人民胜利渠灌区浅层地下水水化学突变机理及模拟
作者单位：华北水利水电大学
学位级别：硕士
导师姓名：刘中培
授予年度：2023年
主 题：人民胜利渠灌区 地下水水化学 突变检验 尖点突变模型 突变模拟 突变机理
摘 要：人民胜利渠灌区为河南省重要的粮食生产区,地下水资源作为灌区生产生活的主要供水源,发挥着重要的作用。近年来灌区对地下水需求量与日俱增,地下水开采量加大,导致灌区地下水水化学环境发生变化,伴随着这一变化灌区地下水水化学在演化过程中会发生突变现象。为研究灌区浅层地下水水化学突变,本文依据矿化度(TDS)及主要离子成分分布特征将灌区划分为高矿化度区、中矿化度区和低矿化度区,并对不同矿化度区地下水水化学年际、年内的演化特征进行了分析;采用突变检验方法从时间和空间两个维度对灌区地下水水化学进行了检验,分析了灌区地下水水化学在影响因素作用下的演变过程;构建了不同矿化度区的TDS与影响因素之间的尖点突变模型,模拟分析了TDS在影响因素作用下的突变条件;最后从离子浓度变化百分比角度定量阐述了不同矿化度区的TDS突变机理。得出的主要结论如下:(1)在年际变化上,1996年-2013年高矿化度区HCO、Cl、Mg浓度在枯水期和丰水期整体均呈现上升趋势;SO、Ca浓度在枯水期和丰水期整体均呈现下降趋势;Na+K浓度在枯水期整体呈现下降趋势,丰水期整体呈现上升趋势;中矿化度区HCO和Na+K在枯水期和丰水期整体变化趋势一样,均呈上升趋势。Cl、SO和Ca在枯水期和丰水期整体均呈下降趋势。Mg在枯水期和丰水期整体变化趋势平稳。低矿化度区HCO、Cl、SO、Mg和Na+K浓度在枯水期和丰水期整体均呈现上升趋势;Ca浓度在枯水期和丰水期整体均呈现下降趋势。2015年、2016年和2022年枯水期与同年丰水期相比,高矿化度区所有离子浓度值均呈现出枯水期大于丰水期的变化规律;中矿化度区HCO、Cl和Ca浓度值呈现出枯水期与丰水期差异不大,SO和Na+K浓度值呈现出枯水期小于丰水期,Mg浓度值呈现出枯水期大于丰水期的变化规律;低矿化度区所有离子浓度值均呈现出枯水期与丰水期差异不大的变化规律。在年内变化上,随枯-平-丰季节交替变化,高矿化度区Cl、SO、Ca、Mg浓度在各时期的平均值呈现的变化规律一样,均为先下降再上升;HCO和Na+K浓度平均值呈现的变化规律一样,均为持续下降。中矿化度区所有离子均受季节交替变化的影响,其中HCO所受的这种影响最显著。低矿化度区除Mg和Ca外,其余离子均受季节交替变化的影响,其中HCO所受的这种影响最显著。(2)在时间突变上,高矿化度区和低矿化度区所有离子在枯水期、丰水期均发生了突变。中矿化度区除Mg和Na+K在枯水期未发生突变外,其余离子均在枯水期、丰水期发生了突变。从发生突变时间早晚来看,不同矿化度区的SO和Ca发生突变的时间都是枯水期早于丰水期。从发生突变频次来看不同矿化度区的Ca在枯水期发生突变的频次比在丰水期发生突变的频次多。在空间突变上,HCO、Cl和Na+K在枯水期发生的空间突变比在丰水期发生的空间突变多;SO、Ca和Mg则在丰水期发生的空间突变比在枯水期发生的空间突变多。空间突变通常发生在同一时期同一方向上离子浓度梯度值变化较大的地方或从丰水期至枯水期交替变化时,离子浓度较上一个时期相比变化幅度大的地方。(3)自然影响因素(次控制变量)中选取降水量,人为影响因素(主控制变量)中选取埋深、引黄水量、化肥施用量,构建不同矿化度区的地下水TDS与自然因素和人为因素之间的尖点突变模型。结果表明:中矿化度区最先发生突变,其次是高矿化度区,最后是低矿化度区;从突变发生频次来看,最容易发生突变的是中矿化度区,其次是高矿化度区和低矿化度区。通过对不同矿化度区模拟分析后,各划分区域内,系统状态变量若发生突变,则u值在(0,0.45)范围内变化时,有几率对应v值使点(u,v)在平面区域处于尖点突变区域内,系统状态变量在控制变量制约下发生突变;当u值在(0.45,1)范围内变化时,则无论v值怎么变,点(u,v)在平面区域处于尖点突变区域外,系统状态变量在控制变量制约下很难发生突变。(4)高矿化度区TDS浓度下降过程发生突变年份的浓度变化百分比为-14.8%和-15.9%,上升过程发生突变年份的浓度变化百分比为67%;对于中矿化度区,TDS浓度在下降过程中发生突变年份的浓度变化百分比为-10.2%和-16%,上升过程中发生突变年份的浓度变化百分比为36.4%、20.4%和30.8%;对于低矿化度区,下降过程中发生突变年份的浓度变化百分比为-13.8%,上升过程发生突变年份的浓度变化百分比为34.5%和26.8%。发生突变年份TDS上升或下降百分比均分别比其它年份上升或下降的百分比大,从这个角度也验证了尖点突变模型模拟结果的正确性。
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