专利名称：一种基于水循环的地下水数值仿真方法
技术领域：
本发明涉及一种基于水循环的地下水数值仿真方法，是一种对水文水资源的数据信息进行快速处理方法，是一种通过模拟和建立数学模型对水文资源的数据信息进行处理的方法。
背景技术：
关于地下水数值仿真技术及其系统，目前技术主要有以下几种。一种是单纯的地下水数值仿真技术及系统，仅仿真地下水自身循环过程，不考虑地下水循环与外部水分循环条件的信息交互与相互影响。此类仿真技术及系统很多，代表仿真技术及相关系统有 Visual Modflow, FEFLOff, Visual Groundwater等等。二是文件交换形式的水循环模拟与地下水数值仿真技术耦合方法。先用水循环模拟计算出地下水数值仿真所需的前期数据信息，再将数据信息处理成符合地下水数值仿真要求的数据文件格式，最后地下水数值仿真系统读入上述数据文件完成仿真过程。该技术属于松散数据耦合式的解决方案。三是网格式交互的水循环模拟与地下水数值仿真技术方法，这类技术方法代表有MIKE-SHE、IGSM、 MODHMS等。主要技术关键是将水循环模拟时的网格单元与地下水数值仿真时的网格单元构成严格的一一对应关系，通过每个网格单元内数据的同步交互，可实现水循环模拟与地下水数值仿真的统一。该技术方案是目前本领域内相对较为先进的代表技术。以上三种现存的地下水数值仿真技术都不同程度存在若干不足。对于单纯的地下水数值仿真技术及系统，缺陷源于仅从地下水自身循环的观点看待地下水，基本上不考虑地下水与土壤水、地表水之间水分转化的相互影响效应，造成一些地下水仿真所需的关键数据，如降水入渗补给量、灌溉渗漏量补给量、河道渗漏补给量等， 只能在地下水数值仿真系统外部显式输入。在较小时空尺度地下水数值仿真分析时，如提防渗流、矿井疏干排水、地下水水源地评价等，由于这些补给量数据在地下水流动循环中不占主导地位，因此对仿真可靠度的影响较小。但在地下水数值仿真的空间尺度较大(如区域或流域)、仿真期较长(如多年状况)时，这些数据是地下水流动循环的主要通量，此时数据的合理性和精度是影响地下水数值仿真可靠性的重要因素。由于下垫面条件和地表岩性参数的复杂性、气象变化和人类活动等因素的影响，直接确定这些数据十分困难，精度也难以保证。由于单纯地下水数值仿真技术在大尺度地下水问题应用上的不足，现有技术中发展了文件交换形式的水循环模拟与地下水数值仿真技术耦合方法，试图改善这一应用问题。该方法既有优点也有缺点。优点在于通过水循环模拟将土壤水、地表水对地下水的动态影响纳入到地下水数值仿真过程中，是对原技术方法的改进和拓展；同时由于仅是水循环模拟系统与地下水数值仿真系统之间文件交换形式的松散耦合，该技术方法的灵活性较大，也比较容易实现。可以选取不同复杂程度的水循环模拟系统与地下水数值仿真系统进行配合，只需要将水循环模拟系统的输出按地下水数值仿真系统的输入要求改造成相应的文件格式即可。同时地下水数值仿真系统也可以选用不同的方案，如有限差分形式、有限元形式等。缺点在于若研究的地下水问题较为复杂，时间步长要求较小，则交换文件有可能十分庞大，一方面提高了对计算系统存储容量的要求，另一方面庞大的交换文件也会引起传输之间的不便，同时文件交换还会显著影响地下水数值仿真的工作效率。另外一个本质的不足是，通常这种技术方法只能实现从水循环模拟到地下水数值仿真的单向数据信息传递，地下水数值仿真的数据信息无法同步反馈到水循环模拟过程中实现双向作用过程。水循环模拟系统的优势在于可以模拟大气水-土壤水-地表水-地下水的一体化过程，但地下水循环部分多数以均衡模式(水桶模式)处理，缺乏模拟地下水侧向流动过程的能力，而这正是地下水数值仿真系统的优势。若能将地下水数值仿真系统的输出同步反馈到水循环模拟系统，则可以改善水循环模拟的精度，进而其输出又可提高地下水数值仿真可靠度和效果，真正实现两个系统之间的优势互补。但文件交换形式的水循环模拟与地下水数值仿真技术稱合方法从技术上讲很难实现双向反馈，因此虽然对流域/区域尺度地下水数值仿真有一定改善，但程度有限。网格式交互的水循环模拟与地下水数值仿真技术方法正是针对以上文件交换形式方法的不足而提出的。这种方法将水循环模拟与地下水数值仿真融为一个系统，无需数据文件的交换，所有数据信息的传递在内存中进行。同时最重要的是在网格单元的基础上实现了水循环模拟和地下水数值仿真过程的统一，具有真实的双向数据信息反馈，因此该技术方法相对而言比较先进。目前的主要不足在于两方面，一是对水循环模拟和地下水数值仿真技术方法的要求比较严格，如两者都必须基于矩形网格，而且必须共享同一网格单元剖分。问题在于网格单元尺度太大时水循环模拟将产生明显的尺度效应，影响模拟精度， 应用过程中需要将网格单元控制在较小尺度范围内。对于面积较大的流域或区域，建模时网格单元的规模将十分庞大，导致运行十分耗时，这样对硬件系统的存储能力和计算能力要求都很高。同时由于网格单元是地下水数值仿真系统和水循环模拟系统共享的，庞大的网格单元规模也会严重影响地下水数值仿真系统的运行效率。二是基于网格单元的水循环模拟系统虽然物理机制较强，但一般结构都比较复杂、需要大量参数和数据支撑，专业性很强，不易被一般用户掌握。基于以上原因，网格式交互的水循环模拟与地下水数值仿真技术方法虽然比较先进，但仍然只适合在较小尺度的流域/区域上应用，同时不易推广。
发明内容
为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种新的基于水循环模拟的地下水数值仿真方法，所述的方法具有在大空间尺度流域/区域和长仿真期条件下应用的能力，并具有进行水循环模拟与地下水数值仿真过程的双向反馈能力，在保证精度的基础上具有较高的运行效率。本发明的目的是这样实现的一种基于水循环模拟的地下水数值仿真方法，所述方法的步骤如下
建立水循环模拟系统的步骤用于采用基于子流域空间离散模型的水循环模拟方法， 以确定区域范围内地下水的垂向循环通量的时空分布，从而产生地下水数值仿真需求的数据信息，包括降水入渗补给量、河道/水库/湿地/渠系等地表水体渗漏补给量、井灌回归补给量、地下水基流量、潜水蒸发量、地下水开采量；
建立地下水数值仿真系统的步骤用于采用基于矩形网格单元空间离散技术的地下水数值仿真系统，模拟地下水在研究区域内的侧向流动，其仿真原理基于以下三维地下水动力学方程
权利要求
1.一种基于水循环模拟的大尺度地下水数值仿真方法，其特征在于所述方法的步骤如下建立水循环模拟系统的步骤用于采用基于子流域空间离散技术的水循环模拟系统，以确定区域范围内地下水的垂向循环通量的时空分布，从而产生地下水数值仿真需求的数据信息，包括降水入渗补给量、河道/水库/湿地/渠系地表水体渗漏补给量、井灌回归补给量、地下水基流量、潜水蒸发量、地下水开采量；建立地下水数值仿真系统的步骤用于采用基于矩形网格单元空间离散技术的地下水数值仿真系统，模拟地下水在研究区域内的侧向流动，其仿真原理基于以下三维地下水动力学方程3 (dh ) 3 {^ dh\ d f vjr dh) ^—Κ^·~ +— Kmf-一 +— Ksz-—W =Ss-(1)dx \ dx J dy\dz \ & /ft其中 和为渗透系数在X，Y和Z方向上的分量φ为水头为单位体积流量，用以代表来自源汇处的水量为孔隙介质的贮水率；I为时间，使用网格单元划分法对被模拟区域进行空间划分后，对被模拟区域进行数学模拟；进行水循环模拟系统与地下水数值仿真系统空间嵌套处理的步骤用于在水循环模拟系统所划分的子流域与地下水数值仿真系统所划分的网格单元之间建立空间关联；空间嵌套处理将为水循环模拟系统和地下水数值仿真系统在同步耦合过程中的双向数据信息交互提供基础；水循环模拟系统与地下水数值仿真系统融合的步骤用于以日尺度为时间步长，通过水循环模拟方法和地下水数值仿真系统在每个时间步长内的双向信息交互，构成两者之间的同步耦合；所述的“同步耦合”指在同一个时间步长内，两个系统完成信息之间的交互反馈；时间步长是进行模拟或仿真时的时间片段，整个模拟期由多个时间步长组成，对每个时间步长两个系统均进行同步耦合，直至模拟结束；所述的“双向信息交互”是以水循环模拟过程中使用的子流域和地下水数值仿真系统中使用的格单元之间的空间嵌套处理作为交互基础；双向信息交互内容包括两方面一是水循环模拟系统得出的垂向循环通量时空分布信息传递给地下水数值仿真系统，提供地下水仿真所需的源汇处的水量，垂向循环通量时空分布信息包括降水入渗补给量、河道渗漏补给量、水库渗漏补给量、渠系输水过程渗漏补给量、井灌回归补给量、地下水基流量、潜水蒸发量、地下水开采量；二是地下水数值仿真系统得出的地下水位和地下水埋深的信息传递给水循环模拟系统，辅助水循环模拟系统计算地下水与地表水、土壤水之间的转化量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“空间嵌套处理”包括以下子步骤空间嵌套处理过程为确定子流域与网格单元的空间联系，使用通用地理信息系统工具对水循环模拟系统划分的多个子流域与地下水数值仿真系统划分的多个网格单元进行空间上的叠加，从而得出模拟区域中各子流域与各网格单元的从属关系；确定各网格单元在各子流域中所占的面积比例，即若编号为^ //的网格单元与编号为JSubb的子流域在空间上有叠加关系，且两者之间的叠加面积为Ac平,，而βΜ 子流域的面积为為^ ,则^CWi网格单元占J彻ω子流域的面积比例为若网格单元与子流域在空间上没有叠加关系，则A^mjwj = 0。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的“同步耦合”包括以下子过程步骤在一个时间步长内，水循环模拟系统先完成该时间步长的水循环模拟，并计算各子流域内地下水循环的各项通量，其中与地下水有关的垂向循环通量包括降水入渗补给量、河道/水库/湿地/渠系地表水体渗漏补给量、井灌回归补给量、基流排泄量、潜水蒸发量、地下水开采量；即pJ^m = Pr + Pw+Pi(3)Dfi, =de+di+d￥(4)其中为某子流域的地下水垂向补给通量总和(L^T)为子流域的编号;Pr、Pw、Pi分别为该子流域的降水入渗量、河道/水库/湿地/渠系地表水体渗漏量和灌溉渗漏量(L3T-1) -,D释为该子流域的地下水排泄通量总和(Ll·1)-人、ds為分别为该子流域的潜水蒸发量、基流排泄量和地下水开采量(L3T-1)；水循环模拟系统将与地下水有关的垂向循环通量信息传递给地下水数值仿真系统，这通过子流域与网格单元的从属关系和面积比例关系进行，各地下水网格单元所获得的源汇量强度大小可由下式确定，即(6)其中i^M为编号为:CWi的网格单元获得的源汇量强度(L3T-1) 为模拟空间内子流域的个数-’β·为子流域的编号；PA^sm为编号为iCM!的网格单元占编号为J怨ω的子流域的面积比例(-)，其他符号意义同前；地下水数值仿真系统获得了该时间步长内所需的全部源汇量信息，即公式α)中r项(代表来自源汇处的水量)已经可以确定，因此完成本时间步长的仿真过程并更新所有网格单元的地下水位；地下水数值仿真系统将地下水位信息传递给水循环模拟系统；在水循环模拟系统获得来自地下水数值仿真系统在该时段内的信息后，将通过面积加权法更新各子流域的平均地下水位和地下水埋深，本步骤也通过子流域-网格单元空间嵌套关系和面积比例关系进行，即其中为编号为JSubb的子流域的平均地下水位(V), DjMM为编号为JSubb的子流域的平均地下埋深(Z) -Acei为编号为忙说的网格单元的地下水位；ΓοΜ/为模拟空间内网格单元的总个数；其他符号意义同前；本时间步长内的同步耦合过程结束，进入下一时间步长；在下一个时间步长，水循环模拟系统将用上一个时间步长所更新的地下水位和地下水埋深作为基础进行水循环模拟；重复以上步骤直至所有的时间步长完成，从而结束整个模拟期。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的网格单元划分方式是有限差分法、有限元法、有限体积法中的一种。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的有限差分法的差分方式是单元中心格式和节点中心格式中的一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的基于子流域空间离散技术的水循环模拟系统是SWAT水循环模拟系统、新安江水循环模拟系统、HSPF水循环模拟系统中的一种。
全文摘要
本发明涉及一种基于水循环模拟的地下水数值仿真方法，所述方法的步骤如下建立水循环模拟系统的步骤；建立地下水数值仿真系统的步骤；以日尺度为时间步长，通过水循环模拟方法和地下水数值仿真系统在时间步长内的双向信息交互，构成两者之间的同步耦合，从而形成能够适合大尺度地下水数值仿真应用的解决方案。本发明利用基于子流域空间离散的水循环模拟，实现了在大空间尺度流域或区域和长仿真期条件下应用的能力。本发明使用有限差分法，使水循环模拟与地下水数值仿真过程具有双向反馈的能力。本发明还利用网格单元与子流域的面积直接叠加的方式，提高了数据处理运行效率。本发明所述方法技术方法通用，易于推广应用。
文档编号G06F19/00GK102567634SQ20111043787
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月23日 优先权日2011年12月23日
发明者王浩, 秦大庸, 陆垂裕 申请人:中国水利水电科学研究院