一种观测井缺失情况下地下水储量变化协同正演模拟方法技术

本发明专利技术公开一种观测井缺失情况下的地下水储量变化协同正演模拟方法，包括：获取研究区范围及经纬度信息设置缓冲区域；获取对应重力卫星球谐数据、除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据、模型地下水储量数据、研究区给水度经验值及研究区周边区域地下水储量变化数据；对重力卫星球谐数据处理转换为含有泄露误差的陆地水储量变化数据；对除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据处理及计算得到含有泄露误差的地下水储量变化数据；计算得到研究区基于模型的地下水位变化数据；对基于模型的地下水储量变化模拟值与缓冲区内的地下水储量变化数据进行正演模拟处理得到研究区正演模拟后的地下水储量变化；进行融合模型水位数据的迭代正演模拟。水位数据的迭代正演模拟。水位数据的迭代正演模拟。

【技术实现步骤摘要】
一种观测井缺失情况下地下水储量变化协同正演模拟方法


[0001]本专利技术涉及重力卫星与地下水科学交叉领域，具体而言，涉及融合水文模型的地下水储量变化数据与卫星重力正演模拟地下水储量变化的方法，更具体地是一种观测井缺失情况下地下水储量变化协同正演模拟方法。

技术介绍

[0002]水资源是人类生存发展中不可缺少的资源，但淡水资源仅占全球水资源约3％，其中的30.1％为地下水资源，地表水和其它水资源量仅占1.2％。相比冰川和冰盖水资源难以获取利用、地表水资源时空分布不均的特点，地下水资源具有分布广泛、水质好、出水稳定、便于获取等优点，地下水是干旱及半干旱地区的主要用水来源。然而，随经济不断发展，人口不断增长，人类对地下水的开采程度日益增强。地下水过度开采会造成含水层亏空，在许多地区已经形成了地下水降落漏斗，这对人类和社会经济的发展产生一定的威胁。因而准确的监测地下水储量变化可以为日后地下水资源管理提供依据，以实现地下水资源的可持续利用。
[0003]通过地下水位监测井及水文地质参数计算地下水储量变化，及利用其它水文气象数据基于水量平衡原理估算地下水储量变化，这两种方法是目前监测地下水储量变化的主要手段。但通过水量平衡的方法计算地下水储量时需要输入相关的水文、气象数据，由此也会产生一系列误差对计算结果影响较大。地下水位监测井的数量、分布不均及水文地质参数的不确定会导致计算结果难以反映区域整体地下水储量变化情况，结果会存在较大的不确定性。地下水位监测井分布不足会使得其监测结果无法排除地下水位异常波动的影响，同时也难以准确、全面的计算区域地下水储量变化情况。
[0004]2002年美国宇航局(NASA)联合德国空间局(DLR)联合研制发射重力卫星(Gravity Recovery and Climate Experiment,GRACE)，该卫星通过感知主要由陆地水储量变化引起的地球时变重力场变化来监测地球表面质量的重分配。重力卫星被广泛运用于反演多个地区地下水储量变化并得到了验证，突破了传统地下水监测手段在空间上的局限，展现了其在监测地下水储量变化这方面的潜力和价值。
[0005]在处理GRACE数据时，球谐展开并截断及滤波这些过程会引起信号泄露误差，研究区内外信号相互泄露、互相干扰，最终影响反演结果。为减少信号泄露，常用的方法主要有加法校正、尺度因子校正和迭代正演模拟校正等方法。加法校正和尺度因子校正需要先验信息正演模拟GRACE数据处理过程，以此校正GRACE信号。但加法校正和尺度因子校正此类方法过于依赖水文模型，反演结果与水文模型相似；同时在人类活动强烈、干旱半干旱地区，水文模型难以反映其真实的地下水储量变化，由此结合GRACE数据反演的地下水储量变化结果存在较大误差。迭代正演模拟校正根据是否利用相关信号空间分布的先验信息可分为约束迭代正演模拟校正和非约束迭代正演模拟校正。与非约束迭代正演模拟校正相比，约束迭代正演模拟可以更好的恢复研究区内的泄露信号，但由于该方法依赖于先验信息的空间分布，而这类空间分布信息往往较为均匀，但地下水储量变化的空间分布往往是不均
匀的，因此约束迭代正演模拟校正也很难反演出高分辨率、高精度的地下水储量变化。

技术实现思路

[0006]针对现有方法的不足，本专利技术提供一种观测井缺失情况下地下水储量变化协同正演模拟方法，主要针对缺少地下水位监测井地区，用以获得更准确、更高分辨率的区域地下水储量变化。
[0007]为达到上述目的，本专利技术提供了一种观测井缺失情况下地下水储量变化协同正演模拟方法，其包括：
[0008]步骤S1：获取研究区范围及其经纬度信息，根据研究区范围设置缓冲区域，并获取缓冲区域的范围及经纬度信息，其中，缓冲区的范围包括研究区的范围；
[0009]步骤S2：根据缓冲区的范围及经纬度信息获取对应重力卫星球谐数据、除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据、模型地下水储量数据、研究区给水度经验值及周边区地下水储量变化数据，其中周边区地下水储量变化数据为除研究区以外缓冲区内的地下水储量变化数据；
[0010]步骤S3：对重力卫星球谐数据进行处理后，转换为含有泄露误差的陆地水储量变化数据；
[0011]步骤S4：对除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据进行正演模拟处理，得到除地下水组分以外的非地下水组分水储量变化数据，并将非地下水组分水储量变化数据从步骤S3得到的含有泄露误差的陆地水储量变化数据中扣除，得到含有泄露误差的地下水储量变化数据；
[0012]步骤S5：利用模型地下水储量数据及研究区给水度经验值计算得到研究区基于模型的地下水位变化数据；假设任意值作为研究区的给水度模拟值，利用给水度模拟值乘以基于模型地下水储量数据的水位变化数据，得到研究区基于模型的地下水储量变化模拟值，并作为研究区地下水储量变化模拟数据的初始值；
[0013]步骤S6：分别对研究区基于模型的地下水储量变化模拟值与周边区的地下水储量变化数据进行正演模拟处理，得到研究区正演模拟后的地下水储量变化；
[0014]步骤S7：基于步骤S4得到的含有泄露误差的地下水储量变化数据、步骤S6得到的研究区正演模拟后的地下水储量变化以及周边区地下水储量变化数据进行融合模型水位数据的迭代正演模拟。
[0015]在本专利技术一实施例中，其中，除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据包括土壤含水量数据、地表水储量数据、雪水当量数据、冰川冻土数据中的一种或至少两种的组合，其中，地表水储量数据包括：水库蓄水量数据及大型湖泊蓄水量数据。
[0016]在本专利技术一实施例中，其中，步骤S3中对重力卫星球谐数据进行的处理具体为：
[0017]将重力卫星球谐数据球谐展开并进行截断，再进行滤波处理，得到处理后的球谐数据。
[0018]在本专利技术一实施例中，其中，步骤S4中除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据进行正演模拟处理，与重力卫星球谐数据进行处理的方式相同，具体为：
[0019]先对除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据作与重力卫星球谐数据相同的球谐展开与截断，再进行滤波处理，得到除地下水组分以外的非地下水组分水储量变化
数据。
[0020]在本专利技术一实施例中，其中，步骤S4中得到含有泄露误差的地下水储量变化数据的计算过程具体为：
[0021]ΔGWS＝ΔTWS
‑
ΔSMS
‑
ΔSWS
‑
ΔOS
[0022]式中：ΔGWS为含有泄露误差的地下水储量变化数据，ΔTWS为含有泄露误差的陆地水储量变化数据，ΔSMS为土壤含水量变化数据，ΔSWS为地表水储量变化，ΔOS为其他非地下水组分水储量变化，其中，所述其他非地下水组分水储量变化包括雪水当量变化与冰川质量变化。
[0023]在本专利技术一实施例中，其中，步骤S5中利用模型地下水储量数据及研究区给水度经验值计算得到研究区基于模型的地下水位变化数据具体为：
[0024]利用模型地下水储量数据除以研究区给本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种观测井缺失情况下的地下水储量变化协同正演模拟方法，其特征在于，包括：步骤S1：获取研究区范围及其经纬度信息，根据研究区范围设置缓冲区域，并获取缓冲区域的范围及经纬度信息，其中，缓冲区的范围包括研究区的范围；步骤S2：根据缓冲区的范围及经纬度信息获取对应重力卫星球谐数据、除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据、模型地下水储量数据、研究区给水度经验值及周边区地下水储量变化数据，其中周边区地下水储量变化数据为除研究区以外缓冲区内的地下水储量变化数据；步骤S3：对重力卫星球谐数据进行处理后，转换为含有泄露误差的陆地水储量变化数据；步骤S4：对除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据进行正演模拟处理，得到除地下水组分以外的非地下水组分水储量变化数据，并将非地下水组分水储量变化数据从步骤S3得到的含有泄露误差的陆地水储量变化数据中扣除，得到含有泄露误差的地下水储量变化数据；步骤S5：利用模型地下水储量数据及研究区给水度经验值计算得到研究区基于模型的地下水位变化数据；假设任意值作为研究区的给水度模拟值，利用给水度模拟值乘以基于模型地下水储量数据的水位变化数据，得到研究区基于模型的地下水储量变化模拟值，并作为研究区地下水储量变化模拟数据的初始值；步骤S6：分别对研究区基于模型的地下水储量变化模拟值与周边区的地下水储量变化数据进行正演模拟处理，得到研究区正演模拟后的地下水储量变化；步骤S7：基于步骤S4得到的含有泄露误差的地下水储量变化数据、步骤S6得到的研究区正演模拟后的地下水储量变化以及周边区地下水储量变化数据进行融合模型水位数据的迭代正演模拟。2.根据权利要求1所述的观测井缺失情况下的地下水储量变化协同正演模拟方法，其特征在于，除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据包括土壤含水量数据、地表水储量数据、雪水当量数据、冰川冻土数据中的一种或至少两种的组合，其中，地表水储量数据包括：水库蓄水量数据及大型湖泊蓄水量数据。3.根据权利要求1所述的观测井缺失情况下的地下水储量变化协同正演模拟方法，其特征在于，步骤S3中对重力卫星球谐数据进行的处理具体为：将重力卫星球谐数据球谐展开并进行截断，再进行滤波处理，得到处理后的球谐数据。4.根据权利要求3所述的观测井缺失情况下的地下水储量变化协同正演模拟方法，其特征在于，步骤S4中除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据进行正演模拟处理，与重力卫星球谐数据进行处理的方式相同，具体为：先对除地下水组分以外的非地下水组分水储量数据作与重力卫星球谐数据相同的球谐展开与截断，再进行滤波处理，得到除地下水组分以外的非地下水组分水储量变化数据。5.根据权利要求4所述的观测井缺失情况下的地下水储量变化协同正演模拟方法，其特征在于，步骤S4中得到含有泄露误差的地下水储量变化数据的计算过程具体为：
△
GWS＝
△
TWS
‑△
SMS
‑△
SWS
‑△
OS式中：
△
GWS为含有泄露误差的地下水储...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘云，李慧香，马亚林，宫辉力，张青全，
申请(专利权)人：首都师范大学，
类型：发明
国别省市：