地下水三维数值模拟及其优化开采

通过总结地下水三维数值模拟及其优化开采的研究方法，本文建立了地下水概念模型、数学模型、三维数值模拟模型和优化模型的耦合模型，最后提出了联合运用地理信息系统软件Arc View、地下水模拟软件FEFLOW和最优化软件Lindo或Lingo的实现方案。     

基于U-D分解卡尔曼滤波地下水污染源溯源辨识

采用基于U-D分解的卡尔曼滤波与非线性规划优化模型相结合,溯源辨识出地下水污染源的个数、位置与释放强度.基于一个假想例子,建立地下水污染质数值模拟模型,运用灵敏度分析筛选出对模型影响较大的参数作为模型中的随机变量.然后,应用基于U-D分解的卡尔曼滤波辨识出污染源的个数与位置.在此基础上建立辨识污染源释放强度的优化模型,应用克里格插值法建立地下水污染质运移数值模拟模型的替代模型,代替模拟模型,作为约束条件嵌入优化模型中,运用遗传算法求解优化模型辨识出地下水污染源源强.结果表明：采用基于U-D分解的卡尔曼滤波方法能够保证滤波的稳定性,有效识别出污染源的个数和位置;非线性规划优化模型,可以辨识出污染源释放强度.在优化模型的求解过程中,应用克里格方法建立模拟模型的替代模型嵌入优化模型,能在保证一定精度的情况下,大幅度减少计算负荷和计算时间.     

基于径向基函数模型的优化方法在地下水污染源识别中的应用

采用一种基于径向基函数的替代模型代替地下水溶质运移模型,将其作为约束条件嵌入污染源识别的优化模型中,通过遗传算法对优化模型进行求解.最后通过一个假想例子评估优化模型的性能.研究表明：污染源泄漏量识别结果的平均绝对误差为1.00g/s,误差较小,计算时间为51min,耗时较少,因此,基于径向基函数模型的优化方法有效地避免了优化模型求解过程中多次调用模拟模型造成的巨大计算负荷,获得了较为准确的计算结果,是一种有效的地下水污染源识别方法,能够用来求解地下水污染源泄漏量.     

水资源约束地区种植结构优化研究——以华北地区为例

在水资源短缺地区,除了节水灌溉技术、节水栽培技术之外,调整种植结构也是农业节水的一项重要技术措施。论文综合考虑区域社会、经济、环境协调发展,构建了区域节水高效种植结构调整的多目标模糊优化模型,克服了以往模型研究中存在的只注重经济效益而忽视社会和生态效益的局限性。并应用该模型对水资源严重短缺的华北地区进行实证研究,通过对该区种植结构调整的定量分析运算,提出了该区2010年和2030年的节水高效种植结构优化调整方案,该方案重点压缩了高耗水作物种植比例,扩大了低耗水作物种植比例,种植业用水效率逐步提高。     

东北地区地下水资源可持续利用与发展战略决策研究

建立东北地区水资源优化配置模型,得出东北地区地下水可持续开发利用方案,提出适合东北地区地下水可持续发展的战略决策。     

地下水污染监测网设计模拟的优化技术研究

地下水污染具有修复困难、存在隐蔽等特点,监测过程中地下水流速、污染介质含量等条件也会对地下水污染监测网的实际监测效果造成影响。基于此,当考虑到地下水渗透率、污染物排放速率等不确定性对监测网的稳定产生的影响时,结合模拟优化法与蒙特卡罗法对地下水污染监测网运行过程中的不确定参数进行求解,推导最优监测网设计方案。同时,考虑到蒙特卡罗法计算负荷过大的问题,构建XGBoost替代模型,代替模拟模型与优化模型进行耦合计算,用以全面提升监测网对实际地下水污染物的监测精度,助力地下水监测与治理工作的升级发展,期望能为各地地下水污染防治工作者提供一定的参考。     

蛙跳算法优化的地下水质评价的参数化组合算子模型

传统的参数化多元组合算子模型在进行对数变换后,采用最小二乘法求解模型参数。在满足构建的优化目标函数条件下,直接用基于群集智能的混合蛙跳算法对参数化组合算子模型中的参数进行优化,避免了传统解法过程中需要进行的对数变换,因而使参数求解变得简化。改进后的参数化组合算子模型被应用于地下水水质评价,其评价结果与用其他多种方法的评价结果基本一致。从而表明:混合蛙跳算法优化得出的地下水水质评价参数化组合算子模型为地下水水质评价提供了一种简便和实用的新方法。     

基于两种耦合方法的模拟-优化模型在地下水污染源识别中的对比

采用一种基于模拟-优化模型的方法对地下水污染源进行识别研究.模拟-优化模型分别采用响应矩阵法和状态转移方程法进行耦合,并利用遗传算法求解,经过多次迭代,使得模拟结果与观测数据的误差达到最小.最后,通过一个假想例子评估模拟-优化模型的性能,同时比较应用不同耦合方法的计算结果.研究表明:应用响应矩阵法耦合模拟-优化模型所得结果的绝对误差范围为0.1~1.6g/L,应用状态转移方程法时,绝对误差范围为0~5.2g/L,因此,采用遗传算法求解模拟-优化模型能够有效且准确地得到地下水污染源的释放量,可以应用于地下水污染源识别问题,并且采用响应矩阵法耦合模拟-优化模型优于状态转移方程法.     

基于脆弱性的地下水污染监测网多目标优化方法

区域地下水监测井的优化布设对于区域地下水系统管理有很重要的作用.为了以最少的监测费用最大化地获取区域污染风险和污染现状信息,以监测井数量最小、区域污染监测有效性最大、监测到的区域脆弱性分值最大为目标,建立了基于脆弱性评价的地下水污染监测网多目标优化模型.通过地下水脆弱性评价和溶质运移模型计算得到不同点位地下水脆弱性分值和污染物浓度,针对不同脆弱性等级提出区域监测井初设密度,采用改进非劣支配遗传算法（NSGA-Ⅱ）基于初设监测网求解该多目标优化模型,结合质量误差分析确定监测网优化方案.结果表明,阿什河漫滩区和樊家沟流域地下水硝酸盐氮污染相对较严重;地下水脆弱性高和较高等级区域分别分布在抽水井群影响范围和河漫滩;结合NSGA-Ⅱ Pareto最优解及质量误差分析结果,得到该区域地下水监测井最优数量（12口）及其最优布设位置.研究显示,该优化监测网与初设监测网插值所得污染羽的质量误差小于15%,满足监测精度要求.      

基于SSA-BP与SSA的地下水污染源反演识别

应用基于SSA-BP神经网络替代模型的模拟-优化方法和SSA研究了地下水污染源位置及释放历史的反演识别问题。并在建立地下水水流模型时,应用Cholesky分解方法建立含水层渗透系数连续场,该方法相比于普通的参数分区方法更好地描述了水文地质参数的非均质性。结果表明:SSA-BP神经网络替代模型对模拟模型具有较高的逼近精度,其平均相对误差仅有3.21%。应用SSA求解优化模型,能够快速准确地识别出点污染源的位置及释放历史。SSA对污染源位置的反演识别相对误差在10%左右,对污染源源强的反演识别相对误差不超过4%。因此,本文所提出的方法是一种有效的地下水污染源识别方法,可为污染责任认定及污染修复方案的优化提供参考。     

太行山前平原农牧结构模式评价与配套技术体系

农牧结构生产模式是太行山前平原农业生产的重要模式。苜蓿具有明显的经济效益、水分效益和土壤培肥作用。种植-畜牧模式农田亚系统可节约灌溉35%、具有显著的经济效益和能效,苜蓿氮、磷产出投入率远高于小麦-玉米两熟制和棉花;畜牧亚系统氮素327%、磷素259%可归还农田亚系统,实行一定程度的养分循环。农牧结构优化模式的配套技术体系体现在制定合理的农牧比例、农田亚系统高效管理、调整畜牧结构、秸秆饲用处理、饲料作物和牧草种植技术以及农牧物质循环技术,其中制定合理的农牧比例、调整畜牧结构是关键。综合协调应用这些技术,最终能够实现提高农牧结构优化模式农业资源综合利用效率20%～30%的目标。     

水资源规划优化技术研究进展及展望

针对水资源管理与规划的发展过程,详细论述了水资源系统管理与规划中常用优化技术的国内外研究成果及应用.根据是否考虑了模型参数或者模型结构的不确定性问题,将优化模型分为确定性优化模型和不确定性优化模型,通过对不确定性优化模型的介绍指出了不确定性优化是当前水资源系统优化的热点,同时指出未来不确定性优化技术发展方向等.     

民勤绿洲种植业结构调整及其对农作物需水量的影响

论文引入虚拟水理论,构建种植业结构调整需水模型,分析近33 a民勤绿洲种植业结构调整对农作物需水量的影响。结果表明：1）民勤绿洲粮食作物、经济作物与其他作物面积比重之比由1978年的84∶12∶4调整为2010年的25∶72∶3。粮食作物播种面积比重的下降主要是由小麦播种面积比重的快速减少所致。2）民勤绿洲农作物需水总量由1978年的2.15×10⁸ m³增加到2010年的2.49×10⁸ m³,粮食作物和经济作物需水总量之比由1978年的88∶12变化为2010年的31∶69。3）民勤绿洲种植业结构调整的生态节水效应在不同时段存在差异,1979—1998年,种植业结构调整对于农作物需水而言,未起到节水作用;1999—2008年,种植业结构调整的节水效果明显;2009—2010年,种植业结构的进一步调整导致需水量的快速增加,未起到节水作用。单位面积需水量较高的蔬菜、小麦、玉米等5种农作物面积比重之和的大小对节水效果起到决定性作用。     

东北典型黑土区耕地轮作休耕的空间重构

轮作休耕是保障黑土区耕地资源可持续利用的重要手段。科学合理确定粮食作物轮作休耕的耕地利用规模及空间分布,对实现黑土区耕地修养生息、提升地力和平衡粮食供求结构具有重要意义。以东北典型黑土区——克山县、拜泉县和依安县为研究区,运用作物种植空间适宜性评价模型、多目标优化（MOP）模型和智能体土地布局优化配置（AgentLA）模型,基于地块尺度构建耕地轮作和休耕布局,适度调整轮作休耕规模及分布。结果发现：（1）研究区主要作物种植适宜性高值和低值区存在明显空间差异。玉米和大豆种植适宜性高值区交汇于依安县北部和克山县西部,是玉米—大豆轮作优势区域。主要作物种植适宜性低值区交汇于依安县南部和拜泉县西南部,是休耕的重点区域。（2）基于种植结构优化的轮作规模实现了大豆种植比例增加和玉米种植比例减少,缓解了目前玉米阶段性供大于求、大豆供给不足的现实矛盾。通过设定多种粮食供求情景确定休耕规模有利于灵活应对粮食市场变动。（3）兼顾耕地空间适宜性和集聚性的轮作休耕布局有利于充分利用耕地资源禀赋比较优势、发展规模化经营,对提高耕地利用效率具有重要作用。研究通过科学重构黑土区耕地轮作和休耕空间布局,实现了耕地空间适宜性、空间集聚性、种植结构合理性和粮食供求稳定性的同步提升,为实现黑土区耕地资源合理可持续利用和粮食安全提供政策参考。     

水资源规划优化技术研究进展及展望

文章针对水资源管理与规划的发展过程,详细论述了水资源系统管理与规划中常用优化技术的国内外研究成果及应用。根据是否考虑了模型参数或者模型结构的不确定性问题,将优化模型分为确定性优化模型和不确定性优化模型,同时对每种优化技术做了简要介绍,通过对不确定性优化模型的详细介绍指出了不确定性优化是当前水资源系统优化的热点;同时指出当前不确定性优化技术存在的问题,未来不确定性优化技术发展方向为多种不确定性以及多重效益的综合考虑等。     

新疆塔里木河沿岸地区2000年水资源优化分配

本文首先建立塔里木河上、中、下游各用水户水资源利用综合效益评价模型,确定了上、中、下游各用水户的优先次序;在此基础上,用分解协调法建立起以取得最佳的综合效益为目标的水资源优化分配两层模型,计算出2000年塔里木河沿岸地区在不同年型下的水资源优化分配方案,取得了较好的效果,有助于今后塔里木河沿岸地区水资源开发利用的科学管理。     

基于水动力过程的湿地生态补水优化机制：以北京汉石桥湿地为例

湿地具有涵养水源等重要生态服务功能,但在人类活动与气候变化的多重胁迫下出现萎缩与退化,其中湿地补给水量不足是其主要生态问题之一。随着跨区域、跨流域调水工程的实施运行,生态补水目前已成为湿地修复与水资源配置的关键技术组成。因此,关注多水源补给湿地的补水路径优化,基于湿地补水水动力过程提出了生态补水方式的优化方案。2021年在潮白河流域全线通水的背景下,以北京市仅存的大型芦苇沼泽湿地——汉石桥湿地为案例区,构建了潮白河流域SWAT模型模拟径流变化规律,利用MIKE21模型模拟湿地补水水量-水动力耦合过程,比较了6种湿地补水情景的水动力变化特征。结果表明：汉石桥湿地内部水系连通受阻造成的湿地南部与北部分隔是限制生态补水效率的主要瓶颈,湿地南北区多流路同时补水,以及改造湿地水文连通结构是改善补水水动力条件,提升生态补水效应的优化方案。该研究结论可为湿地的长期管理和生态修复提供参考,有利于首都城市生态水系建设。     

水资源开发利用与区域经济协调管理的一种交互式模式

本文据大系统多级递阶优化控制理论，将水资源系统分解成地面水资源系统与地下水资源系统。在地面水系统中，给出了多目标开发利用管理模型；在地下水系统中，提出了地下水资源开发利用经济管理模型。区域经济涉及区域内的各种工农业和城镇生活用水部门──用水系统。对该用水系统提出了分解──协调优化管理模型。据水资源开发利用和用水系统的特点，在最高级设置总协调器来协调水资源开发利用系统与用水系统，进而提出了水资源开发利用与区域经济协调管理的一种交互式模式。     

豫西地区降水资源对旱地粮食作物产量的影响与对策

本文论述降水资源是旱地粮食作物产量的重要影响因素,揭示了豫西地区主要粮食作物的需水规律和水分盈亏规律,提出运用地理风险决策、实行适水种植的宏观对策。