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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法研究,中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）,2011年3月20日,1,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法研究的必要性,近年來由于用水量的增加,無節(jié)制地開采地下水,水資源管理不善,在長期開采地下水過程中,引發(fā)了區(qū)域地下水位下降、抽水井單井涌水量減小、水質(zhì)惡化、巖溶塌陷等一系列環(huán)境地質(zhì)問題。目前這些問題還有繼續(xù)加劇的趨勢。,水資源已成為經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的制約因素。巖溶水是優(yōu)質(zhì)的供水水源，針對(duì)巖溶水特點(diǎn)，進(jìn)行水資源評(píng)價(jià)，合理開發(fā)利用和管理水資源，是亟待解決的關(guān)鍵問題。,巖溶水評(píng)價(jià)是目前地下水資源評(píng)價(jià)中的一個(gè)難題。由于巖溶水分布規(guī)律

2、和運(yùn)動(dòng)途徑一般不易查清,運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究得還不夠,因而到目前為止尚未找到能正確表征巖溶水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程。,2,巖溶水資源分布及特點(diǎn),巖溶水資源分布,碳酸鹽巖出露面積約占全國陸地面積的十分之一左右,全國巖溶水天然資源約占全國地下水天然資源的四分之一,巖溶水天然資源絕大部分集中分布于濕潤的南方,云南、廣西、四川、貴州、湖南和湖北等省裸露和半裸露巖溶地區(qū),3,巖溶水資源分布及特點(diǎn),巖溶水資源特點(diǎn),一個(gè)地區(qū)巖溶地下水資源的形成是含水結(jié)構(gòu)、補(bǔ)給條件、水動(dòng)力條件、水化學(xué)條件等綜合作用的結(jié)果。巖溶水含水結(jié)構(gòu)復(fù)雜,補(bǔ)給方式多樣,富水不均勻性強(qiáng),水動(dòng)力條件復(fù)雜、因此,應(yīng)該從獨(dú)立的水文地質(zhì)單元出發(fā),把其視為一個(gè)完整的

3、系統(tǒng),研究其特有的結(jié)構(gòu)、邊界條件及完整的補(bǔ)徑排體系。,水資源管理難度大,-碳酸鹽巖特有的不同巖性結(jié)構(gòu),經(jīng)巖溶化作用的結(jié)果,形成不同形狀，大小和不同性質(zhì)的含水空間。再加上巖層構(gòu)造上的差異，使含水空間分布極不均勻，富水性差異大。,巖溶水系統(tǒng)的邊界條件,-接受地表水補(bǔ)給或向地表排泄的邊界，與可溶巖接觸的隔水邊界，有地下分水嶺存在的隔水邊界，斷層隔水或阻水邊界，地下徑流進(jìn)出口邊界,4,巖溶水資源分布及特點(diǎn),巖溶水資源特點(diǎn),巖溶水補(bǔ)徑排條件,-巖溶含水層構(gòu)造、埋藏條件及邊界條件的差異決定了巖溶水補(bǔ)徑排方式的多樣化。,南方巖溶水特點(diǎn),-,南方碳酸鹽巖分布廣,質(zhì)純,厚度大,巖溶發(fā)育強(qiáng)烈而不均勻,廣泛發(fā)育有地

4、下暗河。水量豐富,水位和水量變化大,補(bǔ)給、徑流和排泄較迅速,巖溶水資源形成周期較短,常具有月調(diào)節(jié)特征，其開發(fā)利用程度較低。,北方巖溶水特點(diǎn),-北方巖溶發(fā)育相對(duì)較弱,以溶蝕裂隙為主。含水體具有統(tǒng)一地下水面,儲(chǔ)水和調(diào)節(jié)庫容較大,具有多年調(diào)節(jié)特征。巖溶水多以泉群形式集中排泄,泉水流量大而穩(wěn)定，其開發(fā)利用程度較高。,5,巖溶地下水資源評(píng)價(jià)研究意義,巖溶地下水系統(tǒng)是一個(gè)開放、半封閉體系，它與外界環(huán)境有物質(zhì)、能力以及信息的交換。所以對(duì)于巖溶水的研究應(yīng)該綜合考慮自身及外界的影響，使研究成果具有更大置信度和更好精度。,巖溶地下水富水性是指地下水系統(tǒng)的儲(chǔ)存能力和巖溶水的分布規(guī)律，反應(yīng)了水資源空間分配和時(shí)間分配情

5、況，是合理開發(fā)水資源和有效調(diào)度水資源的理論依據(jù)。如何能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地下水的富水性，對(duì)水資源的有效利用有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。,6,巖溶水資源評(píng)價(jià)的研究現(xiàn)狀,目前有很多模型、方法或技術(shù)應(yīng)用于巖溶水資源的評(píng)價(jià)。但是基,于地下巖溶條件的復(fù)雜性和多變性，采用怎樣的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)，一,直為人們所討論。,在以往包括現(xiàn)有的巖溶水資源評(píng)價(jià)的研究中存在很多的局限和,不足，但是人們一直在不斷的探索和嘗試新的方法，針對(duì)不同的巖,溶研究區(qū)，建立適合該區(qū)的水資源評(píng)價(jià)體系。,隨著數(shù)學(xué)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，越來越多的新方法新理論被嘗試,應(yīng)用于巖溶水資源的評(píng)價(jià)中，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、時(shí)間序列法、,層次分析法、系統(tǒng)分析法，GIS方法等。

6、,并且隨著地質(zhì)監(jiān)測手段的不斷發(fā)展，許多依賴于準(zhǔn)確含水層參數(shù)的,定量評(píng)價(jià)方法也逐漸的受到關(guān)注，數(shù)值模擬的方法綜合了地質(zhì)條件、數(shù),學(xué)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)，該方法在巖溶水資源評(píng)價(jià)方面將有很大的發(fā)展前景。,7,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法及實(shí)例應(yīng)用,GIS原理評(píng)價(jià)巖溶水資源評(píng)價(jià),層次分析法,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法,水均衡原理定量評(píng)價(jià)巖溶水資源,系統(tǒng)分析法,8,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（1）,基于GIS原理評(píng)價(jià)巖溶地下水富水性,巖溶地下水富水性評(píng)價(jià)GIS方法原理,GIS空間分析方法原理,-GIS以地理空間數(shù)據(jù)庫 庫為基礎(chǔ)，運(yùn)用系統(tǒng)工程和信息科學(xué)的理論，采用地理模型分析方法，通過提供多種空間和動(dòng)態(tài)的地理信息，產(chǎn)生對(duì)資源環(huán)境、災(zāi)害防

7、治、區(qū)域規(guī)劃和管理決策等方面的有用信息。,巖溶地下水資源評(píng)價(jià)GIS方法原理,-該方法的基本思想是獲取巖溶地下水富水性的決定因素，將其分類歸納，利用GIS分別建立影響因子的柵格要素曾，按照影響因子的影響性大小，進(jìn)行空間疊加分析，最終得到綜合評(píng)價(jià)下的富水性分布規(guī)律。,9,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（1）,基于GIS原理評(píng)價(jià)巖溶地下水富水性,巖溶地下水資源影響因子,水文地質(zhì)環(huán)境因子,-包括巖溶地下水的補(bǔ)給、排泄和徑流區(qū)的劃分，巖溶發(fā)育程度，,巖性，含水層類型及含水層厚度,構(gòu)造環(huán)境因子,-包括斷層、斷裂富水性分帶，向斜、背斜富水性等,氣象環(huán)境因子,-包括降雨、蒸發(fā)的時(shí)空分布,其他環(huán)境因子,-地下水動(dòng)態(tài)、人工

8、開采、生態(tài)環(huán)境,10,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（1）,基于GIS原理評(píng)價(jià)巖溶地下水富水性,獲取巖溶地下水富水性的決定因素,建立評(píng)價(jià)模型,利用GIS分別建立各影響因子的柵格數(shù)據(jù)層,按因子影響性大小進(jìn)行空間疊加分析,得出綜合評(píng)價(jià)下的富水性分布規(guī)律,巖溶水資源評(píng)價(jià)GIS方法步驟,影響因子的選擇與獲取,11,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（1）,基于GIS原理評(píng)價(jià)巖溶地下水富水性實(shí)例,2006年邱士利將GIS方法與地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)以及非線性模型相結(jié)合，選取了廣西黎塘地區(qū)為研究區(qū)，定量評(píng)價(jià)了巖溶地下水富水性。,定量分析了巖溶發(fā)育程度、斷層構(gòu)造、地下河系、地貌類型、含水層組和地下水水位變幅六個(gè)影響因子。,確定各影響因子的影響

9、權(quán)重,建立了該區(qū)巖溶地下水富水性評(píng)價(jià)模型,對(duì)黎塘地區(qū)巖溶水資源進(jìn)行定量評(píng)價(jià),12,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（2）,基于層次分析法的巖溶水資源評(píng)價(jià),找出巖溶水資源的控制因素,氣候、巖溶發(fā)育程度、巖溶帶的連續(xù)性和阻水性結(jié)構(gòu)、巖層傾角、地形地貌、植被覆蓋率等,確定各影響因子的權(quán)重,確立隸屬關(guān)系、建立正互反矩陣、歸一化處理、一致性檢驗(yàn),計(jì)算表層巖溶水調(diào)節(jié)系數(shù),參照標(biāo)準(zhǔn)，確定因子的分值，結(jié)合權(quán)重計(jì)算出特征分值，即為調(diào)節(jié)系數(shù),巖 溶 水 資 源 計(jì) 算,13,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（2）,基于層次分析法評(píng)價(jià)巖溶水資源實(shí)例,王偉等2007年將基于層次分析法的表層巖溶水資源評(píng)價(jià)方法引入到貴州高原的大小井流域。,用該

10、方法量化了影響表層巖溶帶系統(tǒng)調(diào)節(jié)表層巖溶水能力的主要因素,以大小井流域的巖溶泉作為比擬對(duì)象,最終計(jì)算出區(qū)域表層的巖溶水資源量并進(jìn)行模擬分析,14,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（3）,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)巖溶水資源,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法的引入,巖溶水評(píng)價(jià)中存在的問題,-巖溶水評(píng)價(jià)是目前地下水評(píng)價(jià)中的一個(gè)難題,。但是巖溶水分布規(guī)律和運(yùn)動(dòng)途徑一般不易查清，運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的不夠，因而到目前為止尚未找到確切刻畫巖溶水運(yùn)動(dòng)規(guī)律的方程，這就使得巖溶水評(píng)價(jià)數(shù)學(xué)模型往往借用多孔介質(zhì)或雙重介質(zhì)模型,影響評(píng)價(jià)精度。,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法用于巖溶水資源評(píng)價(jià)的引入,-人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，其中BP網(wǎng)絡(luò)是一種非線

11、性映射人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于任何閉區(qū)間連續(xù)函數(shù)都可以用一個(gè)隱層的BP網(wǎng)絡(luò)來逼近。因此可用一個(gè)三層BP網(wǎng)絡(luò)逼近模擬巖溶地下水系統(tǒng)。,15,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（3）,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)巖溶水資源,BP網(wǎng)絡(luò)模擬巖溶地下水系統(tǒng)的原理,網(wǎng)絡(luò)的建立,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,輸入層有Ni個(gè)結(jié)點(diǎn)，隱含層有Nh個(gè)結(jié)點(diǎn)，輸出層有N0個(gè)結(jié)點(diǎn)，其中Ni由影響地下水系統(tǒng)的因素個(gè)數(shù)決定，N0由地下水系統(tǒng)響應(yīng)的個(gè)數(shù)決定。,16,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（3）,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)巖溶水資源,BP網(wǎng)絡(luò)模擬巖溶地下水系統(tǒng)的原理,網(wǎng)絡(luò)的建立,Nh的范圍由以下三個(gè)方程決定,式中：p樣本數(shù)；,-為大于1小于10的整數(shù),上圖中W,i,j,

12、表示輸入層與隱含層之間權(quán)值；W,kj,表示隱含層和輸出層之間的權(quán)值。,17,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（3）,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)巖溶水資源,BP網(wǎng)絡(luò)模擬巖溶地下水系統(tǒng)的原理,學(xué)習(xí)原理,設(shè)有P個(gè)樣本，則對(duì)于第P個(gè)樣本，某一個(gè)結(jié)點(diǎn)，其輸入為X,p，i,，輸出為O,p，j,，則：,用權(quán)值調(diào)整公式，對(duì)于輸出層和隱含層分別為：,18,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（3）,基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)巖溶水資源,BP網(wǎng)絡(luò)模擬巖溶地下水系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例,以濟(jì)南市為例，對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練和擬合。,設(shè)定該區(qū)地下水位主要由大氣降水和開采量決定,建立一個(gè)兩個(gè)輸入點(diǎn)、一個(gè)輸出結(jié)點(diǎn)的,3,層,BP,網(wǎng)絡(luò)模型，隱層取三個(gè)結(jié)點(diǎn)。,取研究區(qū),195

13、9-1980,年的降雨量、開采量輸入，地下水位作為輸出，對(duì)資料進(jìn)行處理、計(jì)算、擬合,。,19,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（4）,水均衡原理定量評(píng)價(jià)巖溶水資源,水均衡法引入的原因,鑒于現(xiàn)有的模型很難在巖溶地區(qū)推廣應(yīng)用，都具有一定的局限性，例如,地下水動(dòng)力學(xué)方法大多是建立在含水層過分理想化的基礎(chǔ)上，而巖溶介質(zhì)的特征與理想條件差距甚遠(yuǎn)，含水層厚度變化無常，空間展布不規(guī)則，含水介質(zhì)不連續(xù)，非均質(zhì)性明顯。,數(shù)值模型是以精確的數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，但是依賴于含水層系統(tǒng)精確的參數(shù)，邊界條件，補(bǔ)徑排關(guān)系等，需要投入大量的資金和勘察工作。,統(tǒng)計(jì)模型需要掌握大量時(shí)間序列資料,而以水均衡原理為基礎(chǔ)的巖溶水資源評(píng)價(jià)方法，不需要考慮含

14、水,層的空間展布和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，具有較大的適應(yīng)性。,20,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（4）,水均衡原理定量評(píng)價(jià)巖溶水資源,水均衡法原理,水均衡方程,對(duì)于含水層中任一單元體，某時(shí)段內(nèi)凈流入的水量等于引起該單元體在該時(shí)段內(nèi)水頭變化所需的水量。對(duì)某一研究對(duì)象，,流入,流出體系內(nèi)質(zhì)量變化量。,21,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（4）,水均衡原理定量評(píng)價(jià)巖溶水資源,水均衡法方程中各參數(shù)的含義,式中：,Q,補(bǔ)、,Q,開、,Q,雨、,Q,河、,Q,灌,分別代表巖溶水補(bǔ)給量、開采量、降,雨入滲補(bǔ)給量、河水滲漏補(bǔ)給量和灌溉入滲補(bǔ)給量(m,3,)，,-降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)，-灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)，-巖溶,巖層綜合給水度，-河水入滲補(bǔ)給強(qiáng)度

15、（m,3,/d）,H-水,位變幅，t-均衡時(shí)間段d，F(xiàn)-巖溶區(qū)面積km,2,，T-河水位,補(bǔ)給時(shí)段d，P-降雨量mm，A-降雨入滲補(bǔ)給面積km,2,，G-田,間灌溉水量m,3,.,22,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（4）,水均衡原理定量評(píng)價(jià)巖溶水資源實(shí)例,選取山東鄒城電廠附近的供水水源地兩城水源地，運(yùn)用水均衡方法對(duì)其巖溶水資源量進(jìn)行研究評(píng)價(jià)。具體如下：,收集研究區(qū)長期的降雨蒸發(fā)資料以及地質(zhì)資料。,得到研究區(qū)的基本參數(shù)，例如降雨入滲系數(shù)、灌溉入滲系數(shù)、河流入滲補(bǔ)給量，計(jì)算區(qū)面積等。,設(shè)定補(bǔ)給天數(shù)，根據(jù)水文地質(zhì)系數(shù)，求取研究區(qū)的補(bǔ)給資源和開采資源量。,確定研究區(qū)的水資源特征，判斷該區(qū)的供水潛力。,23,巖

16、溶水資源評(píng)價(jià)方法,（5）,系統(tǒng)分析法,系統(tǒng)分析法的引入,巖溶水資源已經(jīng)被廣泛的開發(fā)利用，由于巖溶水賦存和運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，使得巖溶水資源的評(píng)價(jià)方法一致為人們所探討。,以往多把巖溶水介質(zhì)等效視為孔隙介質(zhì)，采用孔隙含水層的評(píng)價(jià)方法。,利用分布參數(shù)的確定性模型要求獲取評(píng)價(jià)區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)和邊界條件等等。,于是系統(tǒng)理論法就被引入了水資源評(píng)價(jià)的領(lǐng)域,24,巖溶水資源評(píng)價(jià)方法,（5）,系統(tǒng)分析法,系統(tǒng)分析法的原理,系統(tǒng)理論法是將一個(gè)完整的水文地質(zhì)單元作為一個(gè)系統(tǒng)考慮,并將進(jìn)入系統(tǒng)的水量作為輸入信息,將流出系統(tǒng)的水量作為輸出信息,根據(jù)輸入與輸出變量之間的因果關(guān)系應(yīng)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立統(tǒng)計(jì)模型或者隨機(jī)模型進(jìn)行水位、水量預(yù)測。,巖溶水的形成受很多因素的影響，其間的關(guān)系要借助于數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法建立相關(guān)分析方程進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測，而在復(fù)雜的巖溶水系統(tǒng)中，變量眾多的情況下，運(yùn)用逐步歸回分析效果更好。,25,巖溶水系統(tǒng)劃分原則,以大的河流、流域作為一個(gè)系統(tǒng)，一、二、三級(jí)系統(tǒng),（單元）按水利部門劃分的流域分級(jí)；,以完整大泉、地下河流域具有完整獨(dú)立輸入、輸,出體系的地質(zhì)體作為子系統(tǒng)；,四級(jí)及四級(jí)以下系統(tǒng)（基本單元）必須是具有完整