基于时变增益产流的地表水-地下水动态耦合模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于时变增益产流的地表水

【技术实现步骤摘要】
基于时变增益产流的地表水
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地下水动态耦合模拟方法


[0001]本专利技术涉及地表水文学及地下水动力学等领域，特别是涉及一种基于时变增益产流的地表水
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地下水动态耦合模拟方法。

技术介绍

[0002]自然界中地表水与地下水的相互作用，两者的转化关系共同影响着流域水循环过程及其伴随的物质输送与能量转换，这些相互作用包括降雨入渗条件下通过包气带到饱和带的水分传输以及反向的上输或侧向排泄等。准确认识地表水与地下水的相互作用对于认识水循环变化机理、地表
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地下水资源的联合利用、河湖湿地生态系统健康具有重要的意义。
[0003]研究地表水与地下水之间的相互转换以其水资源量的动态评估一般有基于观测资料的统计分析方法、同位素示踪方法、数值模拟方法等。试验观测由于其一般在局地尺度上开展且野外工作强度大，在区域层面往往受到限制；同位素示踪方法尽管比传统的抽水试验方法周期更短、费用更低，但仍然受到复杂地质条件影响的限制。基于模型的数值模拟方法能够从全流域或区域的角度识别地表水、地下水变化的时空变异性，是研究地表水与地下水相互作用的主要手段。
[0004]根据文献调研结果显示，采用模型模拟法对地表水、地下水进行模拟常用的有分布式水文模型，但是分布式水文模型主要关注地表水的产汇流过程，对于地下水往往简化为若干蓄水层，难以真实地刻画地表水与地下水的相互转换过程。地下水模型主要对潜水层或承压层饱和带、土壤水非饱和带进行模拟，对地表水的模拟较少。因此地表水
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地下水耦合模型逐步产生，根据模型耦合结构不同，一般分为紧密型、半松散性和松散性，如采用水量平衡方法的松散型；半松散性一般将分布式水文模型的地下水模块用成熟的地下水动力模型进行代替，将地表水下渗入流作为地下水的上边界条件，但缺乏地表水与地下水的动态双向反馈，对于地下水位对地表水影响较大的区域难以真实描绘其相互影响；紧密型一般采用偏微分方程描述地表
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地下水流运动，用数值分析建立网格间的时空联系，但是这类模型往往由于耗时耗力，在区域尺度上的模拟应用效果仍然受到限制。
[0005]基于此，仍然需要进一步从物理机制出发，考虑地表水与地下水的相互作用与反馈，以及兼顾模型模拟高效性的要求，来进一步完善地表水
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地下水的耦合模拟的算法设计，我们从产流机制、饱和
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非饱和带地下水运动等物理机制出发，基于时变增益产流模型，实现地表水
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地下水双向动态耦合模拟。

技术实现思路

[0006]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于时变增益产流的地表水
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地下水动态耦合模拟方法，以解决地表水与地下水耦合模拟的难点问题。
[0007]因此，本专利技术的技术方案是：
[0008]根据本专利技术的第一方面，提供一种基于时变增益产流的地表水
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地下水动态耦合
模拟方法，所述方法包括：
[0009]步骤1，获取实测数据，所述实测数据包括气象数据、土壤数据、地下含水层数据；
[0010]步骤2，初始化计算时段内土壤含水率和地下水位分布，基于地表水时变增益产流和垂向一维土壤水运动方程，计算产流量、下渗量、临时土壤含水率分布；
[0011]步骤3，根据单元土柱内土壤含水率的变化及土柱上的通量边界条件以及饱和
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非饱和带连续方程，得到饱和
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非饱和带之间的流量交换量；
[0012]步骤4，将所述饱和
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非饱和带之间的流量交换量作为饱和带的上边界补给，根据饱和带二维地下水动力方程数值解法得到临时地下水位分布；
[0013]步骤5，将所述临时土壤含水率及所述临时地下水位分布作为迭代值，重复步骤2～4，直到地下水位分布收敛，模拟得到产流量、下渗量、土壤含水率、饱和
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非饱和带交换量、地下水位分布。
[0014]根据本专利技术的第二方面，提供一种基于时变增益产流的地表水
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地下水动态耦合模拟装置，所述装置包括：
[0015]获取模块，被配置为获取实测数据，所述实测数据包括气象数据、土壤数据、地下含水层数据；
[0016]第一计算模块，被配置为初始化计算时段内土壤含水率和地下水位分布，基于地表水时变增益产流和垂向一维土壤水运动方程，计算产流量、下渗量、临时土壤含水率分布；
[0017]第二计算模块，被配置为根据单元土柱内土壤含水率的变化及土柱上的通量边界条件以及饱和
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非饱和带连续方程，得到饱和
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非饱和带之间的流量交换量；
[0018]第三计算模块，被配置为将所述饱和
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非饱和带之间的流量交换量作为饱和带的上边界补给，根据饱和带二维地下水动力方程数值解法得到临时地下水位分布；
[0019]迭代计算模块，被配置为将所述临时土壤含水率及所述临时地下水位分布作为迭代值，重复运行第一计算模块、第二计算模块以及第三计算模块，直到地下水位分布收敛，模拟得到产流量、下渗量、土壤含水率、饱和
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非饱和带交换量、地下水位分布。
[0020]根据本专利技术的第三方面，提供一种存储有指令的非暂时性计算机可读存储介质，当所述指令由处理器执行时，执行如上所述的基于时变增益产流的地表水
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地下水动态耦合模拟方法。
[0021]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0022]1、本专利技术充分考虑了地表水
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土壤水
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地下水之间水文过程的相互作用与反馈机制，能够反映“三水”之间的双向动态，具有坚实的物理基础。
[0023]2、本专利技术能够实时的计算非饱和带土壤含水层的动态厚度，较好地解决了传统模型中将土壤含水层厚度固定的不足。
[0024]3、本专利技术构建的地表水
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地下水动态耦合模型，融合了非线性产流的系统方法和地下水动力方法，能够刻画产流过程、土壤水运动过程、地下水运动过程之间的相互作用动态，同时模拟计算耗时较全物理机制模型显著提高。
附图说明
[0025]在不一定按比例绘制的附图中，相同的附图标记可以在不同的视图中描述相似的
部件。具有字母后缀或不同字母后缀的相同附图标记可以表示相似部件的不同实例。附图大体上通过举例而不是限制的方式示出各种实施例，并且与说明书以及权利要求书一起用于对所专利技术的实施例进行说明。在适当的时候，在所有附图中使用相同的附图标记指代同一或相似的部分。这样的实施例是例证性的，而并非旨在作为本装置或方法的穷尽或排他实施例。
[0026]图1为根据本专利技术实施例的一种基于时变增益产流的地表水
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地下水动态耦合模拟方法的流程图。
[0027]图2为根据本专利技术实施例的土壤含水层分层计算示意图。
[0028]图3为根据本专利技术实施例的t＝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于时变增益产流的地表水
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地下水动态耦合模拟方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1，获取实测数据，所述实测数据包括气象数据、土壤数据、地下含水层数据；步骤2，初始化计算时段内土壤含水率和地下水位分布，基于地表水时变增益产流和垂向一维土壤水运动方程，计算产流量、下渗量、临时土壤含水率分布；步骤3，根据单元土柱内土壤含水率的变化及土柱上的通量边界条件以及饱和
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非饱和带连续方程，得到饱和
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非饱和带之间的流量交换量；步骤4，将所述饱和
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非饱和带之间的流量交换量作为饱和带的上边界补给，根据饱和带二维地下水动力方程数值解法得到临时地下水位分布；步骤5，将所述临时土壤含水率及所述临时地下水位分布作为迭代值，重复步骤2～4，直到地下水位分布收敛，模拟得到产流量、下渗量、土壤含水率、饱和
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非饱和带交换量、地下水位分布。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气象数据包括降水、最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、平均风速以及日照时间中的一种及其组合；所述土壤数据包括土壤厚度、饱和含水率、田间持水率、饱和水力传导度以及残余含水率中的一种及其组合；所述地下含水层数据包括含水层范围、初始地下水位、底板类型、地下水周边边界水头以及地下水开采情况中的一种及其组合。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2，初始化计算时段内土壤含水率和地下水位分布，基于地表水时变增益产流和垂向一维土壤水运动方程，计算产流量、下渗量、临时土壤含水率分布，具体包括：初始化计算时段内土壤含水率和地下水位分布，得到土壤含水层厚度及上层土壤平均含水率，根据时变增益产流模型计算地表水产流量、下渗量：I＝PE
‑
RS
ꢀꢀꢀꢀ
(2)式中，RS为地表水产流量，θ,θ
s
分别为时段土壤平均含水率和土壤饱和含水率，PE为有效降雨,I为下渗量，g1为，g
r
为；所述垂向一维土壤水运动方程的混合形式表示为：式中，θ为土壤含水率，ψ为土壤基质势，为冰的含量，K为土壤水力传导率，ρ
ice
为冰的密度，ρ
w
为水的密度，R为根系吸水项，t代表时间，z代表土壤深度；对土壤进行分层计算，其隐式差分离散格式表示为：
式中，i,j分别表示层数、时间，m表示迭代次数，Δz表示土壤层厚度；上边界条件定为通量边界：下边界问题采用重力排水边界：利用如下公式(7)对公式(3)所示的方程进行数值模拟：式中，C表示比水容；将所述公式(7)代入公式(3)得到：当迭代满足设定的精度e时，迭代停止：4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3，根据单元土柱内土壤含水率的变化及土柱上的通量边界条件以及饱和
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非饱和带连续方程，得到饱和
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非饱和带之间的流量交换量，具体包括：根据时段内计算的土壤含水率的变化，饱和带与非饱和带的耦合方程通过从地下水面到地表进行积分，得：式中，q
z＝h(x,y,t)
(x,y,t)表示非饱和带与饱和带耦合的流量项，h(x,t)表示地下水位，H表示非饱和带厚度，q
z＝H
(x,y,t)为非饱和带上边界的流量，θ为土壤含水率，R表示根系吸水等及其他源汇项；饱和
‑
非饱和带的联系方程的离散如下：
式中，m表示非饱和带的分层数，左边表示土壤水非饱和带与饱和带耦合的流量项，右边第一项表示非饱和带含水率的变化值，第二项表示非饱和带上边界的流量，第三项表示根系吸水。5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤4，将所述饱和
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非饱和带之间的流量交换量作为饱和带的上边界补给，根据饱和带二维地下水动力方程数值解法得到临时地下水位分布，具体包括：地下水饱和带的运动采用水平二维方程，表示为：式中，h为潜水标高，μ为给水度，b为潜水底板标高，K
x
,K
y
分别是x,y方向的渗透系数，ε表示源汇项包括地下水开采量，深层渗漏、地下水回灌，t代表时间；将潜水层分成水平方向的网格系统，x,y方向的空间步长分别为Δx,Δy，每个网格为一个计算单元，其含水层的厚度为h
i,j
‑
b
i,j
，以网格中心位置为节点，饱和带控制方程的隐式差分格式表示为：式中，T
i
‑
1/2,j
为单元(i
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1,j)与(i,j)间的导水系数，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杜鸿，曾思栋，夏瑞，王磊，李云良，吴胜军，李平，朱君君，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：