地下水區(qū)間型不確定性數(shù)值模擬

地下水?dāng)?shù)值模是地下水資源評價和污染評價的重要手段。開展不確定性數(shù)值模擬，深入分析不確定性就顯得尤為迫切和必要。 本課題以徐州張集巖溶地下水源地和徐州三堡水文地質(zhì)試驗(yàn)場為研究對象，具體完成的研究內(nèi)容有： （1）收集張集巖溶地下水源地水文地質(zhì)資料，建立了徐州張集巖溶地下水源地水流及污染物遷移區(qū)間型不確定性數(shù)值模型；（2）完成了徐州三堡試驗(yàn)場地的勘探、水文孔成井工作，進(jìn)行了室內(nèi)級配分析和水質(zhì)分析，確定了試驗(yàn)場地的水文地質(zhì)條件，建立了徐州三堡地試驗(yàn)場地水流及污染物遷移區(qū)間型不確定性數(shù)值模型；（3）得到了水流及污染物耦合區(qū)間型不確定性數(shù)值模型的求解方法，編制了相應(yīng)的計算程序GFModel，方法采用區(qū)間有限差分矩陣方程進(jìn)行一階、二階攝動展開，根據(jù)條件極值問題確定有界不確定橢球的半徑，計算出水位和濃度的區(qū)間界限。（4）完成了水流及污染物耦合區(qū)間型不確定性數(shù)值模型的反演研究，方法通過全變分方法將確定性反演問題轉(zhuǎn)化為泛函極小值問題，進(jìn)而采用N型多尺度方法水文地質(zhì)參數(shù)的反演區(qū)間。采用Monte-Carlo 隨機(jī)抽樣和實(shí)測水位數(shù)據(jù)對反演方法進(jìn)行了驗(yàn)證；（5）完成了兩個實(shí)際地區(qū)的數(shù)值模型的不確定性分析，分析了水位和濃度數(shù)據(jù)與水文地質(zhì)參數(shù)之間的區(qū)間對應(yīng)關(guān)系。在不確定性分析中，實(shí)現(xiàn)了全局靈敏度分析。 本項(xiàng)目得到了：（1）基于非概率集合理論的水流和污染物耦合區(qū)間型不確定性數(shù)值模型求解方法；（2）基于非概率集合理論的多尺度全變分正則化方法的地下水區(qū)間型不確定性數(shù)值模型反演方法；（3）區(qū)間型不確定性變量角度下的地下水?dāng)?shù)值模擬不確定性響應(yīng)規(guī)律，針對兩個研究而言，當(dāng)水文地質(zhì)參數(shù)的區(qū)間相對誤差為5%時，正演的水位區(qū)間相對誤差基本小于8%，當(dāng)水位和濃度區(qū)間相對誤差為5%時，反演的水文地質(zhì)參數(shù)的區(qū)間相對誤差小于11%。 通過本課題的研究，增加了數(shù)值模擬不確定性新的認(rèn)識，為提高數(shù)值模擬的可靠性提供了一條新的途徑。 2100433B

地下水?dāng)?shù)值模擬中的各種不確定性，直接影響了模擬結(jié)果的可靠性，因此，開展不確定性數(shù)值模擬，深入分析不確定性就顯得尤為迫切和必要。本課題以徐州張集巖溶地下水源地為研究對象，從區(qū)間型不確定性角度出發(fā)，基于非概率集合理論，開展地下水區(qū)間型不確定性數(shù)值模擬研究，分析地下水?dāng)?shù)值模擬的不確定性。采用凸模型方法和區(qū)間分析方法求解數(shù)值模型，使用區(qū)間參數(shù)攝動方法反演模型參數(shù)、邊界條件和源匯項(xiàng)，用多尺度全變分正則化方法處理反演的不適定和效率問題。區(qū)間型不確定性明顯區(qū)別于概率及其它不確定性處理方法，不需要知道變量的概率密度函數(shù)，基于較少的數(shù)據(jù)(不確定變量的上下界)就可以解決一系列不確定性問題，并得到令人滿意的結(jié)果。地下水區(qū)間型不確定性數(shù)值模擬開辟了新的不確定性分析途徑。.通過本課題的研究，將從區(qū)間型不確定性角度，揭示地下水?dāng)?shù)值模擬的不確定性響應(yīng)規(guī)律，增加數(shù)值模擬不確定性新的認(rèn)識，提高數(shù)值模擬的可靠性。

GMS也是groundwater modeling system的簡稱，它是一個地下水?dāng)?shù)值模擬的軟件平臺。

可以對地下水進(jìn)行多種模擬，包括水流模擬和溶質(zhì)運(yùn)移模擬，同樣可以對地下水進(jìn)行污染物的風(fēng)險評價。同時可以同其他軟件相結(jié)合使用，如modfllow,GIS(地理信息系統(tǒng)）等軟件。2100433B

《地下水?dāng)?shù)值模擬基礎(chǔ)/普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材》系統(tǒng)地講述了地下水?dāng)?shù)值模擬方法的基本原理、求解過程、常用軟件及實(shí)例應(yīng)用。全書共分七章，*章主要介紹地下水?dāng)?shù)值模擬方法的概念及特點(diǎn)；第二章主要講解有限差分法的基本原理及求解過程；第三章著重講述有限單元法的基本原理及求解過程；第四章主要介紹反求模型參數(shù)的數(shù)值方法；第五章主要講解地下水?dāng)?shù)值模擬中的不確定性及其處理方法；第六章主要介紹地下水?dāng)?shù)值模擬常用軟件GMS及其使用；第七章以海水入侵的實(shí)例研究展示了地下水?dāng)?shù)值模擬的一般過程，通過實(shí)踐練習(xí)，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

《地下水?dāng)?shù)值模擬基礎(chǔ)/普通高等教育“十三五”規(guī)劃教材》可作為水文與水資源工程、地下水科學(xué)與工程、水利工程、環(huán)境工程等專業(yè)的本科教材，也可供水文地質(zhì)科研人員、工程技術(shù)人員參考。

地下水?dāng)?shù)值模擬不確定性主要來自于模型參數(shù)、模型結(jié)構(gòu)及觀測數(shù)據(jù)，其中概念模型（模型結(jié)構(gòu)）的不確定性已經(jīng)受到水文地質(zhì)工作者的重視。貝葉斯模型平均（Bayesian model averaging）是當(dāng)前處理概念模型不確定性的主要方法。本項(xiàng)目針對BMA實(shí)際應(yīng)用過程中面對的困難，分別在以下幾個方面開展了工作，并取得了相關(guān)研究成果。（1）結(jié)合研究區(qū)的先驗(yàn)信息，通過不確定性條件的排列組合，基于復(fù)雜度控制理論，建立一組能夠代表研究區(qū)水文地質(zhì)基本特征的概念模型集合；（2）提出了一種基于Adaptive Metropolis的嵌套抽樣算法（Nested sampling algorithm），能夠?qū)δＰ瓦吘壦迫恢颠M(jìn)行準(zhǔn)確、高效的估計；（3）提出了一種基于自適應(yīng)稀疏網(wǎng)格-隨機(jī)配點(diǎn)法（Adaptive sparse grid-stochastic collocation）的替代模型技術(shù)，克服了地下水?dāng)?shù)值模擬概念模型不確定性分析中的計算耗時問題。總之，較好的按照執(zhí)行計劃完成了本項(xiàng)目，很好的完成了項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo)。 2100433B