分布式地表水-地下水耦合数值模型研究进展

系统梳理地表、地下各水文过程中常见的控制方程以及数值求解方法,指出单一地下水模型和单一地表水模型在解决耦合问题中的短板。回顾近年来的相关研究,归纳出11种常见的耦合模型。从模型原理和适用方向2个方面对已有研究概括总结,将耦合方法划分为松散耦合型、半松散耦合型和紧密耦合型,分析耦合模型在变化环境下的地下水-地表水转化关系、河道生态流量以及地表水-地下水联合调度方面的应用。未来可以重点关注耦合模型在复杂地貌、多样化参数、模型识别验证方法、运算效率以及多学科交叉等方面的研究。

基于SWAT-MODFLOW地表-地下水耦合模型的结构与应用研究

为了利用Seonggyu Park和Ryan T.Bailey的SWAT-MODFLOW耦合程序实现地表、地下不同范围模型耦合,同时探究耦合程序输出的以SWAT计算的地下水补给量和以MODFLOW网格计算的补给量之间的差异,以及耦合程序在有关地表地下水研究上的优势。本文以该耦合程序示例模型美国佐治亚州南部小河流域(LRW)为例,选取模型中SWAT划分的104号子流域为边界,用GMS10.4建立地下水流模型,最后将地下水流模型和原SWAT模型进行耦合。研究结果表明:(1)耦合程序能实现以地表分水岭自然边界为范围的SWAT模型与以子流域为边界的小范围MODFLOW模型的耦合,但由于地下水流模型网格边界和子流域边界不能完全匹配,导致MODFLOW以网格计算的地下水降雨补给量和SWAT统计的地下水降雨补给量存在差异,误差随网格变小而变小;(2)耦合后各均衡项发生了变化,河道对地下水的总补给量变为耦合前的15.25%,地下水向河道的总排泄量比耦合前多19.29%,总降雨补给比耦合前多17.07%,总蒸发量是耦合前的3.08倍。经过研究发现耦合模型能更准确的模拟地表地下水文过程,反映降水与地下水、地表水与地下水转化关系。

蒲河流域多情景地表水-地下水联合模拟

以蒲河流域为研究对象,通过构建地表水-地下水耦合模型,模拟多情景下流域径流变化过程,并分析径流减少原因。结果表明,SWAT-MODFLOW模型在该流域适用性较好(R 2和NS系数均超过相应阈值);自然条件下的径流年际变化基本与近天然条件下(不考虑人类取用水和下垫面变化)类似,基本呈现丰枯交替的平稳状态;直接人类活动对径流减少的贡献约占83%,强直接人类活动的影响使自然条件下的地表水资源量减少最多;在不同程度人类取用水影响下,7月、8月、9月蒲河水量最多,5月最少;在不同强度人类取用水情况下,毛家河站在75%保证率下的多年平均月径流量最大。

地表水与地下水耦合模型研究进展

描述地表水与地下水文过程耦合概念,论述国内外具有代表性的流域水文模型与地下水模型耦合的3种类型及耦合方法,提出地表水与地下水耦合模型的主要特征及适应性,并对今后的发展方向进行了展望。

华北平原区地表水与地下水统一评价的二元耦合模型研究

在系统分析华北平原区"四水"转化机理和地下水补、径、排规律的基础上,研究和提出一种基于"四水"转化水文模型和地下水数学模拟模型的二元耦合模型,并结合安阳市水资源评价实例,较好地解决了大埋深条件下平原区水资源统一评价问题,为华北地区乃至全国开展第二次水资源评价工作进行了有益的尝试,并积累了一些宝贵的经验。

煤矿开采区地表水-地下水耦合模拟

为定量评价煤炭资源大规模开发,下垫面条件改变导致的水平衡要素及地表水与地下水转化关系的改变,急需开展煤矿开采区地表水水文过程和地下水动力过程耦合模拟研究。在考虑地表水入渗补给的滞后性和在RCH程序内部实现垂向上对多层单元格补给表达的基础上,构建基于分布式水文模型(SWAT)和模块化地下水动力模型(MODFLOW)的耦合数值模型(SWATMOD),并将该模型应用于秃尾河流域——锦界煤矿采煤工程实例中。实例应用表明:耦合模型能较准确地模拟地表水水文过程和地下水动力过程及地下水动态变化过程,可用于预测秃尾河流域煤矿开采区地表水和地下水转化规律的改变。

地下水与地表水耦合模拟模型研究与展望

地下水与地表水耦合模拟模型可以合理地反映水文循环过程,为水资源规划管理提供可靠依据。地下水与地表水耦合模拟模型按求解方法可分为水均衡法模型、解析法模型和数值法模型,按耦合方式可分为边界条件耦合模型、交换通量耦合模型、整体边界模合模型,目前各类模型存在问题主要有数值求解不稳定、失真、适应性差、参数率定困难等,"3S"及其他新技术的应用是今后的发展热点。

包头市地下水-地表水联合调度多目标管理模型

运用管理模型对地下水和地表水资源优化调度 ,解决包头市水资源短缺问题。首先建立双层含水层地下水流数值模拟模型 ,并求得地下水系统单位脉冲响应函数。考虑水资源与社会、经济和环境的关系 ,构建地下水 -地表水联合调度多目标管理模型。决策变量为潜水和承压水开采量、各地表水厂向各管理子区的供水量 ,主要目标为最大限度完成工业总产值、供水费用最小、最优控制地下水位和尽量满足农业灌溉用水。模型归结为求解线性目标规划问题。结果表明 ,优化总供水量为 6663 8 9× 1 0 4 m3·a- 1 ,其中地下水供水量为 1 3 5 0 6 2× 1 0 4 m3·a- 1 ;优化方案最大限度地满足规划需水量 ,使有限的水资源发挥最大的经济效益 ;通过对地下水开采量的控制 ,地下水流场趋于合理。

基于地表水与地下水耦合模型的溪泉湖湿地数值模拟的应用研究

通过建立溪泉湖水源地地表水与地下水联合运用的耦合模型,借助于QUAL2K软件计算地表河流控制断面的入水浓度.采用MT3D模型,基于Visual MODFLOW有限差技术,分析了沈阳市沈北新区溪泉湖湿地构建储备水源地10 a后地下水环境的动态变化.水位模拟结果显示:2020年构建储备水源地处形成漏斗,水源地构建后的地下水水位降落漏斗处地下水等水位线比构建前下降2.5 m,与2009年初始水位相比大幅度下降,既满足水源地供水效益,又解决了周边水库蓄水造成的浸没问题.水质模拟结果显示:周边水库地下水水质较好,没有对水源地水质造成影响,但辽河支流的水质不容乐观,对水源地水质造成严重威胁.因此,为保障水源地水质安全,对溪泉湖地表水体进行污染防治势在必行.

干旱灌区地表水和地下水联合利用耦合模型研究

通过动态耦合运算分布式地下水模拟模型与水资源优化配置模型的技术路线,建立了干旱灌区地表水和地下水联合利用耦合模型,该模型既可以对灌区地表水和地下水进行优化调度,又可以合理控制区域地下水位.最后将耦合模型应用到黄河流域某灌区,并对灌区2020和2030年的水资源进行了优化配置,同时对不同区域的地下水埋深进行了控制.研究成果可为干旱灌区的水资源高效利用、盐碱化防治等方面提供借鉴和参考.

基于地表水-地下水耦合模型的海底地下淡水排放量估算

陆源地下淡水排泄(SFGD)作为海底地下水排泄(SGD)中的重要组成部分,也是陆地向海洋输送化学物质重要且隐蔽的通道。将宾州州立集成水文模型PIHM应用到广东省东南部沿海地区,构建海岸地表水-地下水耦合模型,对SFGD速率进行时空变异分析,结果表明:(1)SFGD速率与相关影响因子的多元回归分析显示当地形坡度i≤2%时,地形坡度是SFGD速率的主控因子,地形坡度越大,SFGD速率越大,当i>2%时,SFGD速率与各影响因子均无显著相关。(2)研究区域子流域之间SFGD速率差异主要是流域形状以及地形差异造成的,螺河流域片区海岸线短且沿海地区主要为平原地区,因此年均单位长度SFGD速率小。(3)在主要降雨事件中,SFGD比地表径流对降雨的响应更快,峰值出现时间比地表径流平均早1~3 d。利用地表水-地下水耦合模型研究SFGD速率的时空变异规律为海底地下水排泄估算提供了新途径,为未来沿海生态管理规划提供了科学参考。

基于SWAT-MODFLOW耦合模型的巴音河中游泽令沟盆地地表水-地下水转换关系研究

为准确刻画资料缺乏、地表水–地下水转换频繁的泽令沟盆地地表水-地下水不同时空尺度上的转换关系,利用河道径流数据、遥感蒸散发数据、地下水位观测数据等对SWAT-MODFLOW耦合模型进行率定和验证,在此基础上对泽令沟盆地水循环过程进行模拟分析。结果显示:(1)SWAT-MODFLOW耦合模型模拟效果较好,率定期和验证期月径流量的R~2≥0.73,NSE≥0.67,PBIAS在-20%~20%。其各子流域实际蒸散发的R~2均大于0.91,NSE均大于0.85,PBIAS在-10%~10%。此外,模拟地下水位与实测值误差在0.6 m以内,R~2为0.94。(2)地表水补给地下水的河道占整个河道长度90.31%,年平均补给量占年总交换水量的50.20%;季节尺度上,补给的最大值出现在7月,为331043.31 m~3/d,最小值出现在12月份,为41208.33 m~3/d。地下水对地表水的补给量较为稳定,季节性变幅在-2.5%~2.5%,年际变幅处于-6.5%~0.6%之间。

基于地表水地下水耦合模型的白马河傍河水源地开采量评价

目前基于数值模型的傍河水源地开采量评价中,常把河水作为第一类定水头边界,本质上是把河流当成无限水源,在理论上存在一定缺陷。以河流扩散波方程作为模型中的河流边界,取代传统模型中的水位和流量边界。通过模拟河水流量和水位变化模拟地下水与河水之间水量交换,评价地下水开采量。为验证方法合理性,将第一类定水头边界模型和扩散波方程边界耦合模型的评价结果进行对比。结果表明,按耦合模型和第一类定水头边界模型评价本区地下水可开采量分别为2 733万m^3/a、3 942万m^3/a,而本区的年径流总量为3 120万m^3/a;传统的第一类定水头边界模型评价的地下水可开采量超过了流域年径流量,而耦合模型评价的结论更为合理。

基于水文要素过程的流域地下水与地表水交换径流成分定量分析

流域地表水-地下水相互作用中包括枯水季节深层地下水向河流稳定补给的基流,降雨入渗后形成的快速与慢速壤中流和洪水时期河道水位抬升引起的地表水补给地下水。目前对于地下水-地表水交换量的组成并没有清晰的定义,已有的水文实验和模拟方法不能准确辨析地下水-地表水交换组分。利用水文要素过程线,提出了综合新安江水文模型、改进马斯京根-康格(Muskingum-Cunge, MC)法和基流分割方法的技术框架,研究地下水-地表水交换量的组成情况,并以婺源江小流域出口断面为例进行了方法应用。研究结果表明:婺源江小流域的地下水-地表水交换量占出口断面总径流的43.54%~54.66%。饱和带中的浅层地下水占出口流量的8.41%~10.57%;降雨下渗进入浅层土壤补给河道的水流占6.81%~20.59%;深层地下水的稳定补给量占河道总径流的23.34%~26.54%。本研究提出了可以精细化辨析地下水-地表水交换分量的技术框架,结果可为类似流域水资源保护与管理提供理论依据。

地下水-地表水交换对河岸带水平衡的影响

采用土壤水平衡与地下水模型耦合方法,通过实验分析和模型模拟,研究河北中东部子牙河实验流域内河岸漫滩内的水平衡和地下水硝酸盐动态。模型模拟表明,穿过地下水-地表水界面的交换通量对河岸水平衡、河流流量以及地下水与河流中的硝酸盐动态有重大影响。通过实验和基于模型的结果表明,来自河岸漫滩的地下水贡献和相关硝酸盐通量的影响在时间上变化较大;河岸地下水携带的硝酸盐对河流流量的贡献存在显著的季节变化。因此,地下水中的硝酸盐贡献在夏季子牙河的观测负荷中占较大比例,此时地表水的排放和营养状况对低地河流的生态健康至关重要。

基于HYDRUS-MODFLOW的小流域地表水与地下水耦合模型研究

面对北方地区日趋严峻的水资源供需形势,综合考虑地表水和地下水相互作用的流域水文过程变化的驱动机制研究,对提高水资源利用和配置效率具有重要意义。文章以某典型小流域为例,构建基于HYDRUS-MODFLOW的地表水和地下水耦合模型,结果显示本文模型具有较高的模拟精度,可以为水文水资源预测研究提供必要的理论支撑。

基于HYDRUS-MODFLOW的大洋河岫岩流域地表水与地下水耦合模型

流域内的水循环是一个完整的过程,只有综合考虑地表水和地下水的影响方可获得较高精度的模拟成果。以辽宁省大洋河岫岩流域为例,构建基于HYDRUS-MODFLOW的地表水和地下水耦合模型,结果显示地表水和地下水耦合模型具有较高的模拟精度和适应性,可用于研究区的相关研究。

基于Monte Carlo方法的地表水地下水耦合模拟模型不确定分析

为分析参数的不确定性对地表水地下水耦合模拟模型输出结果的影响,本文运用Monte Carlo方法对地表水地下水耦合模拟模型进行不确定性分析,并根据不确定性分析结果进行生态恶化风险评估。以石头口门水库上游饮马河汇水流域为例,建立地表水地下水耦合模拟模型,并运用HydroGeosphere(HGS)软件求解。利用局部灵敏度分析方法甄选出耦合模拟模型中灵敏度较高的参数,作为随机变量。最后,运用Monte Carlo方法对耦合模拟模型进行不确定性分析。为了减少不确定性分析过程中的计算负荷,应用Kriging方法,建立耦合模拟模型的替代模型。结果表明:地表水地下水耦合模拟模型中灵敏度较高的参数为渗透系数、孔隙度和曼宁粗糙系数,其中渗透系数的变化不仅对耦合模型中地下水水位产生影响,也对地表水流量产生影响;Kriging替代模型可以在保证一定精度的条件下大幅度减少计算负荷;风险评估结果表明,在当前的水资源开发利用条件状态下,研究区地下水生态环境恶化风险的概率为6%,地表水生态环境恶化风险概率为15%。

水平衡模型在地下水-地表水相互作用研究中的应用

为更好地了解水平衡模型的应用,笔者分析了水平衡模型的原理,利用河流段流量、地下水流量、溶质浓度和同位素比率的测量值,研究地下水-地表水相互作用。通过选取某河流段作为研究区域,对河流段的流入量、流出量、溶质浓度和同位素比率进行了测量,并采用水平衡模型对模型流入量、模型流出量和模型净平衡进行了分析。结果表明,研究的河流段存在失水情况,通过质量和溶质平衡法可量化模型中的失水率。水平衡模型可作为水资源评价的工具,通过确定河流失水机制来增强水资源的有效利用。

地表水与地下水耦合模型开发与验证!

鉴于研究地表水与地下水的相互作用及其分布规律可为"海绵城市"建设提供依据,对地表水与地下水的耦合模型进行了开发,在浅水模型的基础上增加地下水模块,并在连续性方程中添加源汇项,实现地表水与地下水垂向上的耦合,同时选用Green-Ampt模型计算地表水的下渗量。通过算例分析,将模型计算结果与数值试验及预期值进行对比,验证了模型的可行性。