地下水时空变化及监测网多目标优化研究——以疏勒河灌区为例

摘要

地下水水位和水质是地下水资源监测和评价的重要内容，同时也是引起干旱、半干旱地区土壤荒漠化和盐渍化等生态问题的关键因素。预测地下水水位变化趋势，研究地下水水位和水质的空间变异和分布规律，是地下水资源评价研究的热点之一；出于成本考虑，很多地区地下水监测网为”一井多用”，即每口监测井同时监测地下水水位和水质数据。研究”一井多用”型地下水监测网多目标优化建模方法，使调整后的监测网能提供满足地下水资源评价所需的地下水相关信息，对地下水资源监测与管理具有重要的意义；通过引入多目标进化算法对地下水监测网多目标优化模型进行求解，也为解决具有”一井多用”特点的地下水监测网优化问题提供了新的求解思路。 疏勒河项目区位于我国西北的甘肃省河西走廊，是甘肃省规模最大的农业种植生产基地，也是典型的干旱半干旱地区之一。该地区降雨稀少，且时空分布不均，蒸发作用强烈，生态环境脆弱，总水资源量，尤其是地表水资源量有限，农业生产、人民生活与生态环境对地下水的依赖作用十分显著。本文在收集和整理项目区水文地质数据以及地下水监测数据的基础上，基于数值模拟、地统计学理论及多目标进化算法，从地下水数值模拟与预测、地下水空间变异与分布特征分析以及地下水监测网优化建模与求解三个方面展开了对项目区地下水资源监测与评价的研究，主要研究工作如下： (1) 以项目区内的玉门-踏实盆地、安西-敦煌盆地和花海盆地为研究区域，在《河西走廊(疏勒河)项目中期计划调整报告》规划条件下，基于modflow模型对地下水水流进行数值模拟，计算并生成了三个区域2007-2030年地下水埋深预测数据以及等值图。对三个区域2007 ～2030年地下水位变化趋势进行了预测，在此基础上对地下水动态变化对环境的影响进行了分析。 (2)基于ArcGIS 地统计模块(Geostatistical analyst)，对2001-2006年项目区地下水埋深均值以及2001和2006年地下水矿化度均值进行探索型空间数据分析和空间变异特征分析，采用普通克里金插值法计算生成了埋深和矿化度等值图。通过等值图与行政区划图的叠加计算，分析和预测了2001～2006年项目区地下水水位空间分布情况以及地下水矿化度时空变化趋势，并结合预测结果对项目区生态环境进行了评价。 (3) 以地统计学理论为基础，采用地下水埋深和地下水矿化度克里金估计方差(kriging variance)最小作为地下水监测网多目标优化的评价标准，构建了疏勒河项目区地下水监测网空间布局的多目标优化模型。 (4) 地下水监测网多目标优化模型的求解采用多目标粒子群算法。本文对多目标粒子群算法的粒子更新公式及其全局和局部极值选取方式进行了研究，提出了一种改进的多目标粒子群算法。通过对疏勒河项目区地下水监测网多目标优化的应用证明该方法的有效性。