一种湖泊水资源量评估与预测方法技术

本发明专利技术公开了一种湖泊水资源量评估与预测方法。本方法先通过地表‑地下水联合模拟得到湖泊的各水量平衡项，进而对湖泊水量进行评估；然后结合不同气候变化情景下气候模式输出结果对未来情景下的湖泊水量进行预测。本方法相对于传统方法具有投资少，精度高，物理机制强的特点。

A Method for Assessment and Forecast of Lake Water Resources

The invention discloses a method for evaluating and predicting the amount of lake water resources. This method firstly obtains the water balance terms of lakes through the combined simulation of surface and groundwater, and then evaluates the water quantity of lakes, and then forecasts the water quantity of lakes under future scenarios based on the output results of climate models under different climate change scenarios. Compared with traditional methods, this method has the characteristics of less investment, high precision and strong physical mechanism.

【技术实现步骤摘要】
一种湖泊水资源量评估与预测方法
本专利技术属于水资源评价领域，是一种通过模型的手段来评估和预测湖泊水资源量的方法。
技术介绍
湖泊是陆地上分布最广泛的水体之一，是陆地水圈的重要组成部分，与自然界水循环密切相关。作为与人类生存和发展密切相关的自然资源，湖泊在调节区域气候、城乡供水、改善生态环境、保护生物多样性、农用灌溉、观光旅游、航运交通、发电养殖等方面发挥着重要作用。湖泊资源的核心是水资源，它是维持湖泊生态系统稳定和健康发展的物质基础，因此合理评估和预测湖泊水资源量具有重要意义。湖泊水量随其补给量和排泄量的变化而动态变化。湖泊的水量补给项一般包括水面降水、外部河道汇入以及周围含水层补给等；排泄项一般包括水面蒸发、湖底渗漏、下游河道排泄以及人工取用水等。现有的湖泊水资源量评估方法主要包括传统法和遥感法。传统法主要是通过水文站观测数据和现场实验评估得到各项补给和排泄项的值，然后对湖泊水量进行评估计算，这种方法不仅对资料的要求较高，同时耗费大量的人力物力，也很难对大区域多湖泊的水量进行有效评估，具有较大的局限性。近年来，随着遥感技术的不断发展，越来越多的学者通过遥感数据进行湖泊水量的评估，这种方法虽然操作起来比较方便，但一般都是通过湖泊水位和湖泊水面面积对湖泊的水量进行估算，没有考虑湖泊水量平衡过程，评估结果精度有待提高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种湖泊水量评估和预测方法，该方法能够具有较好的实用性、较高的计算精度以及较强的物理机制。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种湖泊水资源量评估与预测方法，包括以下步骤，1)分布式水文模型和地下水模拟模型的耦合：建造分布式水文模型及地下水数值模拟模型，并将两种模型耦合得到地表-地下水联合模拟模型，通过地表-地下水联合模拟模型得到湖泊的各水量平衡项；2)构建湖泊水位-蓄水量关系曲线：通过数字高程模型获得湖泊湖底的高程数据，刻画湖泊的形态，通过水网格系统表示湖泊的体积，构建湖泊水位-蓄水量关系曲线；3)湖泊水位计算：通过迭代方法对式(1)进行求解，达到湖泊水位：式中：和为当前时段和前一时段湖泊的水位；Δt为当前的时间步长；p为当前时段湖泊接受的降水量；e为当前时段湖泊的蒸发量；w为当前时段湖泊的人工补水或抽排量，正表示抽排，负表示补水；Qsi为当前时段与湖泊相连的上游河流流入湖泊的水量；Qso为当前时段湖泊向下游河流流出的水量；sp为时段内湖泊与含水层之间的总渗流量，正表示湖泊向含水层净排泄，负表示含水层向湖泊净排泄；其中，Qsi是通过分布式水文模型计算得到；sp的计算是通过地下水数值模拟模型计算得到；4)湖泊水量的计算：根据湖泊水位，通过湖泊水位-蓄水量关系曲线查得相应的蓄水量；5)未来情形湖泊水量的预测：采用多模式集合平均的方法将多种未来气候变化情景下的输出结果输入到地表水-地下水联合模拟模型中，预测未来不同气候变化情景下湖泊的蓄水量。进一步的方案为：步骤1)中通过对两种模型源代码进行修改，将分布式水文模型和地下水数值模拟模型连接起来，实现数据的实时互馈，完成两种模型的耦合。耦合过程为：将分布式水文模型的输出数据，作为地下水数值模拟模型的输入数据，然后再将地下水数值模拟模型的输出结果反馈给分布式水文模型，实现两个模型数据之间的动态交互。进一步的方案为：步骤2)中构建湖泊水位-蓄水量关系曲线的具体方法为：湖泊的体积由地下水网格系统中一系列无效单元格来代表，其深度从顶层单元的地表高程往下扩展；无效单元格包围在有效单元格之间，有效网格代表与湖泊相邻的含水层；从最低湖底高程的湖泊网格单元开始，逐步统计湖泊水位变化引起的湖泊蓄水量变化，得到湖泊的水位与湖泊蓄水量之间的关系。本专利技术的有益效果：本专利技术为一种基于气候模式、分布式水文模型及地下水数值模拟模型的湖泊水资源量评估和预测方法。本方法先通过地表-地下水联合模拟得到湖泊的各水量平衡项，进而对湖泊水量进行评估；然后结合不同气候变化情景下气候模式输出结果对未来情景下的湖泊水量进行预测。本方法相对于传统方法具有投资少，精度高，物理机制强的特点。附图说明图1湖泊-地表水-地下水交互作用概念图；图2湖泊在地下水含水层网格系统中的刻画；图3湖泊与含水层相互作用概念图；图4湖泊水位-蓄水量关系曲线示意图；图5湖泊水量评估和预测方法流程图。具体实施方式本专利技术一种湖泊水资源量评估与预测方法，包括以下步骤，1)联合模拟模型的构建：建造分布式水文模型及地下水数值模拟模型，并将两种模型耦合得到地表-地下水联合模拟模型，通过地表-地下水联合模拟模型得到湖泊的各水量平衡项；2)构建湖泊水位-蓄水量关系曲线：通过数字高程模型获得湖泊湖底的高程数据，刻画湖泊的形态，通过水网格系统表示湖泊的体积，构建湖泊水位-蓄水量关系曲线；3)湖泊水位计算：通过迭代方法对式(1)进行求解，达到湖泊水位：式中：和为当前时段和前一时段湖泊的水位；Δt为当前的时间步长；p为当前时段湖泊接受的降水量；e为当前时段湖泊的蒸发量；w为当前时段湖泊的人工补水或抽排量，正表示抽排，负表示补水；Qsi为当前时段与湖泊相连的上游河流流入湖泊的水量；Qso为当前时段湖泊向下游河流流出的水量；sp为时段内湖泊与含水层之间的总渗流量，正表示湖泊向含水层净排泄，负表示含水层向湖泊净排泄；其中，Qsi是通过分布式水文模型计算得到；sp的计算是通过地下水数值模拟模型计算得到；4)湖泊水量的计算：根据湖泊水位，通过湖泊水位-蓄水量关系曲线查得相应的蓄水量；5)未来情形湖泊水量的预测：采用多模式集合平均的方法将多种未来气候变化情景下的输出结果输入到地表水-地下水联合模拟模型中，预测未来不同气候变化情景下湖泊的蓄水量。因为现有的气候模式有几十种之多，比如GMIP，RegCM3等，采用众多气候模式中的某几种气候模式输出结果的平均值，就是所谓的多模式集合平均的方法。具体方式通过以下实施例具体说明：实施例1一种湖泊水量评估和预测方法，步骤包括：1.分布式水文模型和地下水模拟模型的耦合湖泊一方面通过降水、蒸发、上游河道汇入等过程与地表水循环过程产生紧密联系，另一方面也由于湖底渗漏和含水层渗出补给过程与地下水循环过程密不可分，因此实现地表-地下水联合模拟能够有效提高湖泊水量评估的精度。湖泊与地表水和地下水之间的交互作用如图1所示。地表水和地下水含水层之间的水量交互形式有很多，图中只展示了与湖泊相关的方式。图1中虚线以上的部分可以通过分布式水文模型来模拟，虚线以下的部分可以通过地下水数值模拟模型来模拟。一般来说，分布式水文模型与地下水数值模拟模型的时间和空间尺度都是不一致的，通过对两种模型源代码进行修改，将分布式水文模型和数值模拟模型连接起来，实现数据的实时互馈，完成两种模型的耦合。耦合过程为：将分布式水文模型的输出数据，作为地下水数值模拟模型的输入数据，然后再将地下水数值模拟模型的输出结果反馈给分布式水文模型，实现两个模型数据之间的动态交互。2.湖泊在地下水数值模拟模型中的刻画及水位-蓄水量关系曲线确立湖泊的体积由地下水网格系统中一系列无效单元格来代表，其深度从顶层单元的地表高程往下扩展。无效单元格包围在有效单元格之间，代表与湖泊相邻的含水层，如图2所示。因此，模拟之前只有知道湖泊湖底的高本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种湖泊水资源量评估与预测方法，其特征在于：包括以下步骤，1)分布式水文模型和地下水数值模拟模型的耦合：建造分布式水文模型及地下水数值模拟模型，并将两种模型耦合得到地表‑地下水联合模拟模型，通过地表‑地下水联合模拟模型得到湖泊的各水量平衡项；2)构建湖泊水位‑蓄水量关系曲线：通过数字高程模型获得湖泊湖底的高程数据，刻画湖泊的形态，通过水网格系统表示湖泊的体积，构建湖泊水位‑蓄水量关系曲线；3)湖泊水位计算：通过迭代方法对式(1)进行求解，达到湖泊水位：

【技术特征摘要】
1.一种湖泊水资源量评估与预测方法，其特征在于：包括以下步骤，1)分布式水文模型和地下水数值模拟模型的耦合：建造分布式水文模型及地下水数值模拟模型，并将两种模型耦合得到地表-地下水联合模拟模型，通过地表-地下水联合模拟模型得到湖泊的各水量平衡项；2)构建湖泊水位-蓄水量关系曲线：通过数字高程模型获得湖泊湖底的高程数据，刻画湖泊的形态，通过水网格系统表示湖泊的体积，构建湖泊水位-蓄水量关系曲线；3)湖泊水位计算：通过迭代方法对式(1)进行求解，达到湖泊水位：式中：和为当前时段和前一时段湖泊的水位；Δt为当前的时间步长；p为当前时段湖泊接受的降水量；e为当前时段湖泊的蒸发量；w为当前时段湖泊的人工补水或抽排量，正表示抽排，负表示补水；Qsi为当前时段与湖泊相连的上游河流流入湖泊的水量；Qso为当前时段湖泊向下游河流流出的水量；sp为时段内湖泊与含水层之间的总渗流量，正表示湖泊向含水层净排泄，负表示含水层向湖泊净排泄；As表示当前时段湖泊的水面面积；其中，Qsi是通过分布...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁相毅，张博，刘家宏，张盼伟，李昆，赵晓辉，曹岩，严聆嘉，吴雷祥，
申请(专利权)人：中国水利水电科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11