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《吉林大学》 2013年
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吉林西部浅层地下水系统对旱改水工程的响应研究

陈社明  
【摘要】:水是一切生物赖以生存的基本条件和人类生活生产的重要资源。地下水作为陆地上最为重要的淡水形式之一,是水循环的主要参与者和水资源的重要组成部分。在人口日益增加、工农业生产规模日渐扩大的今天,高强度的人类活动已经对水循环和水资源产生了重要的影响。 吉林西部位于松嫩平原的西南部,在气候上属于典型的干旱半干旱地区,多年平均降雨量仅为400-500mm,且分配不均,生态环境十分脆弱。区内工农业生产多以地下水作为供水水源,大量的地下水开采导致部分地区地水位呈现持续下降趋势。此外,由于工业和生活污水的排放以及农药和化肥的过量使用,地下水水质出现恶化。吉林省为增产百亿斤商品粮,规划在吉林西部实施旱改水工程,通过引地表水(嫩江、第二松花江)将部分旱田、荒地改造为水田(包括旱田改水浇地)。大量地表水的引入、土地利用类型的改变和化肥农药使用量的增加,势必导致地下水补、径、排条件的变化,区域地下水污染程度的变化以及生态环境的改变。因此,开展吉林西部浅层地下水系统对旱改水工程的响应研究十分必要。 本文以吉林省科技发展计划项目《吉林省西部旱改水工程对次生盐碱化的影响及其控治技术》(20080456)为依托,在对吉林西部旱改水工程调查分析的基础上,应用地下水模拟仿真技术,通过模型的识别和验证,建立了吉林西部平原区地下水流和水质的数值模拟模型。应用小波神经网络方法对研究区未来的降水量进行了预报。在此基础上,运用所建立的地下水水流和水质数值模拟模型,预测了未来10年两种情景方案下(旱改水工程实施和旱改水工程不实施)地下水水位和水质的响应变化。结合地理信息系统Arcgis空间分析功能的运用,分析了旱改水工程实施对研究区浅层地下水系统水流和水质的影响。为了解掌握旱改水工程实施后的环境和生态效应提供科技支撑。然后,采用LH-OAT全局敏感度分析方法,通过数值模拟模型分析了地下水位和溶质浓度对某些参数(包括渗透系数、给水度、降水入渗系数和纵向弥散度)变化的敏感程度。为今后的观测、试验和调查工作提供指导。 通过以上内容的系统研究,得到以下主要成果: (1)在资料收集和现场调查的基础上,分析了吉林西部旱改水工程的工程概况、引排水量。并根据盐量均衡原理,对旱改水工程中引嫩入白工程、哈达山引水工程和大安灌区新建工程灌区储盐量和主要离子含量的变化量进行了计算。 分析结果表明:吉林西部旱改水工程引水总量为31.696亿m~3,其中农业灌溉引水总量为22.785亿m~3。灌溉退水总量为8.105亿m~3。旱改水工程规划农田灌溉面积416.32万亩,其中水田296.82万亩,水浇地119.5万亩。三个引水工程灌区年累计储盐量的变化量均为负值,说明从全年来看,灌区处于脱盐状态。其中,哈达山引水工程年累计储盐量的变化量最大,为-730.01kg/hm~2;大安灌区次之为-674.78kg/hm~2;引嫩入白工程最小为-482.84kg/hm~2。灌区内主要离子含量的变化量表现不完全相同,Na+和HCO3在三个灌区处于脱盐状态,Cl在三个灌区均处于积盐状态。 (2)应用地下水数值模拟方法,在详细分析研究区地质和水文地质条件的基础上,对研究区潜水含水层的分布特征、边界条件、初始条件及源汇项进行概化,建立了地下水流系统的概念模型和数学模拟模型。并利用63口潜水观测井的实测资料对模型进行了识别与验证。 识别时段计算水位与观测水位的平均残差值为0.405m,绝对平均残差为1.064m。验证时段计算水位与观测水位的平均残差值为-0.018m,绝对平均残差为0.649m。两个时段拟合误差小于0.5m的观测井占总观测井的比例均达到85%以上,识别验证结果满足精度要求,所建立的地下水流模型切合实际。 (3)应用小波神经网络方法,通过建立降水量预测模型,对吉林省西部未来10年的降水量进行了预报。 (4)基于识别验证后的地下水水流模拟模型,预测了在旱改水工程实施和旱改水工程不实施两种情景方案下,研究区未来10年的地下水位的动态变化特征。 模拟结果表明:在方案一不实施旱改水工程的情景方案下,研究区未来5年地下水流场与初始流场大致吻合,局部地区水位出现小幅下降,下降幅度一般小于0.8m。其中,前郭县的东南部和长岭县的东部高台地区域水位下降幅度相对较大,达到1.2m。未来10年地下水流场与初始流场相比变化也不大,仍有部分区域地下水位小幅下降,下降幅度一般小于1.5m。其中,前郭县的东南部和长岭县的东部高台地区域水位下降幅度达到2.2m。在方案二实施旱改水工程的情景方案下,未来5年地下水流场与初始流场相比,整体变化不明显,但局部旱改水工程影响区域水位出现一定幅度的上升。未来10年旱改水工程影响区域的水位上升幅度增大,最大上升幅度为1.63m。 (5)在上述两种情景方案预报结果的基础上,利用地理信息系统Arcgis的空间分析功能对实施旱改水工程和不实施旱改水工程两种情景方案下,未来十年10年地下水位的变化情况进行对比,分析了旱改水工程对浅层地下水位的影响状况。 对比结果表明:在旱改水工程影响下,灌区内部由于灌溉水的渗漏(包括渠道渗漏和田间渗漏),地下水位上升明显,升高幅度大部分超过1.0m,尤其是大安灌区及五家子灌区,最大升高幅度超过1.5m。而在灌区周边地下水位也有不同程度的升高,距灌区边界越近,水位上升越明显。根据两者对比后的结果表明,在旱改水工程的影响下,地下水位上升幅度超过1m的面积为2158.11km~2,其中,灌区内1125.16km~2,灌区外1032.95km~2。针对旱改水工程建成后引起的地下水位升高状况,需要重点加强对次生盐碱化的防治。特别是灌区外1032.95km~2区域发生次生盐碱化的风险最高,建议在该区域增加地下水的开采,从而控制地下水位的上升,防止次生盐碱化的发生。 (6)在地下水流模拟模型的基础上,建立了研究区水质数值模拟模型,以地下水中的总氮(包括NH+4N、NO+3N和NO+2N)作为模拟因子,运用实测资料对模型进行识别。识别结果表明,模型中源汇项的确定、边界条件的概化以及相关参数的选取切合实际,识别结果满足精度要求,可以用该模型对地下水中的水质变化状况进行预测。 (7)基于识别后的地下水质数值模拟模型,预测了在旱改水工程实施和旱改水工程不实施两种方案下,研究区未来10年浅层地下水系统中总氮的变化状况。 模拟预报结果表明,在方案一不考虑旱改水工程影响的情况下,未来10年研究区内浅层地下水中总氮浓度相比于初始浓度有不同程度的升高。乾安县和大安县交界处污染最为严重,总氮的最高浓度可达80mg/L。其次是通榆县和大安市县城所在地附近,污染也较为严重。在方案二考虑旱改水工程影响的情况下,地下水中总氮浓度相比于初始浓度的升高幅度更为明显。乾安县和大安县交界处,仍为整个研究区内污染最为严重区域,其超标面积也明显扩大。 (8)在上述两种方案模拟预报结果的基础上,仍利用Arcgis的空间分析功能,对比分析了两种情景方案下(旱改水工程实施和旱改水工程不实施)地下中总氮浓度的变化状况,分析了旱改水工程对研究区浅层地下水系统水质所造成的影响。 对比结果表明:旱改水工程实施运行后,灌区附近地下水中总氮的浓度上升明显。新建的大安灌区和五家子灌区地下水中总氮的浓度变化最为显著,最大升高值达到15mg/L;其次是扶余和松原灌区,升高幅度为9mg/L。洮儿河灌区升高幅度最小,为3mg/L。其他地区的浓度无明显变化。建议在灌区运行之后,尽量减少化肥的淋失量,提高化肥的利用率,从而减轻对地下水的污染。 (9)为考察地下水数值模拟模型中参数的不确定性,利用LH-OAT全局敏感度分析法,对模型中渗透系数、给水度、降水入渗系数、纵向弥散度四个参数的敏感性进行了分析,计算了模型输出结果(地下水位和溶质浓度)对上述四个参数的敏感程度。 计算结果表明:在研究区内13个参数分区中,2、6、7、8、9分区的地下水位对四个参数的敏感程度排序为:降水入渗系数(α)渗透系数(K)给水度(μ)纵向弥散度(DL);1、3、4、5、10、11、12、13分区的地下水位对四个参数的敏感程度排序为:降水入渗系数(α)给水度(μ)渗透系数(K)纵向弥散度(DL)。在对地下水溶质浓度的影响程度方面,各个参数表现不同。纵向弥散度的敏感度在各个参数分区内普遍较大,仅在2、9、10参数分区中,降水入渗系数比纵向弥散度的敏感度大。给水度和渗透系数在各个分区内的敏感度比较相近,但在不同的参数分区内,两者的敏感度大小排序不同。敏感度分析结果表明,在对研究区浅层地下水系统进行数学模拟时,降水入渗系数对模拟计算结果影响较大,因此应注重提高降水入渗系数值的准确性,从而使数值模拟模型的预测结果更接近于实际。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:P641

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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 李月芬;吉林西部草原生态环境评价及其专家系统研究[D];吉林大学;2004年
2 王娟;RS-GIS-EIS技术支持下的吉林西部生态环境集成研究[D];吉林大学;2004年
3 韩维峥;吉林西部草地退化恢复与碳收支的耦合研究[D];吉林大学;2011年
4 赵凤琴;吉林西部土地生态环境安全研究[D];吉林大学;2005年
5 卢远;吉林西部土地利用/土地覆盖变化及其生态效应[D];吉林大学;2005年
6 孙平安;吉林西部农业生态环境数字信息系统研究[D];吉林大学;2006年
7 汪雪格;吉林西部生态景观格局变化与空间优化研究[D];吉林大学;2008年
8 臧立娟;吉林西部土地利用结构优化配置研究[D];吉林大学;2010年
9 徐小明;吉林西部水田土壤碳库时空模拟及水稻生产的碳足迹研究[D];吉林大学;2011年
10 杨国东;应用遥感和三维图像研究查证吉林省西部地表水系变迁及其对生态环境的影响[D];吉林大学;2004年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 麻素挺;吉林西部生态环境需水量与水资源承载力研究[D];吉林大学;2004年
2 刘玉英;吉林西部晚全新世环境演化[D];吉林大学;2004年
3 杨婧;吉林西部中学生物课堂教学中探究性学习状况分析及对策[D];东北师范大学;2009年
4 杜会石;半干旱区土地利用/覆被变化及生态系统服务价值研究[D];东北师范大学;2008年
5 王晓丹;生态脆弱地区城市化模式与对策研究[D];东北师范大学;2008年
6 张力春;吉林省西部水资源可持续利用的优化配置研究[D];吉林大学;2006年
7 张维江;吉林省西部地区旅游资源的评价与开发[D];东北师范大学;2006年
8 辛欣;吉林西部地下水的模拟预报及管理模型探讨[D];吉林大学;2008年
9 秦雅飞;吉林西部地下水模拟预报及生态效应探讨[D];吉林大学;2008年
10 隋明利;论吉林西部地区农村贫困人口的成因及解困脱贫途径[D];吉林大学;2008年
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