地表水-地下水耦合模擬的計算方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種地表水-地下水耦合模擬的計算方法，尤其涉及一種改進了流域 水文模型的地表水-地下水耦合模擬的計算方法。
【背景技術】
[0002] 在極易形成暴雨，降水量年際變化很大的地區(qū)，流域主要是雨洪徑流，在多雨年 份，汛期雨量集中，洪水暴漲暴落，極易造成災害；還有，不同地貌對地下水的利用情況也不 同。
[0003] 本發(fā)明為研宄地下水開采以及地下水位下降對蒸發(fā)和徑流的影響，針對淮河流域 降雨-徑流關系、徑流和基流與地下水位關系，以及地下水位時空變化的統(tǒng)計特征，本發(fā)明 改進了流域水文模型，建立考慮地下水埋深統(tǒng)計分布特征的降水入滲補給量、潛水蒸發(fā)量 計算方法以及河川徑流量與地下水埋深的計算方法，實現(xiàn)了不同灌溉開采量影響下的地下 水位動態(tài)變化模擬，以及流域降雨-徑流響應分析，并為研宄地下水位變化對地表水-地下 水轉化影響提供了研宄方法。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術問題是，將產流概化為徑流量，提供一種流域產流的計算 方法，揭示了降雨-徑流關系；進一步地，本發(fā)明提供一種地下水蓄水庫演算方法及基流量 Qg的計算方法，揭示了徑流和基流與地下水位關系，建立了考慮地下水埋深統(tǒng)計分布特征 的降水入滲補給量、潛水蒸發(fā)量計算方法以及河川徑流量的計算方法，實現(xiàn)了不同灌溉開 采量影響下的地下水位動態(tài)變化模擬；更進一步地，本發(fā)明提供一種地下水埋深D及地下 水埋深D符合Ga_a分布時基流量Qg的計算方法，揭示了地下水位時空變化的統(tǒng)計特征， 建立了地下水埋深的計算方法；更進一步地，本發(fā)明提供一種流域匯流的計算方法，通過構 建適用于各子流域以及嵌套子流域地表水與地下水耦合的水文模型，研宄不同土地利用條 件下地下水動態(tài)變化及其對降雨-徑流過程響應的影響。
[0005] 為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案為：
[0006] 地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：包括產流的計算方法：產流即 為徑流量R，采用指數(shù)型蓄水容量曲線進行計算：
[0007] PEt= P t+ffg-Et (1)
[0008] 式（1)中，PE為凈雨量；PE# t時刻的凈雨量；P為時段降雨量；Pt為t時刻的降 雨量；Wg為灌溉開采量，單位為mm ;E為土壤蒸發(fā)量，采用三層蒸發(fā)模式；Et為t時刻的土壤 蒸發(fā)量；
[0009] 一般灌溉開采量Wg不產流，但部分回歸地下水；
[0010] 當 PEtS 0,則 Rt=O (2)
[0011] 當 PEt> 0,若 PE t+At彡 WMM，則 Rt= Wt+PEt-WM (3)
[0012] 當 PEt > 0，若 PE t+At < WMM，則 R t = W t+PEt-Wt+1 (4)
[0013] Wt+1= W t+PEt+Egt (5)
[0014] 式（2)-(5)中，Eg為潛水蒸發(fā)量；EgtSt時刻的潛水蒸發(fā)量；W ,和W t+1分為t和 t+Ι時刻流域平均蓄水量;A為流域單點最大蓄水量，\為t時刻的流域單點最大蓄水量；R 為徑流量；Rt為t時刻的徑流量;WMM為流域單點最大蓄水容量，WM為流域最大平均蓄水容 量；
[0015] 所述流域單點即為流域單元，即將所述流域劃分為若干流域單點。
[0016] 還包括地下水蓄水庫演算方法及基流量Qg的計算方法：
[0017] a).含水層水平衡及補排項計算方法：
[0018] 當淺層含水層概化為地下水蓄水庫，其水量平衡公式為：
[0019] SGt+1= SGt-Egt+Prt-Wgt-Qgt (6)
[0020] 式（6)中，SGt、SGt+^別為t、t+l時刻流域平均地下水庫蓄水量，Eg#t時刻的 潛水蒸發(fā)量；Pr tS t時刻的入滲補給量;Wg ,為t時刻的灌溉開采量；Qg t為地下水蓄水庫 t時刻的出流量，即基流量；
[0021] b) ·入滲補給量Pr的計算方法：
[0022] 流域內某一點地下水埋深為D時，徑流量R進入地下水蓄水庫的入滲補給量Pr用 下列經驗公式計算。
[0023] 若P+Wg-E > 0,假設單元i入滲補給量與土壤含水量成正比，
[0024] 即 Pri= a (P+Wg-E) (WiZWMM) (7)
[0025] 則在流域面上積分得到：
[0026]
【主權項】
1. 地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：包括產流的計算方法：產流即為 徑流量R，采用指數(shù)型蓄水容量曲線進行計算： PEt= P t+ffg-Et (1) 式⑴中，PE為凈雨量；PEtS t時刻的凈雨量；P為時段降雨量；P t為t時刻的降雨量； Wg為灌溉開采量，單位為mm ;E為土壤蒸發(fā)量，采用三層蒸發(fā)模式；Et為t時刻的土壤蒸發(fā) 量； 一般灌溉開采量Wg不產流，但部分回歸地下水； 當 PEtS 0,則 Rt= O (2) 當 PEt > 0，若 PE t+At 彡 WMM，則 R t = W t+PEt-WM (3) 當 PEt > 0，若 PE t+At < WMM，則 R t = W t+PEt-Wt+1 (4) fft+1=fft+PEt+Egt (5) 式（2) - (5)中，Eg為潛水蒸發(fā)量；Eg# t時刻的潛水蒸發(fā)量;W ,和W t+1分為t和t+1 時刻流域平均蓄水量;A為流域單點最大蓄水量，AtSt時刻的流域單點最大蓄水量；R為徑 流量；R t為t時刻的徑流量;WMM為流域單點最大蓄水容量，WM為流域最大平均蓄水容量； 所述流域單點即為流域單元，即將所述流域劃分為若干流域單點。
2. 根據(jù)權利要求1所述的地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：還包括 地下水蓄水庫演算方法及基流量Qg的計算方法： a) .含水層水平衡及補排項計算方法： 當淺層含水層概化為地下水蓄水庫，其水量平衡公式為： SGt+1=SG t-Egt+Prt-ffgt-Qgt (6) 式（6)中，SGt、SGt+1分別為t、t+l時刻流域平均地下水庫蓄水量，Eg# t時刻的潛水 蒸發(fā)量；PrtS t時刻的入滲補給量；Wg t時刻的灌溉開米量；Qg t為地下水蓄水庫t時 刻的出流量，即基流量； b) .入滲補給量Pr的計算方法： 流域內某一點地下水埋深為D時，徑流量R進入地下水蓄水庫的入滲補給量Pr用下列 經驗公式計算。 若P+Wg-E > 0,假設單元i入滲補給量與土壤含水量成正比， 即 Pri= a (P+Wg-E) (WiZWMM) (7) 則在流域面上積分得到：
若 P+Wg-E < 0,則 Pr = 0 (9) 式（7)-(9)中，WiS fi/F部分流域的蓄水量，其中fi為土壤蓄水飽和時的面積，F(xiàn)為 流域總面積；Atl為初始時刻單點最大蓄水量；W ^為初始時刻平均蓄水量;WM為流域最大平 均蓄水容量；a，b均為參數(shù)； 將每一個流域單點再劃分為若干單元，單元i為若干單元中的任意一個； c) .潛水蒸發(fā)量Eg的計算方法： Eg = etaXEPX (1-D/Dmax)n (10) 式（10)中，eta為蒸發(fā)折算系數(shù)；Dmax為潛水蒸發(fā)極限埋深；EP為同氣溫條件下水面蒸 發(fā)量；D為流域內某一點地下水埋深； d) .地下水灌溉開采量Wg的估算方法： 由于待研宄區(qū)地下水開采量主要用于農業(yè)灌溉，故根據(jù)灌溉需水量Wpjan乘以一個開采 系數(shù)qMi來計算灌溉開采量Wg及其變化過程； Wg = QcaiXWg腿（11) e) .地下水蓄水庫出流量Qg的計算方法： Qg = kXSG (12) SG = SyX (Dz-D) (13) 式（12)-(13)中，Sy為給水度；Dz為基流量接近于0時的埋深，相當于河流切割深度， Dz的取值范圍在2~4m之間；SG為流域平均地下水庫蓄水量；k為滲透系數(shù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：還包括 地下水埋深D及地下水埋深D符合Ga_a分布時基流量Qg的計算方法： 地下水埋深D空間分布服從Ga_a分布：
式（14)中，Γ (γ)為Gamma函數(shù)；α和γ為參數(shù)，γ為形狀系數(shù)；d代表含水層厚 度； 當?shù)叵滤裆頓服從Ga_a分布時，流域平均地下水埋深為Ga_a分布的數(shù)學期望； D = E{d) = ^ ? (15) a = ^ D (16) 假設地下水埋深分布函數(shù)中形狀系數(shù)γ不變，則α隨平均地下水埋深萬變化而變 化； 假設最大平均地下水埋深Dm時的參數(shù)為α，則某一地下水平均埋深為萬時，參數(shù)CXtl: OCn 二 α^~ D (17) 地下水埋深服從Gamma分布時，基流量Qg、潛水蒸發(fā)量Eg的計算方法如下：
m代表把地下含水層分為m層，其中任意一層為用i表示。
4. 根據(jù)權利要求3所述的地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：流域匯 流的計算方法為：流域徑流量R-部分進入地下水蓄水庫，再按式（18)排泄至河道；另一 部分按自由蓄水庫曲線劃分為地表徑流Rs和壤中流Ri ;地表徑流Rs直接進入河道，壤中 流Ri經過線性水庫調蓄進入河道；三者匯入河道后經過馬斯京根匯流流到出口斷面。
5. 根據(jù)權利要求4所述的地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：待研宄 區(qū)的流域中，下游流域多為與上游流域相嵌套的流域，上游流域與下游流域銜接的出口即 為出口斷面；因此這些河道水流演算需要考慮上游出口斷面入流以及傍測入流的演算過 程；上游流域模擬的出流量作為下游流域的入流量，再考慮下游流域產匯流進行連續(xù)演算； 所述出流量即為徑流量R。
6. 根據(jù)權利要求5所述的地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：傍測入 流即河流與地下水交換量，包括潛水蒸發(fā)量Eg、灌溉開采量Wg和入滲補給量Pr。
7. 根據(jù)權利要求3所述的地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：水文氣 象實測資料的測量時間間隔為逐日；在模擬的逐日徑流量基礎上，統(tǒng)計逐月徑流量作為目 標函數(shù)；模擬了各流域每5日平均地下水埋深。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地表水-地下水耦合模擬的計算方法，其特征在于：包括產流的計算方法：產流即為徑流量R，采用指數(shù)型蓄水容量曲線進行計算；還包括地下水蓄水庫演算方法及基流量Qg的計算方法，地下水埋深D及地下水埋深D符合Gamma分布時基流量Qg的計算方法和流域匯流的計算方法。本發(fā)明提供的一種地表水-地下水耦合模擬的計算方法，改進了流域水文模型，建立考慮地下水埋深統(tǒng)計分布特征的降水入滲補給量、潛水蒸發(fā)量計算方法以及河川徑流量與地下水埋深的計算方法，實現(xiàn)了不同灌溉開采量影響下的地下水位動態(tài)變化模擬，以及流域降雨-徑流響應分析，并為研究地下水位變化對地表-地下水轉化影響提供了研究方法。
【IPC分類】G06F19-00
【公開號】CN104732073
【申請?zhí)枴緾N201510096938
【發(fā)明人】陳喜, 宋琪峰, 張志才, 朱澤
【申請人】河海大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月4日