[发明专利]地表水‑地下水耦合模拟的计算方法

权利要求书

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：

PE_t＝P_t+Wg-E_t (1)

式(1)中，PE_t为t时刻的净雨量；P_t为t时刻的降雨量；Wg为灌溉开采量，单位为mm；E_t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PE_t≤0，则R_t＝0 (2)

当PE_t＞0，若PE_t+A_t≥WMM，则R_t＝W_t+PE_t-WM (3)

当PE_t＞0，若PE_t+A_t＜WMM，则R_t＝W_t+PE_t-W_t+1 (4)

W_t+1＝W_t+PE_t+Eg_t (5)

式(2)-(5)中，Eg_t为t时刻的潜水蒸发量；W_t和W_t+1分为t和t+1时刻流域平均蓄水量；A_t为t时刻的流域单点最大蓄水量；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；

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：

SG_t+1＝SG_t-Eg_t+Pr_t-Wg_t-Qg_t (6)

式(6)中，SG_t、SG_t+1分别为t、t+1时刻流域平均地下水库蓄水量，Eg_t为t时刻的潜水蒸发量；Pr_t为t时刻的入渗补给量；Wg_t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；

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Pr_i＝α(P+Wg-E)(W_i/WMM) (7)

则在流域面上积分得到：

Pr=∫01Prida=α(P+Wg-E)(1-(1-A0WMM)b+(1-W0WM)+A0WMM(1-A0WMM)b)---(8)]]>

若P+Wg-E＜0，则Pr＝0 (9)

式(7)-(9)中，W_i为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；A₀为初始时刻单点最大蓄水量；W₀为初始时刻平均蓄水量；WM为流域最大平均蓄水容量；α，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＝eta×EP×(1-D/D_max)ⁿ (10)

式(10)中，eta为蒸发折算系数；D_max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：

由于待研究区地下水开采量主要用于农业灌溉，故根据灌溉需水量W_guan乘以一个开采系数q_cai来计算灌溉开采量Wg及其变化过程；

Wg＝q_cai×W_guan (11)

e).地下水蓄水库出流量Qg的计算方法：

Qg＝k×SG (12)

SG＝Sy×(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；

还包括地下水埋深D及地下水埋深D符合Gamma分布时基流量Qg的计算方法：

地下水埋深D空间分布服从Gamma分布：

fD(d)=αγΓ(γ)dγ-1e-αd,α>0,γ>0---(14)]]>

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Gamma分布时，流域平均地下水埋深为Gamma分布的数学期望；

D‾=E(d)=γα---(15)]]>

α=γD‾---(16)]]>

假设地下水埋深分布函数中形状系数γ不变，则α随平均地下水埋深变化而变化；

假设最大平均地下水埋深D_m时的参数为α，则某一地下水平均埋深为时，参数α0：

α0=αDm‾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：

Qg=∫0DzfD(D)Kg*Sy*(Dz-D)dD≈Σi=1m(α*DmD‾)γΓ(γ)(Dz*im)γ-1e-α*DmD‾(Dz*im)*Kg*Sy*(Dz-Dz*im)*Dzm---(18)]]>

Eg≈Σi=1m(α*DmD‾)γΓ(γ)(Dmax*im)γ-1e-α*DmD‾(Dmax*im)*eta*EP*(1-Dmax*im*Dmax)n*Dmaxm]]>(19)]]>

m代表把地下含水层分为m层，其中任意一层为用i表示；

流域汇流的计算方法为：流域径流量R一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。