三江平原地下水数值模拟及仿真问题研究 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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• 水动力学

出版社： 中国农业出版社

ISBN：9787109156296

版次：1

商品编码：10813247

包装：平装

开本：32开

出版时间：2011-05-01

页数：187

正文语种：中文

编辑推荐

《三江平原地下：水数值模拟及仿真问题研究》是在作者吴昌友博士论文基础上经过进一步修改而成的，书中主要以三江平原挠力河流域作为研究对象，对三江平原挠力河流域的地下水系统进行了系统分析，建立了三江平原挠力河流域地下水分布式模型，在模型识别的基础上，设计了三个地下水开采方案。在不同开采方案条件下，分别采用地下水分布式模型进行模拟预报，并对这三个方案模拟预报的结果进行分析与评价。 本书适合从事相关研究工作的人员参考阅读。

内容简介

三江平原位于黑龙江省东北部，西邻小兴安岭，北靠黑龙江，东依乌苏里江，土地总面积10．88万km2，是松花江、黑龙江和乌苏里江不断迁徙和泛滥所形成的冲积平原，其土地平坦，面积广阔，土质肥沃，属于世界三大黑土带之一。该区耕地集中连片，人均耕地面积达1hm2以上。三江平原气候温和，雨量适中，适于多种农作物栽培，尤其适于水稻和大豆生产，是国家重要商品粮生产基地。随着三江平原区域社会、经济的迅速发展，国民经济各部门、各行业对水利保障要求越来越高，对水资源的需求量越来越大，对水环境的保护要求越来越迫切。由于多年水利发展的滞后和水利工程建设的薄弱，本区水利安全保障能力低，水资源利用缺乏统一规划，水资源供需矛盾突出，导致水环境恶化，生态环境质量降低，平原区内地下水水位急剧下降，出现地面沉降等现象，所以对三江平原地下水系统进行研究具有重要的现实意义。由于三江平原部分地区观测井和水文地质资料缺乏，《三江平原地下水：数值模拟及仿真问题研究》（作者吴昌友）主要以三江平原挠力河流域作为研究对象，对三江平原挠力河流域的地下水系统进行了系统分析，建立了三江平原挠力河流域地下水分布式模型，在模型识别的基础上，设计了三个地下水开采方案。在不同开采方案条件下，分别采用地下水分布式模型进行模拟预报，并对这三个方案模拟预报的结果进行分析与评价。研究取得的主要成果有： （1）对三江平原挠力河流域的地质条件、水文地质条件、气象条件和地下水分布特征进行了系统地分析，建立了三江平原挠力河流域水文地质概念模型，为地下水数学模型的建立奠定了基础。
（2）建立了三江平原挠力河流域地下水三维数学模型，并采用国际通用的地下水数值模拟软件MODFLOW，对挠力河流域地下水进行模拟仿真，通过模型的识别和检验，证明所建立的数学模型、边界条件和水文地质参数的确定符合实际情况。
（3）《三江平原地下水：数值模拟及仿真问题研究》对标准BP神经网络的基本原理进行系统分析，指出标准BP神经网络的不足，并对其进行改进，提出了改进的BP神经网络模型。将改进的BP神经网络模型应用到降水量和蒸发量和第一类边界条件的预测中，建立了降水量、蒸发量和第一类边界条件的神经网络时间序列模型。对2008—2020年降水量、蒸发量和第一类边界条件进行预测，预测中得到的年平均降水量为499．1mm，接近于近30年平均值 486．3mm；预测中得到的年平均蒸发量为717．9mm，接近于近20年平均值 713．8mm。
（4）利用改进BP神经网络时间序列预测模型对地下水动态变化的不确定因素（指降水量、蒸发量和第一类边界条件）进行预测，将这些不确定的因素作为随机时间序列耦合到挠力河流域的地下水确定性模型中，进而建立了三江平原挠力河流域地下水确定性一随机耦合模型。
（5）本书将Elman神经网络模型和小波分析理论进行耦合，建立了Elman 小波神经网络模型，并首次将Elman小波神经网络模型应用到挠力河流与地下水开采量的预测中，建立了地下水开采量的Elman小波神经网路模型，对 2008 2020年地下水开采量进行预报，取得了较好的效果。
（6）本书对未来地下水开采量设计了3个开采方案，其中以2005年的地下水开采量作为一个开采方案，以黑龙江省水利综合规划中的开采量作为第二开采方案，以Elman小波神经网络模型预测的地下水开采量作为第三方案。采用建立的确定性一随机耦合模型分别对不同方案条件下2007 2020年挠力河流域地下水进行模拟，模拟结果表明，第三开采方案地下水位降深大，其次是一开采方案，第二开采方案降深较小。如果按着第二开采方案对三江平原挠力河流域地下水进行开采，有利于解决地下水水位下降、地面下沉和水环境恶化等现象，有利于三江平原水资源可持续开发和利用。

目录

摘要
1 引言
1．1 研究的目的和意义
1．2 国内外研究动态
1．2．1 三江平原地下水的研究现状
1．2．2 地下水系统数值模拟国内外研究动态
1．2．3 地下水系统参数识别国内外研究动态
1．3 研究的主要内容、方法和技术路线
1．3．1 研究的主要内容
1．3．2 研究的方法和技术路线

2 挠力河流域的基本概况
2．1 自然地理概况
2．1．1 地理位置
2．1．2 气象条件
2．1．3 水文条件
2．2 区域地质概括
2．2．1 地形地貌
2．2．2 地层岩性
2．2．3 水文地质条件
2．3 社会经济状况
2．4 水资源开发利用状况及存在问题
2．4．1 供水工程状况
2．4．2 水资源利用状况
2．4．3 地下水开发利用中存在的问题

3 挠力河流域地下水系统分析
3．1 地下水系统概述
3．1． 地下水系统的基本概念
3．1．2 挠力河流域地下水系统概述
3．2 含水层系统分析
3．2．1 第四系孔隙含水层亚系统
3．2．2 第三系孔隙裂隙含水层亚系统
3．2．3 前第四系基岩裂隙含水层亚系统
3．3 地下水系统流动分析
3．3．1 浅层地下水循环系统
3．3．2 深层地下水循环系统
3．4 地下水系统化学特征
3．4．1 第四系松散岩类孔隙水水化学系统
3．4．2 第三系碎屑岩裂隙孔隙水水化学系统
3．4．3 前第四系基岩裂隙水水化学系统
3．5 地下水系统动态分析
3．5．1 地下水动态类型
3．5．2 地下水位动态影响分析

4 挠力河流域地下水参数及水均衡分析
4．1 挠力河流域均衡区和均衡时段的划分
4．1．1 均衡区和均衡时段划分
4．1．2 水量均衡方程
4．2 水文地质参数
4．2．1 渗透系数
4．2．2 给水度和弹性释水系数
4．2．3 潜水蒸发强度
4．2．4 降水入渗补给系数
4．2．5 灌溉回归人渗系数
4．3 流域年地下水资源量分析
4．3．1 流域地下水补给量
4．3．2 流域地下水排泄量
4．4 流域地下水资源总量估算
4．4．1 现状基准年(2005年)
4．4．2 多年平均地下水资源量

5 挠力河流域地下水数值模拟
5．1 模型的研究范围
5．2 含水层的概化
5．2．1 含水层结构的概化
5．2．2 含水层水力特征的概化
5．2．3 边界条件概化
5．3 地下水流数学模型的建立及求解
5．3．1 地下水流数学模型的建立
5．3．2 地下水流数学模型的求解
5．3．3 空间离散
5．3．4 时间的离散
5．3．5 水文地质参数分区和初值的确定
5．3．6 源汇项的处理
5．3．7 边界条件的处理
5．3．8 地下水的初始水位
5．4 地下水流模型的识别和检验
5．4．1 地下水流模型的识别
5．4．2 地下水流模型的检验
5．5 水量均衡分析

6 神经网络时间序列预测模型
6．1 BP神经网络模型
6．1．1 BP神经网络的结构
6．1．2 BP神经网络的学习算法
6．2 BP神经网络的改进
6．2．1 BP神经网络的改进措施简介
6．2．2 BP神经网络改进的思路
6．2．3 改进的BP神经网络步骤
6．3 改进BP神经网络时间序列预测模型
6．4 大气降水量的神经网络时间序列预测模型
6．4．1 挠力河流域降水量特征分析
6．4．2 模型的建立
6．4．3 模型的检验
6．4．4 预测2008—2020年降水量
6．5 蒸发量的神经网络时间序列预测模型
6．5．1 挠力河流域蒸发量特征分析
6．5．2 模型的建立
6．5．3 模型的检验
6．5．4 预测2008—2020年蒸发量
6．6 第一类边界水位的神经网络时间序列预测模型
6．6．1 模型的建立
6．6．2 模型的检验
6．6．3 第一类边界水位的长期预测

7 地下水动态预测的确定性一随机耦合模型研究
7．1 确定性一随机耦合模型
7．1．1 确定性模型的离散
7．1．2 耦合模型的构成
7．1．3 耦合模型的求解方法
7．2 地下水开采量的预报模型
7．2．1 Elman小波神经网络模型
7．2．2 基于Elman小波神经网络的地下水开采量预测
7．2．3 2020年挠力河流域地下水开采量的预测
7．3 地下水开采方案的设计
7．4 2020年地下水位动态预测
7．4．1 汇源项的离散
7．4．2 地下水位预测及结果分析
8 结论
参考文献
后记

前言/序言

区域水文地质系统演化与可持续管理：基于多尺度过程的集成研究 书籍简介 本书聚焦于复杂区域水文地质系统的动态演化规律、关键过程的量化模拟，以及在此基础上构建面向可持续利用与风险管控的集成管理框架。内容涵盖了从宏观地质构造控制到微观孔隙尺度水流、溶质运移机理的深入探讨，旨在为区域水资源规划、地下水污染防治和生态系统健康维护提供坚实的理论基础与精细化的技术支撑。 本书的理论深度和实践广度体现在对水文地质过程进行多尺度、多介质、多因素耦合分析的综合性研究上。全书结构围绕“认识-模拟-决策”的逻辑链条展开，系统性地阐述了如何将遥感、地球物理勘探、现场监测数据与先进的数值计算方法相结合，以揭示区域地下水系统的真实响应机制。 第一部分：区域水文地质系统的结构与控制因素分析 本部分奠定了研究的基础，着重于剖析形成特定水文地质环境的内在与外在控制因素。 1. 区域构造地质背景与水文地质单元划分： 深入分析研究区域内新近纪以来的构造活动对第四系及深部含水层的形成、断裂带的分布和渗透性差异的控制作用。通过高精度地质调查与地球物理反演结果，精确识别关键的隔水层与富水层序列，并基于水力传导系数的等效性原则，科学划分出具有独立水文地质响应特征的单元。这部分强调了地质历史背景对现代地下水系统潜能与约束条件的决定性影响。 2. 沉积相控水力特性演变： 针对沉积盆地或冲积平原等典型地貌单元，详细考察不同沉积相（如河流相、湖泊相、冰水沉积相）如何决定岩土体的孔隙结构、胶结程度和水力梯度。运用薄片分析、X射线衍射（XRD）和压汞实验（MIP）数据，量化不同岩性组合下的有效孔隙度、非均质性指数和各向异性渗透率张量，为后续的水流模型参数化提供精细的输入数据。 3. 土壤-地表水-地下水相互作用界面： 重点解析包气带过程（Vadose Zone Dynamics）对补给过程的调控。研究降雨入渗速率、蒸散过程对地下水位的旬/月尺度波动的影响。通过建立土壤水势（Soil Water Potential）与地下水势（Piezometric Head）的耦合模型，量化地表水体（河流、湖泊）的侧向渗漏或渗出对区域地下水补给源的贡献比例，尤其关注季节性干旱或洪水事件下的界面响应敏感性。 第二部分：多过程耦合的地下水动力学数值模拟 本部分侧重于构建和应用先进的数值模型，以模拟区域地下水系统的动态行为。 1. 基于有限元/有限体积法的流场求解： 选择合适的数值求解器，处理复杂边界条件和高度非均质介质中的三维瞬态地下水流动方程。重点讨论如何处理大型断裂带、溶洞系统等高渗透性结构对整体水力梯度场的扭曲效应。模拟工作不仅关注稳态水位的空间分布，更强调在不同开采情景下（如大规模抽水或大规模回灌）的非稳态响应过程。 2. 溶质迁移与多介质运移： 将流场模拟结果与溶质迁移模型（Advection-Dispersion Equation, ADE）相结合。详细分析对流（Advection）、弥散（Dispersion）和吸附（Sorption）这三种主要迁移机制在不同地层中的相对重要性。特别针对有机污染物或天然放射性核素（如氡气）的迁移，研究其与孔隙水化学环境（pH、氧化还原电位）的反馈机制，预测其在含水层中的迁移速率和扩散范围。 3. 热量传输与地下水-地表系统耦合： 引入热量输运方程，模拟地下水流动导致的区域热量重新分配过程。这在评估地热资源潜力或分析地表温度异常对浅层地下水化学演变影响时至关重要。讨论了水-热-力（Thermo-Hydro-Mechanical, THM）耦合在处理特定工程地质问题（如深层固废处置）中的必要性与建模挑战。 第三部分：数据同化、模型校正与不确定性分析 模型构建的有效性依赖于精确的参数估计和对模型预测可靠性的评估。 1. 区域水文参数的识别与同化技术： 阐述如何利用卡尔曼滤波（Kalman Filtering）或邻近反演（Pilot Point Method）等数据同化技术，将历史观测数据（水位、水化学指标）融入到模型校正流程中。讨论如何通过优化目标函数来迭代调整关键参数，如渗透系数的水平和垂直比值（Kh/Kv）以及储水系数。 2. 模型结构与参数不确定性评估： 系统性地引入蒙特卡洛模拟（Monte Carlo Simulation）和贝叶斯方法，评估由于初始条件、边界条件设定误差和参数空间分布不确定性带来的预测结果波动范围。通过敏感性分析（Sensitivity Analysis），识别对模型输出影响最大的关键输入变量，指导未来的监测网络设计。 第四部分：面向区域水资源的可持续管理与风险应对 本部分旨在将前面建立的科学认知和模拟工具转化为实际的决策支持系统。 1. 区域地下水资源承载力评估： 基于多情景模拟，构建地下水系统的“极限开采量”模型。评估在不同气候变化情景下（如降水减少或极端事件增加），现有开采强度对生态基流（Ecological Baseflow）和地面沉降（Land Subsidence）的临界影响阈值。提出基于水资源可持续利用的区域最优开采方案。 2. 污染源识别与修复策略优化： 针对已发生的地下水污染羽流，利用后向模型（Backward Modeling）对污染源的初始位置、注入强度进行溯源分析。对比抽取-处理-回灌（Pump-and-Treat）与原位化学氧化/还原（In-Situ Remediation）等不同修复技术在特定地质条件下的效率和经济性，为制定高效、低影响的修复路径提供量化依据。 3. 气候变化与水文风险预警集成框架： 构建一套集成气候模型预测输出（降水、气温）到区域水文响应（地下水补给、水位下降速度）的快速响应预警系统。该系统能够对突发性环境事件（如长时间干旱或突发性污染事件）提供基于概率的短期和中期风险评估报告，辅助政府和管理部门及时采取减灾措施。 本书内容严谨，技术先进，旨在为水文地质学家、环境工程师、城市规划者以及水资源管理决策者提供一本全面、深入且具有高度实践指导意义的参考专著。它强调将理论研究与工程实践紧密结合，以解决当代复杂水文地质问题所面临的重大挑战。

评分☆☆☆☆☆

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评分☆☆☆☆☆

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评分☆☆☆☆☆

我尝试着快速浏览了一下全书的目录结构，发现其逻辑构建可谓是层层递进，犹如攀登一座知识的高山。章节之间的过渡处理得极为平滑自然，没有那种生硬的、为了凑页数而硬拉扯的感觉。从基础理论的铺陈，到复杂模型的建立，再到最终的案例分析与结果讨论，每一步都像是精心规划的路线图，指引着读者由浅入深地探索研究领域的深水区。尤其值得称赞的是，作者似乎非常擅长将宏大的研究体系拆解成易于理解的模块，使得即便是初次接触该细分领域的读者，也能大致把握整体的研究脉络和核心关注点。这种结构上的清晰度，极大地降低了理解复杂科学文献的门槛，体现了作者深厚的学术功力和对知识传授的独到见解。这种严谨而富有条理的组织方式，让人在面对海量信息时，心中反而感到一种安定和掌控感。

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书中大量的图表和插图占据了相当大的篇幅，它们并非是简单地罗列数据，而是经过精心设计和优化的视觉辅助工具。我注意到许多流程图和示意图都采用了统一的配色方案和符号系统，一旦你理解了初始的几个图例，后续的理解成本就会呈指数级下降。数据可视化的质量非常高，曲线图的刻度和轴线标注清晰可辨，即便是打印成黑白稿件，其信息的有效性也丝毫未减。这表明作者和制图人员在可视化呈现上下了极大的功夫，深知“一图胜千言”的道理，特别是对于涉及空间分布和时间序列变化的复杂现象，这些图表起到了不可替代的解析作用。它们是连接抽象数学模型和实际物理过程的桥梁，让抽象的概念瞬间变得具象化和可触摸。