[发明专利]地表水‑地下水耦合模拟的计算方法

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。

主权项

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＝Pt+Wg‑Et (1)式(1)中，PEt为t时刻的净雨量；Pt为t时刻的降雨量；Wg为灌溉开采量，单位为mm；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PEt≤0，则Rt＝0 (2)当PEt＞0，若PEt+At≥WMM，则Rt＝Wt+PEt‑WM (3)当PEt＞0，若PEt+At＜WMM，则Rt＝Wt+PEt‑Wt+1 (4)Wt+1＝Wt+PEt+Egt (5)式(2)‑(5)中，Egt为t时刻的潜水蒸发量；Wt和Wt+1分为t和t+1时刻流域平均蓄水量；At为t时刻的流域单点最大蓄水量；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；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：SGt+1＝SGt‑Egt+Prt‑Wgt‑Qgt (6)式(6)中，SGt、SGt+1分别为t、t+1时刻流域平均地下水库蓄水量，Egt为t时刻的潜水蒸发量；Prt为t时刻的入渗补给量；Wgt为t时刻的灌溉开采量；Qgt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＝α(P+Wg‑E)(Wi/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，Wi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/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：由于待研究区地下水开采量主要用于农业灌溉，故根据灌溉需水量Wguan乘以一个开采系数qcai来计算灌溉开采量Wg及其变化过程；Wg＝qcai×Wguan (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Dm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。