CN114239904A - 一种地下水管理方法及装置 - Google Patents

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梁文涛
焦瑞
刘华琳
韩振华
纪刚
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Abstract

本发明提供一种地下水管理方法及装置，地下水管理方法包括：建立三维地下水模型，对三维地下水模型进行三维网格剖分，根据研究区域内的水文数据，在三维网格上建立地下水流数值模型，地下水流数值模型用于描述研究区域内地下水位与地下水开采量以及自然气候条件的关系；根据地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量；根据目标开采量确定研究区域的水源调度方案。利用地下水流数值模型能够精确地模拟地下水水位，并且以地下水开采量最大化为目标进行开采量的优化，同时采取水位约束条件，从而为研究区域内的地下水开采提供有效的管理。

Description

一种地下水管理方法及装置
本申请是名为《一种地下水管理方法及装置》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2019年04月23日，申请号为201910333041.5。
技术领域
本发明涉及地下水管理技术领域，特别是涉及一种地下水管理方法及装置。
背景技术
地下水是主要的供水水源，随着各地区用水量增加，且由于地下水资源有限，如果对地下水进行过量开采将会引发水资源枯竭、地面沉降等一系列环境地质问题，目前缺乏有效的对地下水的管理，来实现对地下水的合理开采。
发明内容
本发明的目的是提供一种地下水管理方法及装置，利用地下水流数值模型能够精确地进行地下水水位的模拟，并且以地下水生态水位为约束条件，以地下水开采量最大化为目标进行地下水开采量的优化，从而为开采井的地下水开采提供有效的管理。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种地下水管理方法，所述地下水管理方法包括：
采用克里金插值法计算研究区域的地表高程、潜水含水层和承压含水层的顶板高程及底板高程，并根据各开采井的井位信息，建立三维地下水模型；
对所述三维地下水模型进行三维网格剖分，得到对应的三维网格；
获取研究区域内的水文数据；所述水文数据包括气象水文数据、水文地质参数和地下水开采量；
根据所述水文数据，在所述三维网格上建立地下水流数值模型；所述地下水流数值模型用于描述所述研究区域内地下水位与地下水开采量以及自然气候条件的关系；
根据所述地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量，其中，所述最低生态水位表示由于蒸发引起的水位变动为零时对应的地下水水位；
根据所述目标开采量确定研究区域的水源调度方案；
所述水源调度方案包括：
若所述目标开采量满足研究区域内的用水需求，则根据所述目标开采量对每一开采井进行开采；
若所述目标开采量不能满足研究区域内的用水需求，则采用水源置换方式对所述研究区域内地下水位低于最低生态水位的控制点周边范围内的开采井进行补水。
可选地，所述对所述三维地下水模型进行三维网格剖分，具体包括：
对所述研究区域内的水平二维剖面按照设定网格大小进行矩形网格剖分；
对所述研究区域内的垂直含水层剖面按照含水层顶板高程和底板高程进行剖分。
可选地，所述地下水流数值模型为：
Figure BDA0003326758420000021
其中，D为研究区域，H为控制点的地下水位，(x,y)为开采井或控制点位置，t为时间，E为贮水性参数，T为导水系数，q为开采井的地下水开采量，Ev为蒸发排泄，P为降水补给，H0(x,y)为控制点的初始水位，Γ1为研究区域的第一类边界，Γ2为研究区域的第二类边界，q(x,y,t)为通过所述第二类边界的水流量，q、Ev、P、H0(x,y)、Γ1以及Γ2通过所述水文数据确定，E以及T通过所述水文数据确定初始值并经模型参数调优后确定。
可选地，所述地下水流数值模型包括人工流场模型和天然流场模型，所述地下水流数值模型输出的地下水位为所述人工流场模型计算获得的第一地下水位与所述天然流场模型计算获得的第二地下水位叠加得到的；
所述人工流场模型为：
Figure BDA0003326758420000031
所述天然流场模型为：
Figure BDA0003326758420000032
其中，Hp为所述人工流场模型计算获得的第一地下水位，Hn为所述天然流场模型计算获得的第二地下水位。
地下水流数值模型是一个较为复杂的非齐次数学模型，不便于叠加计算，因此，为了使用叠加原理简化地下水资源管理模型计算，可以将该地下水流数值模型分解为天然流场模型和人工流场模型两部分，两个模型叠加后即可获得地下水流数值模型，而分解后的人工流场模型的方程属于齐次方程，更加容易叠加计算，因此简化了计算过程。
可选地，所述第一地下水位Hp是由于人工抽水开采引起的水位变化；
采用响应矩阵法，通过公式
Figure BDA0003326758420000033
计算人工流场模型中的水位变化，其中，n＝1,2,3,…,N，N为开采井数目，αn(x,y)为第n个开采井在单位时间单位开采量下引起的控制点的地下水位降深，Qn为第n个开采井在单位时间内的地下水开采量，Tn为第n个开采井的开采总时间。
可选地，所述研究区域的地下水分布于至少一个含水层，所述开采井用于开采其中一个含水层中的地下水，所述地下水流数值模型是根据被开采的含水层的水文数据建立的。
可选地，所述优化目标通过函数
Figure BDA0003326758420000041
表征，所述约束条件为H≥Hlow，其中，N为开采井数目，Qn为第n个开采井在单位时间内的地下水开采量，Tn为第n个开采井的开采总时间，Hlow为最低生态水位。
可选地，所述根据所述地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量，具体包括：
获取所述地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位；
根据各控制点的地下水位调整每一开采井的地下水开采量：
若存在控制点的地下水位低于最低生态水位，则减小位于所述控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，以及增大位于地下水位高于最低生态水位的控制点的周边范围内开采井的地下水开采量，增大的地下水开采量不低于减小的地下水开采量；
将新的地下水开采量输入至所述地下水流数值模型；
跳转至“获取所述地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位”的步骤迭代执行，直至所有控制点的地下水位均不低于所述最低生态水位时结束迭代，确定迭代结束时每一开采井对应的地下水开采量，将所述地下水开采量作为每一开采井的目标开采量。
可选地，所述地下水管理方法还包括：
选取控制点在多个时间段的地下水观测数据，计算选取的时间段内所述地下水观测数据中地下水埋深的最大值与最小值的差值，以及平均地下水埋深；
对由每一个选取的时间段内的所述差值与平均蒸发强度的比值，以及所述平均地下水埋深所组成的多个离散点进行线性拟合，并获得拟合直线；
确定所述拟合直线在所述比值为零时对应的平均地下水埋深，并将对应的平均地下水埋深确定为最低生态水位Hlow。
为了实现上述目的，本发明还提供了如下方案：
一种地下水管理装置，所述地下水管理装置包括：
模型获取模块，用于获取由研究区域内的水文数据建立的地下水流数值模型，所述地下水流数值模型用于描述所述研究区域内地下水位与地下水开采量以及自然气候条件的关系；
优化模块，用于根据所述地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量，其中，所述最低生态水位表示由于蒸发引起的水位变动为零时对应的地下水水位。
上述装置有效地解决了地下水资源开采的管理问题，能够在控制点的地下水位满足约束条件时得到每一开采井的地下水目标开采方案，可以为地下水可持续开发利用提供依据。
可选地，所述地下水管理装置还包括：模型建立模块，用于获取研究区域内的水文数据；以及根据所述水文数据建立如下所示的地下水流数值模型：
Figure BDA0003326758420000051
其中，D为研究区域，H为控制点的地下水位，(x,y)为开采井或控制点位置，t为时间，E为贮水性参数，T为导水系数，q为开采井的地下水开采量，Ev为蒸发排泄，P为降水补给，H0(x,y)为控制点的初始水位，Γ1为研究区域的第一类边界，Γ2为研究区域的第二类边界，q(x,y,t)为通过所述第二类边界的水流量，q、Ev、P、H0(x,y)、Γ1以及Γ2通过所述水文数据确定，E以及T通过所述水文数据确定初始值并经模型参数调优后确定。
可选地，所述优化模块具体用于：获取所述地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位；若存在控制点的地下水位低于最低生态水位，则减小位于所述控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，以及增大位于地下水位高于最低生态水位的控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，上调增大的地下水开采量不低于下调减小的地下水开采量；将新的地下水开采量参数输入至所述地下水流数值模型；跳转至“获取所述地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位”的步骤迭代执行，直至所有控制点的地下水位均不低于所述最低生态水位时结束迭代，确定迭代结束时每一开采井对应的地下水开采量，将所述地下水开采量作为每一开采井的地下水目标开采量目标开采量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：利用地下水流数值模型实现对研究区域内每一控制点的地下水位的模拟，在进行三维网格的剖分后，地下水流数值模型被离散为有限差分方程组，从而能够提高模型的求解效率，并在保证各控制点的地下水位不低于最低生态水位的前提下，获得每一开采井对地下水的目标开采量，根据该目标开采量进行地下水开采，实现对水位、水量的双重管理，同时由于以开采井的地下水开采量最大为目标进行优化，保证了水资源经济效益的最大化。通过不断的优化迭代，使得地下水系统的水位状态、地下水开采量能够按照所设定的优化目标和约束条件进行调控，从而获得所需的目标开采量，为研究区域内的地下水开采提供依据。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明第一实施例提供的地下水管理方法的流程图；
图2为地下水模型垂直剖面的一种示意图；
图3为计算最低生态水位时多个离散点在坐标系中的拟合过程示意图；
图4为优化模型在进行迭代计算时的流程图；
图5为本发明第二实施例提供的地下水管理装置的示意图。
符号说明：
模型获取模块-301，优化模块-302。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种地下水管理方法及装置，利用地下水流数值模型实现对研究区域内每一控制点的地下水位的模拟，在进行三维网格的剖分后，地下水流数值模型被离散为有限差分方程组，从而能够提高模型的求解效率，并在保证各控制点的地下水位不低于最低生态水位的前提下，获得每一开采井对地下水的目标开采量，根据该目标开采量进行地下水开采，实现对水位、水量的双重管理，同时由于以开采井的地下水开采量最大为目标进行优化，保证了水资源经济效益的最大化。通过不断的优化迭代，使得地下水系统的水位状态、地下水开采量能够按照所设定的优化目标和约束条件进行调控，从而获得所需的目标开采量，为研究区域内的地下水开采提供依据。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明地下水管理方法包括：
采用克里金插值法计算研究区域的地表高程、潜水含水层和承压含水层的顶板高程及底板高程，并根据各开采井的井位信息，建立三维地下水模型。
对所述三维地下水模型进行三维网格剖分，得到对应的三维网格。
获取研究区域内的水文数据；所述水文数据包括气象水文数据、水文地质参数和地下水开采量。
根据所述水文数据，在所述三维网格上建立地下水流数值模型；所述地下水流数值模型用于描述所述研究区域内地下水位与地下水开采量以及自然气候条件的关系。
根据所述地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量，其中，所述最低生态水位表示由于蒸发引起的水位变动为零时对应的地下水水位。
根据所述目标开采量确定研究区域的水源调度方案。
所述水源调度方案包括：
若所述目标开采量满足研究区域内的用水需求，则根据所述目标开采量对每一开采井进行开采。
若所述目标开采量不能满足研究区域内的用水需求，则采用水源置换方式对所述研究区域内地下水位低于最低生态水位的控制点周边范围内的开采井进行补水。
第一实施例
地下水是主要的供水水源，近年来，由于地下水的过量开采，引起了一系列环境地质问题，而且由于各地区用水量增加，水资源有限，因此出现较多局部超采的情况，目前缺乏有效的手段来对地下水的开采进行管理，以实现对地下水资源的合理开发，由此，本实施例提供一种地下水管理方法，通过对地下水系统的数学模拟，以及使地下水系统的状态按照设定的目标达到最优的优化模型，来确定对地下水的开采方案，参阅图1，该方法包括如下步骤：
步骤101：获取由研究区域内的水文数据建立的地下水流数值模型。
地下水流数值模型是根据研究区域的水文数据建立的。而不同区域所对应的模型是不相同的，因此，在进行地下水开采管理之前，应当确定要进行地下水管理的研究区范围，并获取该研究区范围内的水文数据。其中，水文数据主要包括气象水文数据、水文地质参数和地下水开采量等数据。比如水系图、水文地质图中的河流水位高程以及钻孔资料中各含水层的顶板高程和底板高程等。
在获得研究区域的水文数据后，可以根据获取的水文数据确定地下水流数值模型的范围、边界条件和初始条件。地下水流数值模型的范围与研究区域的范围相一致，地下水流数值模型的上边界为潜水面，通过该边界，地下水得到降雨入渗补给，以蒸发、径流等形式排泄地下水，地下水流数值模型的底边界视为不透水边界，地下水流数值模型的侧向边界的类型根据研究区域边界处的具体水文地质确定。在上边界与底边界之间分布有地下岩石，在地下岩石中含有各种状态的地下水，由于各类岩石的水力性质不同，可以将各类岩石层划分为含水层、隔水层和弱透水层，而含水层又可以分为承压含水层和潜水含水层。图2示出了地下水模型垂直剖面的一种示意图。
在实际情况中，每个地区所包含的含水层数目可能是不相同的，有的地区可能包含两个含水层，而另外的地区可能包含三个及以上的含水层，含水层的具体数量并不影响地下水流数值模型的建立，本实施例以两个含水层为例。
在建立地下水流数值模型的过程中，用于地下水流数值模型的水文地质参数主要有两类，一类为含水层的水文地质参数，主要包括潜水含水层的给水度、渗透系数、导水系数，承压含水层的渗透系数、导水系数及弹性释水系数，另一类是用于计算地下水补排量的参数和经验系数，如降雨入渗系数、灌溉入渗系数等。
需要说明的是，对于开采井来说，有的井挖的浅，只开采潜水含水层的水，有的井挖的深，开采的是承压含水层的水，而同一开采井一般只能开采到其中一个含水层的水位，若该开采井开采的是潜水含水层的地下水，那么一般就无法开采到承压含水层的地下水，反之亦然，在不考虑越流的情况下，两个含水层的水位计算是可以相互独立的，因此地下水流数值模型可以基于具体被开采的含水层的水文数据来建立，地下水流数值模型中的参数由该水文数据所确定。
地下水流数值模型是用于描述研究区域内各控制点的地下水位与地下水开采量以及自然气候条件如降水、蒸发等的关系，可根据当地的水资源开采情况及气候条件实现对控制点地下水位的模拟，地下水流数值模型具体可以通过如下公式计算：
Figure BDA0003326758420000101
上述公式中，D为研究区域，H为控制点的地下水位，(x,y)为开采井或控制点位置，t为时间，E为贮水性参数，T为导水系数，q为开采井的地下水开采量，Ev为蒸发排泄，P为降水补给，H0(x,y)为控制点的初始水位，Γ1为研究区域的水头边界，Γ2为研究区域的流量边界，n代表进入流量边界的水流投影到垂直于边界的方向，q(x,y,t)为通过流量边界的水流量，q、Ev、P、H0(x,y)、Γ1以及Γ2通过水文数据确定，E以及T通过水文数据确定初始值并经模型参数调优后确定。
需要说明的是，上述开采井是存在地下水水量开采的井，是实际生产生活中抽取地下水的地下水井或由井群概化后的一点，而控制点是观测井，用于地下水位测量和监控，一般不具有很大开采量。在一些可能的实施方式中，在地下水开采前也可采用开采井作为观测，但一般不将开采时或开采后的开采井作为观测井或控制点。
在获取到研究区域的水文数据后，可根据每一开采井采集的含水层建立初始的地下水流数值模型。示例性地，采用某一历史时间作为初始时间，该时间实际观测的潜水含水层和承压含水层水位作为控制点的初始水位，利用插值法(如克里金差值法等)得到含水层的初始水位H0(x,y)，并通过水文地质资料或抽水试验确定贮水性参数E以及导水系数T的初始值，建立地下水流数值模型。该初始的地下水流数值模型中，贮水性参数E以及导水系数T的初始值可以通过如下方式确定：
当地下水位大于等于TOP时，E＝S，T＝KM，S为弹性贮水系数，K为含水层的渗透系数，M为含水层厚度，TOP为含水层顶板高程；当地下水位小于TOP时，E＝μ，μ为含水层的给水度，T＝K(H-Bol)，K为含水层的渗透系数，Bol为含水层的底板高程。上述所指的含水层是描述的任意一个含水层，潜水含水层和承压含水层所对应的地下水流数值模型中的贮水性参数E以及导水系数T均通过上述方式确定初始值。
通过上述方式确定地下水流数值模型中的初始参数后，利用历史观测数据对该模型进行训练，将地下水流数值模型在历史时刻的预测水位和历史时刻的实测水位进行对比，不断调节模型中贮水性参数E与导水系数T的参数值，直至模型计算获得的地下水位H与实际观测的地下水位之差满足精度要求时，停止对参数的调整，从而贮水性参数E和导水系数T的值由初始值最终调整到所需的目标值，采用此时的E与T代入到模型中进行计算，形成最终用于模拟地下水系统的地下水流数值模型。进一步地，经发明人研究发现，实际中贮水性参数E变化很小，在一种可选的方案中，可以只调节导水系数T即可。
若要获得控制点的地下水位，那么需要对地下水流数值模型进行求解，而地下水流数值模型包括连续的偏微分方程，因此可以通过将上述方程离散后再进行计算。
在一种实施方式中，上述地下水流数值模型是建立在预先剖分好的三维网格上的。
三维网格是由三维地下水模型进行剖分后获得的。
三维地下水模型是描述研究区域地下水流动的概念模型，其建立的方式为：
在确定要进行地下水管理的研究区域后，根据该研究区域的钻孔地质资料，确定已知的固定点的地面高程、潜水含水层和承压含水层的顶板高程及底板高程。
利用克里金插值等方法计算研究区域的地表高程、潜水含水层和承压含水层的顶板高程及底板高程，并根据各开采井的井位信息，建立三维地下水模型。
选择适当的网格大小，对已经建立的三维地下水模型进行三维网格剖分，其中，对水平二维平面按照选定的网格大小进行矩形网格剖分，对垂直含水层剖面按照含水层顶板和底板高程进行剖分，从而形成三维网格。
比如，在空间上将整个三维地下水模型的水平二维平面剖分为50行、30列的规则矩阵网格，各层均采用800m*800m的剖分格式，剖分时，选取的行数和列数并没有严格要求，但是网格越小，那么最后的计算结果将会越精确，同时计算速度将会越慢。在进行三维网格的剖分后，上述地下水流数值模型也即被离散为有限差分方程组，从而能够实现模型的求解。
步骤102：根据地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量。
根据地下水流数值模型对地下水系统的准确模拟，能够确定出不同时刻各控制点的地下水位，该地下水位可用于优化模型进行优化计算。优化模型以地下水开采量最大为优化目标，地下水位不低于最低生态水位为约束条件，使得人工地下水开采既能实现最大开采量，也能保持植被的良好发育生长，实现水资源的合理、可持续开发。
优化目标可以通过函数
Figure BDA0003326758420000121
表征，约束条件可以通过公式H≥Hlow表示，其中，N为开采井数目，Qn为第n个开采井单位时间内的地下水开采量，Tn为第n个开采井的开采总时间，最低生态水位Hlow表示能够保持典型植被良好发育生长的最低地下水水位，Qn是根据模型中地下水开采量q离散后获得的。
而优化模型中的最低生态水位是根据控制点的观测数据获得的。
最低生态水位的确定方法包括：
首先，选取控制点在多个时间段的地下水观测数据，计算选取的时间段内地下水观测数据中地下水埋深的最大值与最小值的差值Δh，以及平均地下水埋深
Figure BDA0003326758420000122
Δh＝hmax-hmin；
Figure BDA0003326758420000131
hmax为选取的时间段内地下水埋深的最大值，hmin为选取的时间段内地下水埋深的最小值，为了确保数据具有一定的普遍性，选取的时间段的数目可以尽量的多。
然后，根据每一时间段所对应的差值Δh，计算该差值与平均蒸发强度ε的比值
Figure BDA0003326758420000132
以平均地下水埋深
Figure BDA0003326758420000133
为横坐标，比值
Figure BDA0003326758420000134
为纵坐标，将由多个时间段所形成的多个离散点绘制在坐标系中，对坐标系中的该多个离散点进行线性拟合，获得拟合直线，该拟合直线通过点群的中心，其与横坐标的交点则表示由于蒸发引起的水位变动为零时的平均地下水埋深，而最低生态水位Hlow也就是拟合直线与横坐标的交点(即直线上比值
Figure BDA0003326758420000135
为零的点)所对应的平均地下水埋深。需要说明的是，选取的时间段不同对最终的拟合直线会产生一定的影响，从而会影响到最终的最低生态水位。图3示出了多个离散点在坐标系中的拟合过程。
确定好优化模型的优化目标和约束条件后，优化模型的具体计算属于数学优化问题，通过采用迭代计算的方式来获得满足设定条件的目标解，其中存在的变量分为状态变量和决策变量，状态变量为地下水位，通过地下水流数值模型中的偏微分方程获得，决策变量为井的开采量、数目和位置等。参阅图4，迭代计算的过程包括如下步骤：
步骤201：获取地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位。
步骤202：根据各控制点的地下水位调整每一开采井的地下水开采量。
若存在控制点的地下水位低于最低生态水位，则减小位于该控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，同时，针对地下水位高于最低生态水位的控制点，增大该控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，在调整开采量时需要保证增大的地下水开采量不低于减小的地下水开采量，使模型不断向开采量更大的方向优化，以寻求开采量的最大值。
步骤203：将新的地下水开采量输入至地下水流数值模型。
将调整后的开采量重新代入到地下水流数值模型中进行计算，再次执行步骤201-203，直至所有控制点的地下水位均高于或者等于最低生态水位时结束迭代过程，将迭代结束时每一开采井对应的地下水开采量作为每一开采井的目标开采量，此时的目标开采量即为满足水位约束条件下的最大开采量，从而实现研究区域内的地下水开采量最大化，也能保证地下水位不会低于最低生态水位。
通过上述方案，利用由研究区域的水文数据所建立的地下水流数值模型，准确模拟地下水系统在不同时刻不同开采井不同开采量下的水位变化，为地下水系统的优化管理提供基础，从而通过设定的优化目标和约束条件进行迭代计算，使得地下水系统的水位状态、地下水开采量能够按照所设定的迭代条件进行调控，从而获得所需的目标开采量，为研究区域内的地下水开采提供依据，进一步地，上述优化目标是以地下水开采量最大化为目标，而某地区地下水能实现最大化开采往往代表该地区能获得最大的经济效益，因此，上述方案还能够实现研究区域内的经济效益最大化。
需要注意的是，上述地下水流数值模型是一个较复杂的数学模型，由非齐次偏微分方程及其定解条件构成，不满足叠加原理，不能简单使用线性系统迭代方法进行地下水资源管理研究，因此，为了使用叠加原理简化地下水资源管理模型计算，可以将该地下水流数值模型分解为天然流场模型和人工流场模型两部分，两个模型叠加后即可获得地下水流数值模型，本实施例以下公式中下标n代表天然流场的符号，下标p表示人工流场的符号，其他符号本身含义与地下水流数值模型相同，分解后的天然流场模型与人工流场模型如下所示：
Figure BDA0003326758420000141
Figure BDA0003326758420000151
上述公式中，Hn为天然流场模型计算获得的地下水位，Hp为人工流场模型计算获得的地下水位，在不考虑人工地下水开采的因素，根据天然流场模型可获得不同时刻各控制点的自然水位Hn，再结合人工抽水开采作用下获得的水位Hp，由两个模型获得的地下水位叠加后可获得地下水流数值模型中的地下水位H，分解后的人工流场模型的方程属于齐次方程，更加容易叠加计算，简化了模型的计算过程，提高了迭代速率。
地下水位Hp是由于人工抽水开采引起的水位变化，在上述人工流场模型的求解过程中，可采用响应矩阵法，响应矩阵由各控制点的脉冲响应叠加后获得，即人工流场模型中的水位变化通过公式
Figure BDA0003326758420000152
进行计算，其中，n＝1,2,3,…,N，N为开采井数目，αn(x,y)为第n个开采井在单位时间单位开采量下引起的控制点的地下水位降深，也即控制点对应的脉冲响应，Qn和Tn含义与优化目标的函数中相同。
若采用上述两个模型进行地下水位H的计算，那么在进行迭代优化的过程中，也可以仅通过计算人工流场模型的地下水位来简化迭代过程中的计算量，比如，在第一次迭代计算后，调整每一开采井的地下水开采量，将更新后的地下水开采量q重新代入到人工流场模型中进行计算，获得地下水位Hp，再与天然流场模型所获得的自然水位Hn叠加，获得新一轮迭代时每一控制点的地下水位H，而由于在整个迭代过程中，天然流场模型获得的自然水位Hn是不受开采量变化影响的，因此，仅在最初计算一次后，可无需再对自然水位Hn进行计算，从而每一次迭代时只需对人工流场模型单独进行迭代计算，再与自然水位Hn叠加即可，大大降低了运算量。
在通过步骤102获得每一开采井的目标开采量后，可根据该目标开采量确定研究区域当地的水源调度方案，如果目标开采量能够满足研究区域内的用水需求，那么认为此时的开采方案即为最优开采方案，可根据目标开采量制定重点开采井的开采方案，如果目标开采量不能满足研究区域内的用水需求，那么应当采用水源置换如地表水或外调水等方式对地下水位低于最低生态水位的控制点附近的开采井进行补水。
综上所述，本实施例提供的地下水管理方法，以地下水系统本身固有的水文地质特性建立地下水流数值模型，用于模拟和描述研究区域内各控制点的地下水位，并利用优化模型，以模拟获得的地下水位为基础，通过对地下水系统的人工开采量进行优化调控，使得地下水系统最终按照所设定的优化目标和约束条件达到均衡状态，并获得该均衡状态时的目标开采量，通过优化后的目标开采量对各开采井进行开采，是对地下水资源的合理开采，开采后的每一控制点的地下水位均不低于最低生态水位，从而解决对地下水资源过量开采的问题，实现地下水资源的可持续开发利用，进一步地，还使得有限的地下水资源能够发挥最大化的经济效益。
第二实施例
本实施例提供一种地下水管理装置，参阅图5，该装置包括：
模型获取模块301，用于获取由研究区域内的水文数据建立的地下水流数值模型，所述地下水流数值模型用于描述所述研究区域内地下水位与地下水开采量以及自然气候条件的关系。
优化模块302，用于根据所述地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量，其中，所述最低生态水位表示由于蒸发引起的水位变动为零时对应的地下水水位。
可选地，该装置还包括模型建立模块，用于获取研究区域内的水文数据，以及根据所述水文数据建立如下所示的地下水流数值模型：
Figure BDA0003326758420000171
其中，D为研究区域，H为控制点的地下水位，(x,y)为开采井或控制点位置，t为时间，E为贮水性参数，T为导水系数，q为开采井的地下水开采量，Ev为蒸发排泄，P为降水补给，H0(x,y)为控制点的初始水位，Γ1为研究区域的第一类边界，Γ2为研究区域的第二类边界，q(x,y,t)为通过所述第二类边界的水流量，q、Ev、P、H0(x,y)、Γ1以及Γ2通过所述水文数据确定，E以及T通过所述水文数据确定初始值并经模型参数调优后确定。
可选地，优化模块302具体用于：获取所述地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位；若存在控制点的地下水位低于最低生态水位，则减小位于所述控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，以及增大位于地下水位高于最低生态水位的控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，上调增大的地下水开采量不低于下调减小的地下水开采量；将新的地下水开采量参数输入至所述地下水流数值模型；跳转至“获取所述地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位”的步骤迭代执行，直至所有控制点的地下水位均不低于所述最低生态水位时结束迭代，确定迭代结束时每一开采井对应的地下水开采量，将所述地下水开采量作为每一开采井的地下水目标开采量目标开采量。
可选地，该装置还包括下限计算模块，用于选取控制点在多个时间段的地下水观测数据，计算选取的时间段内所述地下水观测数据中地下水埋深的最大值与最小值的差值，以及平均地下水埋深；对由每一个选取的时间段内的所述差值与平均蒸发强度的比值，以及所述平均地下水埋深所组成的多个离散点进行线性拟合，并获得拟合直线；确定所述拟合直线在所述比值为零时对应的平均地下水埋深，并将对应的平均地下水埋深确定为最低生态水位Hlow。
应理解，本实施例提供的地下水管理装置与第一实施例提供的地下水管理方法是基于同一发明构思，对于装置类实施例而言，由于其与方法实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可，在此不进行详述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种地下水管理方法，其特征在于，所述地下水管理方法包括：
采用克里金插值法计算研究区域的地表高程、潜水含水层和承压含水层的顶板高程及底板高程，并根据各开采井的井位信息，建立三维地下水模型；
对所述三维地下水模型进行三维网格剖分，得到对应的三维网格；
获取研究区域内的水文数据；所述水文数据包括气象水文数据、水文地质参数和地下水开采量；
根据所述水文数据，在所述三维网格上建立地下水流数值模型；所述地下水流数值模型用于描述所述研究区域内地下水位与地下水开采量以及自然气候条件的关系；
根据所述地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量，其中，所述最低生态水位表示由于蒸发引起的水位变动为零时对应的地下水水位；
根据所述目标开采量确定研究区域的水源调度方案；
所述水源调度方案包括：
若所述目标开采量满足研究区域内的用水需求，则根据所述目标开采量对每一开采井进行开采；
若所述目标开采量不能满足研究区域内的用水需求，则采用水源置换方式对所述研究区域内地下水位低于最低生态水位的控制点周边范围内的开采井进行补水。
2.根据权利要求1所述的地下水管理方法，其特征在于，所述对所述三维地下水模型进行三维网格剖分，具体包括：
对所述研究区域内的水平二维剖面按照设定网格大小进行矩形网格剖分；
对所述研究区域内的垂直含水层剖面按照含水层顶板高程和底板高程进行剖分。
3.根据权利要求1所述的地下水管理方法，其特征在于，所述地下水流数值模型为：
Figure FDA0003326758410000021
其中，D为研究区域，H为控制点的地下水位，(x，y)为开采井或控制点位置，t为时间，E为贮水性参数，T为导水系数，q为开采井的地下水开采量，Ev为蒸发排泄，P为降水补给，H0(x，y)为控制点的初始水位，Γ1为研究区域的第一类边界，Γ2为研究区域的第二类边界，q(x，y，t)为通过所述第二类边界的水流量，q、Ev、P、H0(x，y)、Γ1以及Γ2通过所述水文数据确定，E以及T通过所述水文数据确定初始值并经模型参数调优后确定。
4.根据权利要求3所述的地下水管理方法，其特征在于，所述地下水流数值模型包括人工流场模型和天然流场模型，所述地下水流数值模型输出的地下水位为所述人工流场模型计算获得的第一地下水位与所述天然流场模型计算获得的第二地下水位叠加得到的；
所述人工流场模型为：
Figure FDA0003326758410000022
所述天然流场模型为：
Figure FDA0003326758410000031
其中，Hp为所述人工流场模型计算获得的第一地下水位，Hn为所述天然流场模型计算获得的第二地下水位。
5.根据权利要求4所述的地下水管理方法，其特征在于，所述第一地下水位Hp是由于人工抽水开采引起的水位变化；
采用响应矩阵法，通过公式
Figure FDA0003326758410000032
计算人工流场模型中的水位变化，其中，n＝1，2，3，…，N，N为开采井数目，αn(x，y)为第n个开采井在单位时间单位开采量下引起的控制点的地下水位降深，Qn为第n个开采井在单位时间内的地下水开采量，Tn为第n个开采井的开采总时间。
6.根据权利要求1所述的地下水管理方法，其特征在于，所述研究区域的地下水分布于至少一个含水层，所述开采井用于开采其中一个含水层中的地下水，所述地下水流数值模型是根据被开采的含水层的水文数据建立的。
7.根据权利要求1所述的地下水管理方法，其特征在于，所述优化目标为
Figure FDA0003326758410000033
所述约束条件为H≥Hlow，其中，N为开采井数目，Qn为第n个开采井在单位时间内的地下水开采量，Tn为第n个开采井的开采总时间，Hlow为最低生态水位。
8.根据权利要求1所述的地下水管理方法，其特征在于，所述根据所述地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量，具体包括：
获取所述地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位；
根据各控制点的地下水位调整每一开采井的地下水开采量：
若存在控制点的地下水位低于最低生态水位，则减小位于所述控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，以及增大位于地下水位高于最低生态水位的控制点周边范围内的开采井的地下水开采量，增大的地下水开采量不低于减小的地下水开采量；
将新的地下水开采量输入至所述地下水流数值模型；
跳转至“获取所述地下水流数值模型输出的各控制点的地下水位”的步骤迭代执行，直至所有控制点的地下水位均不低于所述最低生态水位时结束迭代，确定迭代结束时每一开采井对应的地下水开采量，将所述地下水开采量作为每一开采井的目标开采量。
9.根据权利要求1所述的地下水管理方法，其特征在于，所述地下水管理方法还包括：
选取控制点在多个时间段的地下水观测数据，计算选取的时间段内所述地下水观测数据中地下水埋深的最大值与最小值的差值，以及平均地下水埋深；
对由每一个选取的时间段内的所述差值与平均蒸发强度的比值，以及所述平均地下水埋深所组成的多个离散点进行线性拟合，并获得拟合直线；
确定所述拟合直线在所述比值为零时对应的平均地下水埋深，并将对应的平均地下水埋深确定为最低生态水位Hlow。
10.一种地下水管理装置，其特征在于，所述地下水管理装置包括：
模型获取模块，用于获取由研究区域内的水文数据建立的地下水流数值模型，所述地下水流数值模型用于描述所述研究区域内地下水位与地下水开采量以及自然气候条件的关系；
优化模块，用于根据所述地下水流数值模型，进行以地下水开采量最大为优化目标、地下水位不低于最低生态水位为约束条件的迭代计算，获得研究区域内每一开采井的目标开采量，其中，所述最低生态水位表示由于蒸发引起的水位变动为零时对应的地下水水位。
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