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。

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。

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。

太湖地区典型小流域地下水储量动态模拟与分析

对太湖地区典型小流域的近地表地质特征进行系统野外试验,分析近地表土层土壤和岩层结构特征,初步确定了含水层计算参数;采用三维地下水流数值模拟方法概化水文地质条件,识别与验证模型参数。结果表明:地表水补给地下水的量约是地下水补给地表水总量的2倍,山溪型小流域的地表地下水交互过程趋于单向交换,即河道水补给地下水。从含水层储水量变化看,除去蒸散发,通过地下通道流失的水量占据总水量的相当比重,且地下储水的减少量主要依赖降雨入渗进行补给。所建立的模型能够较好地反映研究区实际的水文地质条件,揭示地表水和地下水的交互量的变化过程,并定量研究流域水量平衡动态关系,可为变化环境下的地下水保护和滨湖区的地下水潜流计算研究提供预测分析依据。

基于MIKE SHE模型的流域地下水水文响应

为研究在流域或盆地尺度上降雨入渗补给地下水水文响应的滞后效应,采用Arc GIS技术,并基于MIKE SHE软件数值分析的方法,建立了丹麦Skjern流域地表水-地下水耦合的分布式水文模型,运用观测值对该模型进行参数率定。通过观测值和模拟值对比,同时分析了Skjern流域气候条件和地下水埋深对地下水水文响应的影响,结果表明：丹麦属于温带海洋性气候,Skjern流域地下水补给集中在9—12月和1—3月;地下水位埋深为1m左右时,降雨入渗补给很快到达地下水面,地下水补给峰值的滞后时间很短,大约1~2 d;对于地下水位埋深在2~5 m之间的,滞后现象较为明显,峰值滞后4~5 d;对于地下水位埋深〉10 m的,峰值滞后时间则很长。该模型模拟Skjern流域效果较好,模型对于Skjern流域具有一定的适用性和应用潜力。

黄藏寺水利枢纽对张掖盆地地下水影响研究

黄藏寺水利枢纽工程建成运行后,将在输水关键期采用大流量输水并废除部分平原水库或其灌溉功能,地下水补给的减少或将对黑河中游张掖盆地地下水环境产生影响。由于黑河中游张掖盆地地表水与地下水存在密切联系,单独采用地下水数值模型难以准确描述地表水与地下水的转化关系,因此采用MIKE-SHE软件建立了黑河中游盆地的地表水—地下水耦合数值模型,通过校正后的模型对工程运行后的地下水演变进行了预测。模拟结果表明:黄藏寺水利枢纽工程运行对黑河中游张掖盆地地下水影响有限,河道与水库渗漏减小引起的地下水位下降值远小于当地地下水位天然变幅,可由地下水系统自然调节。

基于GSFLOW的青土湖生态输水量-湖水面积关系研究

西北地区水资源匮乏,生态环境脆弱,如何科学处理生产用水与生态用水的关系一直是西北干旱区水资源开发利用中关注和研究的热点难点课题之一。关于流域中上游生态输水与尾闾湖水域面积(或湿地面积)关系的定量化研究较少。以我国西北干旱区河西走廊石羊河流域的尾闾湖—青土湖为例,利用GSFLOW建立了区域地表水-地下水耦合模型,其中采用LAK模块及SFR2模块分别处理湖泊和输水渠道,在此基础上预测了不同生态输水方案下湖泊湖面面积的变化情况,分析了青土湖生态输水量-湖水面积关系,确定了青土湖生态输水的合理范围。研究结果显示:当前3100×10^(4) m^(3)/a的生态输水量可以保证青土湖维持年内最高湖水水位1212.23 m(平均水位1211.68 m),稳定最大面积可达16.27 km^(2);当输水量为2000×10^(4)~3700×10^(4) m^(3)/a时,随输水量增大水面面积线性增加,面积变化率相对稳定;当输水量为3700×10^(4)~4500×10^(4) m^(3)/a时,水面面积随生态输水量增多,面积增大率逐渐减小;当输水量大于4500×10^(4) m^(3)/a时,水面面积随生态输水增多增大幅度很小,特别是当生态输水量大于5500×10^(4) m^(3)/a时,面积变化率趋近于0。从维持当前青土湖水面面积和向青土湖生态输水的效益考虑,红崖山水库向青土湖的生态输水量应保持在3100×10^(4)~4500×10^(4) m^(3)/a。研究成果对于确定西北干旱区合理生态需水,协调生态、经济、社会用水可持续发展具有一定的参考价值。

大坝下游河床潜流带温度场的影响因素研究

基于雷诺平均方程(N-S方程)、k-ω湍流模型,并利用CFD-Fluent及COMSOL Multiphysics软件,构建地下水-地表水耦合模型;通过Morris全局灵敏度分析方法探讨单因素影响及多因素影响下河床潜流带内温度场变化规律。结果表明:河床潜流带的温度场对流速v和水深H较为灵敏,其余依次为沙坡高度h和河床底质渗透系数k;河道水位与河床潜流带的温度场变化呈正相关;多因素共同作用对河床潜流带温度场影响明显,且在沙坡下会出现一个半圆的低温区域。通过对大坝下游河床潜流带的温度场进行影响因素敏感性分析,可对水库下游河流生态治理和修复有一定指导意义。

鄱阳湖流域分布式水文模型的多目标参数率定

以鄱阳湖流域为研究区,构建其分布式水文模型WATLAC。以鄱阳湖流域6个水文站点2000～2005年河道径流量及地下水基流指数为多目标函数来优化耦合模型,采用PEST进行WATLAC模型参数自动率定。结果表明:6个水文站点拟合的纳希效率系数变化范围为0.71～0.84,确定性系数介于0.70～0.88,取得较好的模拟效果。基于遥感反演的实际蒸散发结果进一步验证模型,模拟值和遥感反演值在时间和空间上的变化趋势呈现较好一致性。基于地下水位及流场特征模拟效果的定性评价,表明地下水位模拟空间趋势性较好,水位与地面高程的空间变化一致,地下水主要以下游平原区和河道为主要排泄区,符合大尺度流域地下水流运动基本规律和评估结果。所提出的多目标率定方法及率定技术应用于大尺度鄱阳湖流域,也为其它水文模型在相似区域的连续模拟及参数率定方面提供借鉴。