CN106777968B - 一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算方法及装置，包括计算大埋深地下水水位所在的指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量；将指定区域的包气带进行分层，并确定每一层的截留水量；根据有效降水量和确定的每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量。本发明的计算方法结合土壤水动力学及地下水动力学，在包气带分层的基础上评画大埋深条件下地表水补给地下水的全过程，得到精确的地表水补给地下水计算结果。
Description
技术领域
本发明涉及数据处理技术领域，尤其涉及一种地下水超采区，地下水埋深较大情况下，地表水补给地下水的计算方法及装置。
背景技术
地表水与地下水是流域水循环的重要组成部分，流域内地表水与地下水之间的相互作用历来是流域水循环研究的关键环节。华北平原在气候变化和人类活动的双重影响下，地下水严重超采，形成了较大的地下水漏斗；地下水水位持续降低，地下水埋深增大。地下水埋深直接决定其上的包气带蓄水能力，包气带越厚，其所消耗的水量越多，补给地下水的有效雨量将随地下水埋深的增大而减小。因此，精确计算出变化环境下区域尺度上地表水补给地下水水资源量，对水资源评价与水资源合理配置提供基础支撑。
传统研究地表水补给地下水的基本方法主要有：示踪法、地下水位波动法、地中渗透仪法、水均衡法、零通量法及数值模拟法。其中水均衡法要求补给量和排泄量均能准确获取，比较耗时，投入大；地下水位波动法，忽略侧向补给且回避了土壤水入渗补给包气带的复杂性；地中渗透仪适合于小尺度的田间地块；数值模拟法对边界条件清晰，含水层结构明确的区域模拟精度较好。
因此，亟需一种能够精确计算出大深埋条件下地表水补给地下水的水资源量的方案。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算方法及装置，能够精确计算出大深埋条件下地表水补给地下水的水资源量。
为解决上述问题，本发明提供了大深埋条件下一种地表水补给地下水的计算方法，包括：
计算出大埋深地下水水位所在的指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量；
将指定区域的包气带进行分层，并确定每一层的截留水量；
根据有效降水量和确定的每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量。
可选地，计算出指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量，包括：
确定指定区域的土地利用类型，利用土地利用类型表征下垫面特征；
计算不同下垫面特征下的有效降水量。
可选地，将指定区域的包气带进行分层，并确定每一层的截留水量，包括：
确定指定区域的地下水埋深，并通过微波遥感测定指定区域的土壤介质特性；
将大埋深地下水水位所在区域的包气带进行分层；
根据所述土壤介质与探地雷达信号的响应关系进行包气带分层匹配，确定指定区域的包气带分层结果；
构建包气带土壤传递函数和探地雷达反演模型的联合模型；
利用联合模型，得到指定区域的包气带每一层的土壤含水量与初始含水量，根据每一层的土壤含水量与初始含水量计算截留量。
可选地，包气带包括：优先流层、浸润层、零通量层和稳定层。
另一方面，本发明还提供一种大埋深条件下地表水补给地下水的计算装置，包括：
第一计算模块：用于计算大埋深地下水水位所在的指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量；
第二计算模块：用于将指定区域的包气带进行分层，并计算每一层的截留水量；
第三计算模块：根据所述第一计算模块的有效降水量和所述第二计算模块的每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量。
综上所述，本发明通过计算有效降雨和包气带截留水量进而得到地表水补给地下水的水资源量，结果精确，结合土壤水动力学及地下水动力学，在包气带分层的基础上评刻画大埋深条件下地表水补给地下水的全过程。
附图说明
图1为本发明实施例的计算方法的一种流程图；
图2为本发明实施例的计算方法的另一种流程图；
图3为本发明实施例的计算方法的另一种流程图；
图4为图3的详细说明图；
图5为本发明实施例的计算装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、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。
第一实施例
参见图1，图1示出了本发明实施例的计算方法的一种流程图，包括以下步骤：
步骤101、计算出大埋深地下水水位所在的指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量。
本实施例中，主要以华北平原为例详细描述计算方法，故上述指定区域是指华北平原，上述下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面，降水是地下水主要的补给来源。当然可以理解的是，本发明的实施例方式也可以适用于其他地区。
步骤102、将指定区域的包气带进行分层，并确定每一层的截留水量。
上述包气带指地表到潜水位之间的非饱和带，是位于地球表面以下、潜水面以上的地质介质。包气带具有蓄水能力，包气带越厚，地表水补给地下水的有效雨量随地下水的埋深而减小。
本实施例中，将包气带分为四层，分别为：优先流层、浸润层、零通量层和稳定层。包气带每一层的截留水量是土壤含水量与初始含水量之差。
步骤103、根据有效降水量和确定的每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量。
上述大深埋条件下地表水补给地下水量是步骤101所得的有效降水量与步骤102所得的截留水量之差。
综上所述，本发明实施例通过确定大埋深地下水水位所在的指定区域的有效降水量与包气带的每一层的截留水量，能够精确得到地表水补给地下水的水资源量。
第二实施例
参见图2，图2示出了本发明实施例的计算方法的另一种流程图，包括以下步骤：
步骤201、确定指定区域的土地利用类型，利用土地利用类型表征下垫面特征。
本实施例中，根据土地利用分类图，确定土地利用类型。不同的土地利用类型，其地表截留、植物蒸腾、地面蒸发的强度均不一样，为了精确计算出有效降雨，需要计算出各不同下垫面条件下的有效降雨。
步骤202、计算不同下垫面特征下的有效降水量。
本实施例中，大气的下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面，包括山地、园地、林地、草地、裸地等。采用MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectrometer，中分辨率成像光谱仪)数据的反演算法，计算出不同下垫面条件下的有效蒸散发等地表参数。
上述MODIS数据是TERRA、AQUA卫星上的中分辨率成像光谱仪获取的遥感数据，上述反演是指根据观测信息(遥感数据)求解或推算出描述地物特征的应用参数。
步骤203、将指定区域的包气带进行分层，并确定每一层的截留水量。
上述包气带指地表到潜水位之间的非饱和带，是位于地球表面以下、潜水面以上的地质介质。包气带具有蓄水能力，包气带越厚，地表水补给地下水的有效雨量随地下水的埋深而减小。
本实施例中，将包气带分为四层，分别为：优先流层、浸润层、零通量层和稳定层。每一层的截留水量是土壤含水量与初始含水量之差。
步骤204、根据有效降水量和确定的每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量。
上述大深埋条件下地表水补给地下水量是步骤202所得的有效降水量与步骤203所得的截留水量之差。
综上所述，本发明实施例通过确定土地利用类型表征下垫面特征，计算不同下垫面的有效降雨，提高有效降雨的计算精度，并确定指定区域包气带每一层的截留水量，能精确得到地表水补给地下水的水资源量。
第三实施例
参见图3～图4，图中示出了本发明实施例的计算方法的另一种流程图，包括以下步骤：
步骤301、确定指定区域的土地利用类型，利用土地利用类型表征下垫面特征。
本实施例中，根据土地利用分类图，确定土地利用类型。不同的土地利用类型，其地表截留、植物蒸腾、地面蒸发的强度均不一样，为了精确计算出有效降雨，需要计算出各不同下垫面条件下的有效降雨。
步骤302、计算不同下垫面特征下的有效降水量。
本实施例中，大气的下垫面是指与大气下层直接接触的地球表面，包括山地、园地、林地、草地、裸地等。采用MODIS(Moderate-resolution Imaging Spectrometer，中分辨率成像光谱仪)数据的反演算法，计算出不同下垫面条件下的有效蒸散发等地表参数，进而计算出不同的下垫面特征下的有效降水量(P)。
步骤303、确定指定区域的地下水埋深，并通过微波遥感测定指定区域的土壤介质特性。
上述地下水埋深是指下水面到地表的距离，上述微波遥感是指利用波长1mm～1m电磁波(微波波段)进行遥感的统称。
本实施例中，对不同类型的平原区的地下水埋深及土壤特性进行确定，具体说来，华北平原分为山前冲积洪积倾斜平原、中部冲积湖积平原、东部冲积海积滨海平原，大埋深的地下水位主要集中在中部冲积湖积平原，不同平原区的土壤介质特性通过微波遥感的方式进行测定，为接下来探地雷达与土壤介质耦合提供基础。
上述地下水埋深可以通过探地雷达结合长系列观测资料进行。
步骤304、将大埋深地下水水位所在区域的包气带进行分层。
上述包气带是指地表到潜水位之间的非饱和带，指位于地球表面以下、潜水面以上的地质介质。
在本实施例中，对不同平原区大深埋地下水位所在区域的包气带进行分层，共分为四层：
第一层为优先流层，即包气带上层土壤在干旱状态下土壤孔隙变大，降水优先进入孔隙形成优先流；
第二层为浸润层，即水分在重力作用下在非饱和土壤中稳定流动；
第三层零通量层，即非饱和土壤与饱和土壤的临界层；
第四层为稳定层，即补给地下水水的饱和稳定层。
步骤305、根据土壤介质与探地雷达信号的响应关系进行包气带分层匹配，确定指定区域的包气带分层结果。
本实施例中，包气带的土壤介质在介电常数、电导率等物理性质以及在孔隙度和含水率等方面发生变化时，对探地雷达(GPR，Ground Penetrating Radar)信号的传播特征造成影响，因此根据不同土壤介质与探地雷达信号的响应关系进行包气带的分层匹配。
步骤306、构建包气带土壤传递函数和探地雷达反演模型的联合模型。
上述包气带的土壤传递函数(PTFs，Soil pedotransfer functions)的理论基础是水力性质与物理化学属性之间的统计关系和土壤颗粒的累积曲线与水分特征形状的相似性。
本实施例中，根据步骤305包气带分层的结果解决了包气带非均质性的问题，在原有Vereecken模型基础上构建土壤传递函数与介质的含水量、土壤容重以及颗粒的砂粘粉颗粒含量。
步骤307、利用联合模型，得到指定区域的包气带每一层的土壤含水量与初始含水量，根据每一层的土壤含水量与初始含水量计算截留量。
上述土壤容重是指一定容积的土壤(包括土粒及粒间的孔隙)烘干后的重量与同容积水重的比值。
本实施例中，利用土壤容重计算出每一层土壤含水量(Wit)，初始含水量(Wi)，土壤含水量(Wit)与初始含水量(Wi)之差为每一层的截留量(Wmi)。
参见图4，优先流补给层Q1的截留水量为W1，浸润补给层Q2的截留水量为W2，零通量补给层Q3的截留水量为W3，稳定补给层Q4的截留水量为W4。
步骤308、根据有效降水量和确定的每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量。
本实施例中，有效降水量P减去包气带每一层的截留水量得到大深埋条件下地表水补给地下水量，即地下水补给量＝P-W1-W2-W3-W4。
综上所述，本发明实施例提供一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算方法，通过计算有效降雨与包气带截留水量得到补给地下水量，其中包气带进行土壤分层以及分层匹配，并通过构建包气带土壤传递函数与探地雷达反演模型的联合模型，得到精确的计算结果，本发明实施例结合土壤水动力学及地下水动力学，在包气带分层的基础上评刻画大埋深条件下地表水补给地下水的全过程。
第四实施例
参见图5，图中示出了一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算装置，包括:
第一计算模块501：用于计算大埋深地下水水位所在的指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量。
第二计算模块502：用于将指定区域的包气带进行分层，并计算每一层的截留水量。
第三计算模块503：用于根据第一计算模块得到的有效降水量和第二计算模块得到的每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量。
可选地，第一计算模块501包括：
分类单元5011：用于确定指定区域的土地利用类型，利用土地利用类型表征下垫面特征。
第一处理单元5012：用于根据分类单元的结果，计算不同下垫面特征下的有效降水量。
可选地，第二计算模块502包括：
确定单元5021：用于确定指定区域的地下水埋深，并通过微波遥感测定指定区域的土壤介质特性。
分层单元5022：用于将大埋深地下水水位所在区域的包气带进行分层。
匹配单元5023：用于根据土壤介质与探地雷达信号的响应关系进行包气带分层匹配，确定指定区域的包气带分层结果。
联合单元5024：用于构建包气带土壤传递函数和探地雷达反演模型的联合模型；
第二处理单元5025：用于利用联合单元5024的联合模型，得到指定区域的包气带每一层的土壤含水量与初始含水量，根据每一层的土壤含水量与初始含水量计算截留量。
综上所述，本发明实施例中第一计算模块能够计算有效降雨，第二计算模块能确定包气带截留水量，进而得到的地表水补给地下水的水资源量，计算精度比较高。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算方法，其特征在于，所述计算方法包括：
计算出大埋深地下水水位所在的指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量；
将指定区域的包气带进行分层，并确定每一层的截留水量；
根据所述有效降水量和确定的所述每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量；
所述将指定区域的包气带进行分层，并确定每一层的截留水量，包括：
确定指定区域的地下水埋深，并通过微波遥感测定指定区域的土壤介质特性；
将大埋深地下水水位所在区域的包气带进行分层；
根据所述土壤介质与探地雷达信号的响应关系进行包气带分层匹配，确定指定区域的包气带分层结果；
构建包气带土壤传递函数和探地雷达反演模型的联合模型；
利用所述联合模型，得到所述指定区域的包气带每一层的土壤含水量与初始含水量，根据每一层的土壤含水量与初始含水量计算截留量。
2.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述计算出指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量，包括：
确定指定区域的土地利用类型，利用所述土地利用类型表征下垫面特征；
计算不同下垫面特征下的有效降水量。
3.根据权利要求1所述的计算方法，其特征在于，所述包气带包括：优先流层、浸润层、零通量层和稳定层。
4.一种大深埋条件下地表水补给地下水的计算装置，其特征在于，包括：
第一计算模块：用于计算大埋深地下水水位所在的指定区域的不同下垫面特征下的有效降水量；
第二计算模块：用于将指定区域的包气带进行分层，并计算每一层的截留水量；
第三计算模块：用于根据所述第一计算模块的有效降水量和所述第二计算模块的每一层的截留水量，得到大深埋条件下地表水补给地下水量；
所述第二计算模块包括：
确定单元：用于确定指定区域的地下水埋深，并通过微波遥感的方法测定指定区域的土壤介质特性；
分层单元：用于将大埋深地下水水位所在区域的包气带进行分层；
匹配单元：用于根据土壤介质与探地雷达信号的响应关系进行包气带分层匹配，确定指定区域的包气带分层结果；
联合单元：用于构建包气带土壤传递函数和探地雷达反演模型的联合模型；
第二处理单元：用于利用联合模型，得到指定区域的包气带每一层的土壤含水量与初始含水量，根据每一层的土壤含水量与初始含水量计算截留量。
5.根据权利要求4所述的计算装置，其特征在于，所述第一计算模块包括：
分类单元：用于确定指定区域的土地利用类型，利用所述土地利用类型表征下垫面特征；
第一处理单元：用于计算不同下垫面特征下的有效降水量。
6.根据权利要求4所述的计算装置，其特征在于，所述分层单元包括：优先流层、浸润层、零通量层和稳定层。
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