变密度条件下地下水模拟优化研究

摘要

上世纪80年代以来美国Alabama州Baldwin县南部由于地下水超采而引起的滨海含水层海水入侵问题一直困扰着当地政府和居民。随着人口的增加和经济的发展,该地区地下水的需求不断加大,导致海水入侵问题日渐严峻,而且地下水合理开采的要求也日益迫切。本文利用变密度地下水模拟工具SEAWAT2000、遗传算法和并行技术,对该地区海水入侵建模和地下水开采管理问题以及通用变密度地下水模拟优化模型及其并行计算程序的研发进行了详细的研究,并取得了以下成果:(1)基于过渡带理论建立了首个描述美国Alabama州Baldwin县南部墨西哥湾附近滨海含水层海水入侵的三维非稳定流变密度地下水有限差分模型—Baldwin南部海水入侵模型,并利用它模拟和预测研究区滨海含水层中海水入侵的动态和未来趋势,结果发现现有各种条件不变情况下未来海水入侵状况将进一步恶化,必须对当地地下水开采井进行优化管理以控制海水入侵的态势。(2)确立了适用于变密度地下水优化管理常见问题的一般目标函数形式,并建立通用变密度地下水优化管理模型。(3)将作了改进的遗传算法(对于已经评价过的相同个体不进行重复的个体适应度评价)与基于过渡带理论的变密度地下水模拟工具SEAWAT2000耦合,开发完成了第一个通用变密度地下水模拟优化模型SWTGA。(4)利用并行编程工具MPI开发了并行SWTGA程序,实现通用变密度地下水模拟优化模型SWTGA的并行计算,成倍提高了SWTGA模型的运算效率。(5)运用并行SWTGA程序对研究区滨海含水层地下水开采方案进行优化,获得了控制海水入侵范围前提下的地下淡水最佳开采方案和最大开采量,为当地地下水开采管理提供科学依据和决策支持。这些成果的取得不仅为认识研究区滨海含水层海水入侵的规律和制定合理的地下水开采管理策略提供了科学合理的实用模型,同时也为解决变密度地下水优化管理常见问题提供了高效可靠的模拟优化工具。

目录

中文摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 论文选题依据

1.2 研究现状

1.2.1 SEAWAT的研究和应用现状

1.2.2 定密度地下水模拟优化研究现状

1.2.3 变密度地下水模拟优化研究现状

1.3 研究目标、内容、方法及创新点

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究思路和方法

1.3.4 主要创新点

第二章 海水入侵模型的建立

2.1 研究区概况

2.1.1 气候

2.1.2 地层

2.1.3 水文地质

2.1.4 海水入侵的原因和范围

2.2 SEAWAT软件

2.2.1 设计原理

2.2.2 变密度地下水流运动及溶质运移数值描述

2.2.3 程序结构

2.3 海水入侵模型的建立

2.3.1 数值模型

2.3.2 网格剖分和时间离散

2.3.3 水文地质参数

2.3.4 边界条件及源汇项

2.3.5 初始条件

2.4 模型校正和海水入侵的预测

2.4.1 模型校正

2.4.2 海水入侵的模拟和预测

第三章 变密度地下水模拟优化模型

3.1 通用变密度地下水优化管理模型

3.2 遗传算法的原理

3.2.1 遗传算法的一般流程

3.2.2 遗传算法的基本步骤

3.3 耦合方法和模型开发

3.3.1 耦合方法

3.3.2 一般个体适应度函数形式

3.3.3 模拟评价模块的开发

3.3.4 遗传算法的改进及优化模块的开发

3.4 模型的输入输出

3.4.1 SWTGA的输入文件

3.4.2 SWTGA的输出文件

3.5 算例研究

第四章 并行技术的引进和实现

4.1 MPI的原理

4.1.1 MPI的本质

4.1.2 MPI的目的和产生

4.1.3 MPI的六个基本调用

4.1.4 主要的MPI实现

4.2 并行遗传算法

4.2.1 遗传算法的并行性

4.2.2 并行遗传算法的实现方法

4.3 并行SWTGA程序的设计和实现

4.3.1 并行 SWTGA程序的设计

4.3.2 并行 SWTGA程序的运行

第五章 地下水开采优化管理

5.1 井流量减半预测

5.2 优化问题、目标函数及优化设置

5.3 优化结果和最佳开采方案

结论

致谢

参考文献

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