地表水-地下水耦合模拟的计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种地表水-地下水耦合模拟的计算方法，尤其涉及一种改进了流域 水文模型的地表水-地下水耦合模拟的计算方法。
【背景技术】
[0002] 在极易形成暴雨，降水量年际变化很大的地区，流域主要是雨洪径流，在多雨年 份，汛期雨量集中，洪水暴涨暴落，极易造成灾害；还有，不同地貌对地下水的利用情况也不 同。
[0003] 本发明为研宄地下水开采以及地下水位下降对蒸发和径流的影响，针对淮河流域 降雨-径流关系、径流和基流与地下水位关系，以及地下水位时空变化的统计特征，本发明 改进了流域水文模型，建立考虑地下水埋深统计分布特征的降水入渗补给量、潜水蒸发量 计算方法以及河川径流量与地下水埋深的计算方法，实现了不同灌溉开采量影响下的地下 水位动态变化模拟，以及流域降雨-径流响应分析，并为研宄地下水位变化对地表水-地下 水转化影响提供了研宄方法。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，将产流概化为径流量，提供一种流域产流的计算 方法，揭示了降雨-径流关系；进一步地，本发明提供一种地下水蓄水库演算方法及基流量 Qg的计算方法，揭示了径流和基流与地下水位关系，建立了考虑地下水埋深统计分布特征 的降水入渗补给量、潜水蒸发量计算方法以及河川径流量的计算方法，实现了不同灌溉开 采量影响下的地下水位动态变化模拟；更进一步地，本发明提供一种地下水埋深D及地下 水埋深D符合Ga_a分布时基流量Qg的计算方法，揭示了地下水位时空变化的统计特征， 建立了地下水埋深的计算方法；更进一步地，本发明提供一种流域汇流的计算方法，通过构 建适用于各子流域以及嵌套子流域地表水与地下水耦合的水文模型，研宄不同土地利用条 件下地下水动态变化及其对降雨-径流过程响应的影响。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
[0006] 地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：包括产流的计算方法：产流即 为径流量R，采用指数型蓄水容量曲线进行计算：
[0007] PEt= P t+ffg-Et (1)
[0008] 式（1)中，PE为净雨量；PE# t时刻的净雨量；P为时段降雨量；Pt为t时刻的降 雨量；Wg为灌溉开采量，单位为mm ;E为土壤蒸发量，采用三层蒸发模式；Et为t时刻的土壤 蒸发量；
[0009] 一般灌溉开采量Wg不产流，但部分回归地下水；
[0010] 当 PEtS 0,则 Rt=O (2)
[0011] 当 PEt> 0,若 PE t+At彡 WMM，则 Rt= Wt+PEt-WM (3)
[0012] 当 PEt > 0，若 PE t+At < WMM，则 R t = W t+PEt-Wt+1 (4)
[0013] Wt+1= W t+PEt+Egt (5)
[0014] 式（2)-(5)中，Eg为潜水蒸发量；EgtSt时刻的潜水蒸发量；W ,和W t+1分为t和 t+Ι时刻流域平均蓄水量;A为流域单点最大蓄水量，\为t时刻的流域单点最大蓄水量；R 为径流量；Rt为t时刻的径流量;WMM为流域单点最大蓄水容量，WM为流域最大平均蓄水容 量；
[0015] 所述流域单点即为流域单元，即将所述流域划分为若干流域单点。
[0016] 还包括地下水蓄水库演算方法及基流量Qg的计算方法：
[0017] a).含水层水平衡及补排项计算方法：
[0018] 当浅层含水层概化为地下水蓄水库，其水量平衡公式为：
[0019] SGt+1= SGt-Egt+Prt-Wgt-Qgt (6)
[0020] 式（6)中，SGt、SGt+^别为t、t+l时刻流域平均地下水库蓄水量，Eg#t时刻的 潜水蒸发量；Pr tS t时刻的入渗补给量;Wg ,为t时刻的灌溉开采量；Qg t为地下水蓄水库 t时刻的出流量，即基流量；
[0021] b) ·入渗补给量Pr的计算方法：
[0022] 流域内某一点地下水埋深为D时，径流量R进入地下水蓄水库的入渗补给量Pr用 下列经验公式计算。
[0023] 若P+Wg-E > 0,假设单元i入渗补给量与土壤含水量成正比，
[0024] 即 Pri= a (P+Wg-E) (WiZWMM) (7)
[0025] 则在流域面上积分得到：
[0026]
【主权项】
1. 地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：包括产流的计算方法：产流即为 径流量R，采用指数型蓄水容量曲线进行计算： PEt= P t+ffg-Et (1) 式⑴中，PE为净雨量；PEtS t时刻的净雨量；P为时段降雨量；P t为t时刻的降雨量； Wg为灌溉开采量，单位为mm ;E为土壤蒸发量，采用三层蒸发模式；Et为t时刻的土壤蒸发 量； 一般灌溉开采量Wg不产流，但部分回归地下水； 当 PEtS 0,则 Rt= O (2) 当 PEt > 0，若 PE t+At 彡 WMM，则 R t = W t+PEt-WM (3) 当 PEt > 0，若 PE t+At < WMM，则 R t = W t+PEt-Wt+1 (4) fft+1=fft+PEt+Egt (5) 式（2) - (5)中，Eg为潜水蒸发量；Eg# t时刻的潜水蒸发量;W ,和W t+1分为t和t+1 时刻流域平均蓄水量;A为流域单点最大蓄水量，AtSt时刻的流域单点最大蓄水量；R为径 流量；R t为t时刻的径流量;WMM为流域单点最大蓄水容量，WM为流域最大平均蓄水容量； 所述流域单点即为流域单元，即将所述流域划分为若干流域单点。
2. 根据权利要求1所述的地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：还包括 地下水蓄水库演算方法及基流量Qg的计算方法： a) .含水层水平衡及补排项计算方法： 当浅层含水层概化为地下水蓄水库，其水量平衡公式为： SGt+1=SG t-Egt+Prt-ffgt-Qgt (6) 式（6)中，SGt、SGt+1分别为t、t+l时刻流域平均地下水库蓄水量，Eg# t时刻的潜水 蒸发量；PrtS t时刻的入渗补给量；Wg t时刻的灌溉开米量；Qg t为地下水蓄水库t时 刻的出流量，即基流量； b) .入渗补给量Pr的计算方法： 流域内某一点地下水埋深为D时，径流量R进入地下水蓄水库的入渗补给量Pr用下列 经验公式计算。 若P+Wg-E > 0,假设单元i入渗补给量与土壤含水量成正比， 即 Pri= a (P+Wg-E) (WiZWMM) (7) 则在流域面上积分得到：
若 P+Wg-E < 0,则 Pr = 0 (9) 式（7)-(9)中，WiS fi/F部分流域的蓄水量，其中fi为土壤蓄水饱和时的面积，F为 流域总面积；Atl为初始时刻单点最大蓄水量；W ^为初始时刻平均蓄水量;WM为流域最大平 均蓄水容量；a，b均为参数； 将每一个流域单点再划分为若干单元，单元i为若干单元中的任意一个； c) .潜水蒸发量Eg的计算方法： Eg = etaXEPX (1-D/Dmax)n (10) 式（10)中，eta为蒸发折算系数；Dmax为潜水蒸发极限埋深；EP为同气温条件下水面蒸 发量；D为流域内某一点地下水埋深； d) .地下水灌溉开采量Wg的估算方法： 由于待研宄区地下水开采量主要用于农业灌溉，故根据灌溉需水量Wpjan乘以一个开采 系数qMi来计算灌溉开采量Wg及其变化过程； Wg = QcaiXWg腿（11) e) .地下水蓄水库出流量Qg的计算方法： Qg = kXSG (12) SG = SyX (Dz-D) (13) 式（12)-(13)中，Sy为给水度；Dz为基流量接近于0时的埋深，相当于河流切割深度， Dz的取值范围在2~4m之间；SG为流域平均地下水库蓄水量；k为渗透系数。
3.根据权利要求2所述的地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：还包括 地下水埋深D及地下水埋深D符合Ga_a分布时基流量Qg的计算方法： 地下水埋深D空间分布服从Ga_a分布：
式（14)中，Γ (γ)为Gamma函数；α和γ为参数，γ为形状系数；d代表含水层厚 度； 当地下水埋深D服从Ga_a分布时，流域平均地下水埋深为Ga_a分布的数学期望； D = E{d) = ^ ? (15) a = ^ D (16) 假设地下水埋深分布函数中形状系数γ不变，则α随平均地下水埋深万变化而变 化； 假设最大平均地下水埋深Dm时的参数为α，则某一地下水平均埋深为万时，参数CXtl: OCn 二 α^~ D (17) 地下水埋深服从Gamma分布时，基流量Qg、潜水蒸发量Eg的计算方法如下：
m代表把地下含水层分为m层，其中任意一层为用i表示。
4. 根据权利要求3所述的地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：流域汇 流的计算方法为：流域径流量R-部分进入地下水蓄水库，再按式（18)排泄至河道；另一 部分按自由蓄水库曲线划分为地表径流Rs和壤中流Ri ;地表径流Rs直接进入河道，壤中 流Ri经过线性水库调蓄进入河道；三者汇入河道后经过马斯京根汇流流到出口断面。
5. 根据权利要求4所述的地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：待研宄 区的流域中，下游流域多为与上游流域相嵌套的流域，上游流域与下游流域衔接的出口即 为出口断面；因此这些河道水流演算需要考虑上游出口断面入流以及傍测入流的演算过 程；上游流域模拟的出流量作为下游流域的入流量，再考虑下游流域产汇流进行连续演算； 所述出流量即为径流量R。
6. 根据权利要求5所述的地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：傍测入 流即河流与地下水交换量，包括潜水蒸发量Eg、灌溉开采量Wg和入渗补给量Pr。
7. 根据权利要求3所述的地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：水文气 象实测资料的测量时间间隔为逐日；在模拟的逐日径流量基础上，统计逐月径流量作为目 标函数；模拟了各流域每5日平均地下水埋深。
【专利摘要】本发明公开了一种地表水-地下水耦合模拟的计算方法，其特征在于：包括产流的计算方法：产流即为径流量R，采用指数型蓄水容量曲线进行计算；还包括地下水蓄水库演算方法及基流量Qg的计算方法，地下水埋深D及地下水埋深D符合Gamma分布时基流量Qg的计算方法和流域汇流的计算方法。本发明提供的一种地表水-地下水耦合模拟的计算方法，改进了流域水文模型，建立考虑地下水埋深统计分布特征的降水入渗补给量、潜水蒸发量计算方法以及河川径流量与地下水埋深的计算方法，实现了不同灌溉开采量影响下的地下水位动态变化模拟，以及流域降雨-径流响应分析，并为研究地下水位变化对地表-地下水转化影响提供了研究方法。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104732073
【申请号】CN201510096938
【发明人】陈喜, 宋琪峰, 张志才, 朱泽
【申请人】河海大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月4日