一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法技术

本发明专利技术公开了一种资料需求少的河水‑地下水转化关系量化方法，包括以下步骤：根据地下水监测井监测资料计算流域地下水位；利用河道一维水动力学模型计算河道水位；根据地下水位等值线和含水层厚度将河道分段，并确定各个河段代表断面；根据达西定律计算各河段代表断面地表水与地下水单宽转化量，累加后得到全河段转化量和转化方向。本发明专利技术的河水‑地下水转化关系量化方法，打破了传统计算中地表水位与地下水位需现场实测，且不能连续计算整条河段河水与地下水转化量的弊端，实现了全河段多时期河水与地下水转化量的计算，为水资源调查评价中地表水、地下水重复量计算和流域地表地下水转化研究提供了新的方法。

A quantitative method of River groundwater transformation with less data demand

【技术实现步骤摘要】
一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法
专利技术涉及一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法，尤其涉及流域面积大，水文地质资料缺乏地区河水与地下水转化量的计算方法。
技术介绍
河水与地下水之间的相互转化是流域水循环重要组成部分，与水资源管理密切相关，它们的定量计算是评价流域尺度水量收支平衡的关键，也是流域地表水与地下水相互作用研究的核心。由于降雨的时空分布不均，我国大部分地区都存在水资源短缺情况，各种河道拦蓄与地下水开采工程在缓解区域水资源紧张情势的同时，导致河水与地下水的相互作用愈加复杂。因此，亟需能简便精确计算流域尺度上河水与地下水转化量的方法，为水资源调查评价与合理配置提供基础支撑。目前，河水与地下水转化量的方法主要有：示踪剂法、地中渗透仪法、动力学方法和水文学方法。示踪剂方法借助水化学离子和同位素追踪技术确定河水与地下水转化量，需要现场试验，时间长投入大；地中渗透仪现场实测地下水渗透量，适用于小尺度的研究；动力学法通过构建流域地表水与地下水耦合模型计算地表地下水转化量，该方法对水文地质资料和参数精确的要求高，模型构建复杂难以服务于大范围的水资源调查评价。水文学方法根据达西定律计算河道断面补给量，计算过程中只需要5个数据，资料需求量少，适用于大范围的水资源调查评价。但传统采用达西定律计算河水与地下水转化量中，地下水位需要在计算断面两侧钻井观测，难以计算不同时期整条河道的转化量。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术目的是提供一种河水-地下水转化关系量化方法，该方法在较少的资料需求情况下，结合河道一维水动力学软件、ArcGIS和Surfer等工具，能够快速计算整条河段不同时期地表水与地下水的转化量与转化方向。从而更好的认识流域水资源循环过程，准确计算地表水资源与地下水资源重复量，为流域地表水、地下水相互作用研究和大范围水资源调查评价提供支撑。本专利技术具体采用如下技术方案：一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法，其特征在于包括以下步骤：(1)构建河道一维水动力学模型，并计算出待分析河段地表水位；(2)获取流域地下水位资料和水文地质参数，生成流域地下水位栅格数据和地下水位等值线图；(3)根据含水层厚度和地下水位等值线图将待分析河段进行分段，并确定各河段的代表断面；(4)获取各河段代表断面河道水位、河道两侧地下水位；(5)用达西定律计算各河段代表断面的河水与两侧地下水的单宽转化量，单宽转化量与河段长度相乘得到河段转化量，各河段转化量累加即得到计算河段河水与地下水转化量。优选地，步骤(1)中河道一维水动力学模型具体构建过程为：获取河道上游水文站流量资料、河道地形资料与河床糙率系数，将上述数据整理成水动力学模型识别的河网文件、断面文件、参数文件以及边界文件。将上述4个文件输入到模型中构建指定河道的一维水动力学模型，并进行参数的率定或选取。优选地，在构建的河道一维模型上边界输入模拟时段的实测流量过程，下边界设置水位流量关系。运行模型，即可计算各个时期河道水位。优选地，步骤(2)生成流域地下水位等值线图和获取水文地质参数的具体过程为：利用Surfer软件或者ArcGIS软件中的Kriging插值方法将地下水位监测井观测的地下水位插值到全流域，生成流域地下水位栅格数据。基于栅格数据，利用Surfer软件者ArcGIS软件即可生成流域地下水位等值线。水文地质参数主要包括地下水渗透系数和含水层厚度，可通过水资源调查评价成果或现场原位试验获取。#优选地，步骤(3)根据含水层厚度和地下水位等值线图将河段进行分段，并确定各河段的代表断面具体过程为：根据河道各断面两侧地下水位等值线判断河道附近地下水流向，地下水由地下水位高的地区流向地下水位较低的地区，基于地下水流向将河道分为河水补给两侧地下水、两侧地下水补给河水、一侧地下水补给河水而另一侧河水补给地下水3种河段。设置含水层厚度变化的阈值，相邻断面含水层厚度相差小于该阈值划分为同一河段进行计算。阈值的大小根据目标精度确定，值越小计算精度越高；结合地下水位等值线图分段结果和含水层厚度分段结果，将河道划分为i个计算河段，每个计算河段选取一个代表断面，该断面处河水地下水单宽转化量即为河段平均单宽转化量。代表断面选取一维模型中有水位计算结果的断面即可。优选地，步骤(4)获取代表断面河道水位、河道两侧地下水位具体过程为：从步骤(1)河道一维模型的计算结果中提取代表断面河道水位；确定河道两侧地下水位，首先需要确定两侧地下水位点位置，从河道断面开始，沿垂直于两侧地下水位等值线方向等距离设置地下水位提取点；利用ArcGIS软件从步骤(2)中生成的流域地下水位栅格数据中提取设置的地下水位提取点处的河道两侧地下水位；优选地，步骤(5)中代表断面单宽转化量与计算河段转化量的计算方法为：其中，qi为第i个河段计算断面一侧河水与地下水单宽转化量，m2/d；Ki为第i个河段计算断面河床及含水层的地下水渗透系数，m/d；Mi代表第i个河段计算断面含水层厚度，m；Ii是第i个河段计算断面河水与地下水之间的水力梯度，无量纲；Hsi、Hgi分别为第i个河段计算断面河道水位与地下水水位，m；Li为第i个河段河水监测点与地下水位监测点之间的距离，m；其中地下水位Hgi选择使水力梯度Ii，即值最大的地下水位提取点处的地下水位；li为第i个河段长度，n为河段分段数量。优选地，步骤1中所述一维水动力学模型是MIKE11模型或HEC-RAS模型。MIKE11模型和HEC-RAS模型是专业的工程软件包，用于模拟河、渠内水流运动过程，主要计算河道水位和流量，是目前运用最为广泛的一维水动力学软件。本专利技术的河水-地下水转化关系量化方法打破了传统计算方法中地表水位与地下水位需现场实测，且不能连续计算整条河段河水与地下水转化量的弊端，实现了全河段多时期河水与地下水转化量的计算，为水资源调查评价中地表水、地下水重复量计算和流域地表地下水转化研究提供了新的方法。附图说明图1为河道一维水动力学模型构建流程图；图2为根据地下水位等值线分布划分河段结果图图3为乳山河流域龙角山水文站至乳山寨水文站河道分段结果图；图4为乳山河流域地下水等值线分布和各河段代表断面地下水位提取点布置图；图5为计算断面地下水位与河道水位相对关系示意图；图6为河水-地下水转化关系量化方法流程图。具体实施方式为使本专利技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。本专利技术以山东半岛地区乳山河流域为例：乳山河流域面积1039km2，河道全长78km，根据山东省第三次水资源调查评价，乳山河全流域属山丘区。乳山河流域为乳山市主要水源地，流域内有大型水库1座，中型水库2座，小型水库、塘坝共354座，总兴利库容10120万m3，河道内分布有13本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法，其特征在于包括以下步骤：/n(1)构建河道一维水动力学模型，并计算出待分析河段地表水位；/n(2)获取流域地下水位资料和水文地质参数，生成流域地下水位栅格数据和地下水位等值线图；/n(3)根据含水层厚度以及地下水位等值线图将待分析河段进行分段，并确定各河段的代表断面；/n(4)获取各河段代表断面河道水位、河道两侧地下水位；/n(5)用达西定律计算各河段代表断面的河水与两侧地下水的单宽转化量，单宽转化量与河段长度相乘得到河段转化量，各河段转化量累加即得到计算河段河水与地下水转化量。/n

【技术特征摘要】
1.一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)构建河道一维水动力学模型，并计算出待分析河段地表水位；
(2)获取流域地下水位资料和水文地质参数，生成流域地下水位栅格数据和地下水位等值线图；
(3)根据含水层厚度以及地下水位等值线图将待分析河段进行分段，并确定各河段的代表断面；
(4)获取各河段代表断面河道水位、河道两侧地下水位；
(5)用达西定律计算各河段代表断面的河水与两侧地下水的单宽转化量，单宽转化量与河段长度相乘得到河段转化量，各河段转化量累加即得到计算河段河水与地下水转化量。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中河道一维水动力学模型具体构建过程为：
获取河道上游流量资料、河道地形资料与河床糙率系数，将上述数据整理成水动力学模型可识别的河网文件、断面文件、参数文件以及边界文件，输入到水动力学模型中构建指定河道的一维水动力学模型，并进行参数的率定或选取。


3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在构建的河道一维水动力学模型上边界输入模拟时段的实测流量过程，下边界设置水位流量关系，运行模型计算河道水位。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)生成流域地下水位等值线图的具体过程为：
利用Surfer软件者ArcGIS软件中的Kriging插值方法将地下水位监测井观测的地下水位插值到全流域，生成流域地下水位栅格数据；基于栅格数据，通过Surfer软件者ArcGIS软件生成流域地下水位等值线图。


5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水文地质参数主要包括地下水渗透系数和含水层厚度，通过水资源调查评价成果或原位试验获取。


6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)根据含水层厚度地下水位等值线图将待分析河段进行分段，并确定各河段的代表断面具体过程为：
根据河道各断面两侧地下水位等值线判断河道附近地下水流向，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宗志，王坤，张玲玲，庄会波，李瑜，花金祥，叶爱玲，刘克琳，程亮，詹新焕，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32