1 9 5 6 - - 2 0 0 0 年) ，2 0 0 4 年水面蒸发 量平均为1 5 2 2 3 r a m 。 水面蒸发量分布有东部小、西部大、中部过渡与降水量分布相反的特点。水面蒸发 的年内分配，受太阳辐射量、空气湿度、气温、风速影响，全年最大月蒸发量出现在5 月份，约占全年蒸发量的1 7 ，6 月次之，5 和6 两个月蒸发量约占全年总量的3 2 。 最小月蒸发量一般出现在1 月份，最大月蒸发量为最小月的8 1 0 倍，由于蒸发的峰值 正好出现在作物生长的少雨季节，因而形成了多春旱的特点。 b 陆地蒸发的地区分布 年陆地蒸发量为4 5 0 - - 5 0 0 m m 。中东部地区，大多地处辽宁东部山丘区向平原区过 渡地带，年陆地蒸发量约为5 0 0 m m 左右。西部的大部分地区，由于降水稀少，气候干 旱，蒸发旺盛，蒸发能力超过供水能力，年陆地蒸发量减少到4 5 0 r a m 左右， c 干旱指数：沈阳市中部地区干旱指数近似为1 ，西部柳河及养息牧河和西北部抗 法地区干旱指数在1 0 1 5 之间。从干旱指数反映出沈阳市从东部到西部，湿润和干旱 沈阳农业大学硕士学位论文 程度地区差异上的特点。 ( 4 ) 河流 圈2 - - 2 研冤区域水系分布图 f i g 2 - - 2 t h e d i s t r i b u t e d i a g r a m o l w a t e r s y s t e m i nr e s e a r c h f l r c a 流经城区主要河流有浑河、北运河、南运河、满堂河，见图2 2 研究区域水系分 布图；沈阳市的环城水系主要由南运河、北运河和卫工明渠组成，总长度为5 0 9 k m ， 水面面积约为1 0 4 1 h a 。 浑河发源于辽宁省清源县的滚马岭，是流经沈阳市区最大的一条河流，全长 4 1 5 4 k m ，从东部山前流入，西南部流出，区内长3 0 6 k m ，流域面积1 1 4 8 1 k m 2 ，上游 集水面积7 9 4 4 k m 2 ，多年平均水位3 5 9 7 m ，平均流量4 1 4 8 m 3 s 僦阳站) ，水库放水期间 4 0 2 0 0m 3 s ，其它月份3 1 0m 3 s ，是辽河最大的一条支流。浑河支流除蒲河外，还有一 些较小的季节性河流，如细河、九龙河、白塔堡河等1 3 条。 北运河即“新开河”，它引自浑河，自大东区东塔桥处与南运河分离，流经大东、皇 姑、于洪区，至于洪区浑北灌渠处，大部分进入浑河，最后汇入蒲河。 南运河引自浑河，始于大东区东塔桥，全长1 4 5 k m ，水面面积0 3 1 5 k m 2 。流经沈 河、和平，在龙王庙闸处汇入浑河。沿途有动物园湖、万柳塘公园湖、青年公园湖、鲁 迅公园湖、南湖公园湖等5 个公园景观湖。 1 1 第二章研究区域的自然、地理概况 卫工明渠全长8 7 k m ，水面面积o 1 4 4k m 2 。渠首位于于洪区卫工明渠引水闸，流经 于洪、皇姑、铁西，在大二环处与卫工、肇工暗渠汇合后进入细河。卫工河水主要来源 于北部污水处理厂处理后的排水，雨量较大时，从卫工明渠引水闸会泄入部分北运河水。 如北部污水处理厂正常运行，则卫工明渠一年四季水量变化不大。 满堂河发源于东部丘陵区，是浑河的一条支流，一般三月份出现水流，旱季干旱断 流，全长2 7 k m ，流域面积5 8 6 k m 2 。 2 1 3 气象 沈阳地区气候类型属北温带，亚洲季风气候区北缘，受季风影响的温湿和半温湿大 陆性气候。其主要特点是季风气候特征明显，四季分明，降水集中，日照充足。春季多 西南大风，蒸发量大，易春旱；夏季高温多雨，盛吹南风和东南