基于复杂适应系统理论的山东半岛区地下水分布式优化管理模型及仿真研究

The Shandong Peninsula is first projected as national strategic district with characters of marine economy by our government. In recent year, due to over-exploitation and unreasonable use of groundwater, the district has faced a series of environmental and geological problems, for example, ground surface subsidence, ground collapse and seawater infiltration and so on. Therefore, this project will set up a mathematical model depicting the distribution of groundwater and optimizing making-decisions of using groundwater in the view of the Complex Adaptation System Theory (CAST) under the condition of economic, social and ecological benefits. After the mathematical model is established, we exploit the method of giving the solution of the model, adopt the finite element method that respectively combinates with the improved Particle swarm optimization, the artificial fish swarm algorithm, the plant growth simulation algorithm. At the same time, we will design and develop the groundwater management software on the basis of the Complex Adaptation System Theory (CAST), by which we can simulate the state of groundwater distribution in the Shandong Peninsula, and we can control and optimize the management policy of groundwater. We put forward the reasonable plan and suggest how to mining the groundwater of the Shandong Peninsula in order to make sustainable use of groundwater. The results of this research not only will extend the application field of the Complex Adaptation System Theory (CAST), but also is helpful for the management of groundwater of the Shandong Peninsula.

山东半岛是我国第一个以海洋经济为主题的国家发展战略规划区，近年来该区由于过度开发与不合理利用地下水，引发了地下水污染、地面沉降、地面塌陷和海水入渗等一系列环境地质问题。所以，本项目拟采取以复杂适应系统理论思想为指导，在考虑经济、社会和生态效益条件下，将区域地下水分布式模型和地下水优化管理模型进行耦合，建立复杂适应系统理论的地下水分布式优化管理模型，将采用改进的粒子群算法、人工鱼群算法和模拟植物生长算法分别与有限元法联合的方法对该模型进行求解，给出其求解过程，同时将设计与开发复杂适应系统理论的地下水分布式优化管理软件，利用该软件对山东半岛区地下水管理系统进行优化模拟仿真，并对仿真结果进行系统分析，将给出山东半岛区地下水的分布情况和可持续开采方案。其研究成果不仅将填补复杂适应系统理论在地下水优化管理方面的研究空白，也将填补山东半岛区地下水分布式优化管理方面的空白。

山东半岛地处于黄海、渤海之间，位于东经117°50´-122°43´，北纬35°05´-38°25´，陆地海岸线长2930km，近海岛屿约240个，总面积6.51×104km2。近年来随着山东半岛区域社会、经济的发展，对水资源的需求量越来越大，水资源利用缺乏统一规划，水资源供需矛盾突出。导致水环境恶化，生态环境质量降低，地下水水位急剧下降，出现地面沉降等现象，进而对山东半岛地下水系统进行研究具有重要的现实意义。由于山东半岛部分地区观测井和水文地质资料缺乏，本课题主要以烟台地区作为研究对象，对烟台地区的地下水系统进行了系统分析，建立了烟台地区地下水分布式模型，利用该模型对烟台地下水进行模拟仿真。其研究取得的主要成果有：. （1）对烟台地区的水文地质条件、气象条件和地下水分布特征进行了系统分析，建立了烟台地区水文地质概念模型。同时结合烟台地区的水文地质条件，建立了烟台地区地下水三维数学模型，利用Visual MODFLOW软件对烟台地下水进行模拟仿真，通过模型的识别和校验，证明所建立的数学模型和水文地质参数的确定是符合实际情况。. （2）本项目对传统的小波神经网络模型进行系统分析，将小波神经网络模型与模糊理论进行结合，建立了模糊小波神经网络，并利用该网络模型对2019-2024年烟台地区降水量、蒸发量和第一类边界条件进行预测，预测中得到2019-2024年的平均降水量为627mm，平均蒸发量为1149mm。将降水量、蒸发量和第一类边界条件的模糊小波神经网络预测模型耦合到烟台地区地下水确定性模型中，建立了烟台地区地下水分布式模型。同时以经济效益、社会效益和生态效益为目标建立烟台地区水资源优化管理模型。将烟台地区地下水分布式模型和水资源优化管理模型进行耦合，建立烟台地下水分布式优化管理模型。. （3）利用Elman小波神经网络对2019-2024年烟台地区地下水开采量进行预测，根据地下水开采量，利用地下水分布式优化管理模型对烟台地区地下水水位进行模拟仿真，根据仿真结果给出烟台地区地下水可持续开发利用对策。