CN109492299A - 基于swmm与modflow耦合的水资源模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水文水资源技术领域，公开了一种基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法，包括：采集研究区域空间地理数据、气象数据、降雨相关的水文数据及水文地质基础数据；结合所采集的数据，构建适用于研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型；构建不同降雨情景，结合SWMM模型分析不同降雨情境下地表水的动态变化；结合SWMM模型模拟结果，构建不同降雨补给情景，结合MODFLOW模型分析不同降雨不给情景下地下水动态变化。本发明提供的耦合的水资源模拟方法有效避免了在城镇化较高的区域面临极端天气时，快排模式的传统治水方式现局部内涝、河道水质污染严重、水体生态环境恶化等城市雨水的问题，提高了城市的排水强度。

Description

基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法

技术领域

本发明属于水文水资源技术领域，尤其涉及一种基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：随着经济社会的高速发展，城市化迅速，城市地区的地下水开采量增大出现严重的地下水位下降现象；还有全球气候变暖，天气恶劣，城市地区常常出现，造成城市看“海”等景象，极易造成灾害。

城市雨洪灾害是威胁人类生存、发展最主要的自然灾害之一。随着城镇化的迅速发展，城市化的地面硬化比例越来越高，地面的渗透性能越来越低，这种改变导致了城市化区域逐渐丧失了原有的涵水、保水、渗水、滞水的功能，地下水不能及时得到补充，再加上城市发展下对地下水的过度开采利用，使得部分地区出现地下水大漏斗问题。在城镇化较高的区域面临极端天气时，快排模式的传统治水方式往往出现局部内涝、河道水质污染严重、水体生态环境恶化等城市雨水问题。

综上所述，现有技术存在的问题是：

随着城镇化的迅速发展，城市地面的硬化比例越来越高，地面的渗透性能越来越低，这种改变导致了城市化区域逐渐丧失了原有的涵水、保水、渗水、滞水的功能，在城镇化较高的区域面临极端天气时，快排模式的传统治水方式往往出现局部内涝、河道水质污染严重、水体生态环境恶化等城市雨水问题，以及城市发展下对地下水的过度开采利用，使得部分地区出现地下水大漏斗问题。

解决上述技术问题的难度和意义：在对城市雨洪调控措施的动态、定性和定量的分析的同时，考虑其对地下水补给效果。为海绵城市建设提供科学依据。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法。

本发明是这样实现的，一种基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法包括：

步骤一：采集研究区域空间地理数据、气象数据、降雨相关的水文数据及水文地质基础数据；

步骤二：结合所采集的数据，基于SWMM与MODFLOW模型构建适用于研究区域的地表水与地下水耦合模型；

步骤三：构建不同降雨情景，结合SWMM模型分析不同降雨情境下地表水的动态变化；

步骤四：结合SWMM模型模拟结果，构建不同降雨补给情景，结合MODFLOW模型分析不同降雨不给情景下地下水动态变化。

进一步，所述研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型的构建方法为：

步骤一：对搜集的基础数据进行处理，形成符合实际和模型计算要求的形式，利用SWMM模型构建地表产汇流模型，并对构建的SWMM模型进行参数率定，评价模型精度；

步骤二：建立MODFLOW模型，确定地下水含水系统结构，构建有限差分网格，划分水文地质参数分区，确定边界条件；

步骤三：提取SWMM模型模拟结果的下渗量作为MODFLOW模型的降雨补给的输入项，并对构建的MODFLOW模型进行水量均衡计算。

进一步，所述评价模型精度的方法为：

步骤一：将研究区域SWMM模型的汇水区概化为与MODFLOW模型中有限差分网格对应；

步骤二：在SWMM模型中构建地表产流模型，分别对渗透地表、洼蓄不渗透地表和无洼蓄不渗透地表的径流量分别进行计算，然后通过面积的加权平均获得子汇水区域的径流出流过程线；

步骤三：在SWMM模型中采用非线性水库模型进行地表产流演算；

步骤四：结合降雨、土壤类型及地面状况选取适合当地的下渗模型来模拟当地的下渗过程。

进一步，所述确定地下水含水系统结构，构建有限差分网格，划分水文地质参数分区，确定边界条件的方法为：

步骤一：将模拟区域分层，并划分为若干单元格，根据SWMM模型中汇水区概化情况确定MODFLOW模型的有限差分网格，使两个模型的坐标位置对应，并使MODFLOW模型的有效计算网格和SWMM模型的汇水区网格对应；

步骤二：确定层顶部高程，根据研究区域的水文地质图，确定MODFLOW模型中各水文地质参数的分区；

步骤三：根据搜集的研究区域的地下水水位初始数据，确定模型初始条件；

步骤四：根据研究区域内河流湖泊的水位数据，确定模型边界条件。

进一步，所述对构建的MODFLOW模型进行水量均衡计算的方法为：

步骤一：提取SWMM模型模拟结果中每个子汇水区对应的下渗时间序列，经过单位格式的变换作为MODFLOW模型中Recharge模块的输入文件；

步骤二：根据各水文地质参数及分区，建立研究区的地下水流数学模拟模型。

进一步，所述地下水流数学模拟模型为：

其中：K_x，K_y和K_z为渗透系数在x、y和z方向上的分量。假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致，量纲为(LT^-1)；

h：水头(L)；

W：单位体积流量(T^-1)，用以代表流进汇或来自源的水量；

Ss：空隙介质的贮水率(L^-1)；

T：时间(T)。

进一步，所述根据SWMM模型分析不同降雨情境下地表水的动态变化的方法为：

步骤一：设置极端降雨情形，利用符合该区域暴雨特性的暴雨强度公式，求得该区域不同重现期及不同降雨历时的雨强，与芝加哥雨型合成能同时反映降雨强度、降雨历时和雨峰系数的降雨数据；

步骤二：根据各重现期降雨情景下SWMM模型模拟的结果，对比LID添加前后汇水区域的最大汇流量和下渗量，汇水区添加适当的LID后最大汇流量将减少，下渗量将增加；

进一步，所述不同降雨补给情景下的地下水动态变化情况为：

(1)根据各降雨情景下所提取的SWMM模型模拟出的降雨下渗数据，构造不同的降雨补给情况；

(2)根据各降雨补给情景下MODFLOW模型模拟的结果，对比添加LID区域前后的地下水位变化。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：现有技术利用SWMM模拟海绵城市建设中的LID效果只能单一的得到地表径流的控制情况，而MODFLOW多用于模拟流域地下水情况，本发明提供的耦合的水资源模拟方法，构建了城市地区地表水和地下水模型，模拟在极端降雨情境下区域经LID措施调控前后的子汇水区域高峰径流、地下水位，解决了现有单一的城市区域地表或地下水模型模拟问题，有助于把握海绵城市建设中LID措施对区域雨洪的调控效果以及地下水补给效果，方便海绵城市建设中LID措施的布置及选择。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法流程图；

图2是本发明实施例提供的研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型的构建方法流程图；

图3是本发明实施例提供的评价模型精度的方法流程图；

图4是本发明实施例提供的确定地下水含水系统结构，构建有限差分网格，划分水文地质参数分区确定边界条件的方法流程图；

图5是本发明实施例提供的对构建的MODFLOW模型进行水量均衡计算的方法流程图；

图6是本发明实施例提供的根据SWMM模型分析不同降雨情境下地表水的动态变化的方法流程图；

图7是本发明实施例提供的模拟流程示意图；

图8是本发明实施例提供的非线性水库模型计算方法的原理示意图；

图9是本发明实施例提供的汇水区域概化示意图；

图10是本发明实施例提供的研究区域位置图；

图11是本发明实施例提供的空港区域子流域概化图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明的应用原理做详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法包括：

S101：采集研究区域空间地理数据、气象数据、降雨相关的水文数据及水文地质基础数据；

S102：结合所采集的数据，构建适用于研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型；

S103：构建不同降雨情景，结合SWMM模型分析不同降雨情境下地表水的动态变化；

S104：结合SWMM模型模拟结果，构建不同降雨补给情景，结合MODFLOW模型分析不同降雨不给情景下地下水动态变化。

如图2所示，本发明实施例提供的研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型的构建方法为：

S201：对搜集的基础数据进行处理，形成符合实际和模型计算要求的形式，利用SWMM模型构建地表产汇流模型，并对构建的SWMM模型进行参数率定，评价模型精度；

S202：建立MODFLOW模型，确定地下水含水系统结构，构建有限差分网格，划分水文地质参数分区，确定边界条件；

S203：提取SWMM模型模拟结果的下渗量作为MODFLOW模型的降雨补给的输入项，并对构建的MODFLOW模型进行水量均衡计算。

如图3所示，本发明实施例提供的评价模型精度的方法为：

S301：将研究区域SWMM模型的汇水区概化为与MODFLOW模型中有限差分网格对应；

S302：在SWMM模型中构建地表产流模型，分别对渗透地表、洼蓄不渗透地表和无洼蓄不渗透地表的径流量分别进行计算，然后通过面积的加权平均获得子汇水区域的径流出流过程线；

S303：在SWMM模型中采用非线性水库模型进行地表产流演算；

S304：结合降雨、土壤类型及地面状况选取适合当地的下渗模型来模拟当地的下渗过程。

如图4所示，本发明实施例提供的确定地下水含水系统结构，构建有限差分网格，划分水文地质参数分区，确定边界条件的方法为：

S401：将模拟区域分层，并划分为若干单元格，根据SWMM模型中汇水区概化情况确定MODFLOW模型的有限差分网格，使两个模型的坐标位置对应，并使MODFLOW模型的有效计算网格和SWMM模型的汇水区网格对应；

S402：确定层顶部高程，根据研究区域的水文地质图，确定MODFLOW模型中各水文地质参数的分区；

S403：根据搜集的研究区域的地下水水位初始数据，确定模型初始条件；

S404：根据研究区域内河流湖泊的水位数据，确定模型边界条件。

如图5所示，本发明实施例提供的对构建的MODFLOW模型进行水量均衡计算的方法为：

S501：提取SWMM模型模拟结果中每个子汇水区对应的下渗时间序列，经过单位格式的变换作为MODFLOW模型中Recharge模块的输入文件；

S502：根据各水文地质参数及分区，建立研究区的地下水流数学模拟模型。

本发明实施例提供的地下水流数学模拟模型为：

其中：K_x，K_y和K_z为渗透系数在x、y和z方向上的分量。假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致，量纲为(LT^-1)；

h：水头(L)；

W：单位体积流量(T^-1)，用以代表流进汇或来自源的水量；

Ss：空隙介质的贮水率(L^-1)；

T：时间(T)。

如图6所示，本发明实施例提供的根据SWMM模型分析不同降雨情境下地表水的动态变化的方法为：

S601：设置极端降雨情形，利用符合该区域暴雨特性的暴雨强度公式，求得该区域不同重现期及不同降雨历时的雨强，与芝加哥雨型合成能同时反映降雨强度、降雨历时和雨峰系数的降雨数据；

S602：根据各重现期降雨情景下SWMM模型模拟的结果，对比LID添加前后汇水区域的最大汇流量和下渗量，汇水区添加适当的LID后最大汇流量将减少，下渗量将增加。

本发明实施例提供的不同降雨补给情景下的地下水动态变化情况为：

(1)根据各降雨情景下所提取的SWMM模型模拟出的降雨下渗数据，构造不同的降雨补给情况；

(2)根据各降雨补给情景下MODFLOW模型模拟的结果，对比区域地下水位变化。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

渗透地表、洼蓄不渗透地表和无洼蓄不渗透地表的径流量计算方法为：

对于无洼蓄不透水地表，除了地表蒸发，降雨量基本上都转化为径流量，当降雨强度大于蒸发量时开始形成径流。因此，无洼蓄不透水地表的产流量计算公式为：

R₁＝P-E (1)

式中：R₁-无洼蓄不透水面积的产流量，mm；

P-降雨量，mm；

E-蒸发量，mm。

对于有洼蓄不透水地表，降雨量首先要扣除地表的最大洼蓄量，然后开始形成径流。因此，有洼蓄不透水地表的产流量计算公式为：

R₂＝P-D (2)

式中:R₂-有洼蓄不透水面积的产流量，mm；

P-降雨量，mm；

D-洼蓄量，mm。

对于透水地表，降雨量首先要满足地表面入渗的需求，当降雨强度大于入渗强度时，地面开始积水，直至超过其洼地最大滞水量时，开始形成地表径流。透水地表产流量计算式为：

R₃＝(i-f)Δt (3)

式中：R₃-透水面积的产流量，mm；

i-降雨强度，mm；

f-入渗率，mm/h。

因此，可以得出，在相同条件下，无洼蓄的不透水地表、有洼蓄的不透水地表和透水地表依次开始形成径流。

实施例2

非线形水库模型的推导方法为：

地表汇流过程是指将各子汇水区的净雨汇集到出口控制断面或者直接排入水库、河道。地表汇流演算模拟采用的是非线形水库模型，由连续性方程和曼宁公式联立求解。完成地表汇流演算需要在SWMM模型中输入以下参数：子汇水区的地表坡度、子汇水区的面积、子汇水区的宽度以及子和汇水区透水性面积比例和各种类型地面洼蓄量与曼宁粗糙系数。三种类型下垫面的产流计算方法采用非线性水库计算模型运算模拟，非线性水库模型计算方法的原理示意图如图8所示。非线性水库模型的基本计算原理是假设各个子汇水区域是一个水位很低的水库，水库的进流为一段时间内的降雨量，水库的出流为下渗的水量以及流出子汇水区域的水量。非线性水库模型存在这样的假设:子汇水区的出流状态考虑为恒定的均匀流状态，并且水位高差为y-y_d，但该模型的出流水量与水位高度呈非线性的函数关系。因此，非线性水库模型的质量守恒方程的微分形式表达为式(4)，(该式同时也是连续性方程)：

式中：S-子汇水区的面积大小；

i-瞬时降雨强度；

f-降雨入渗速率；

Q-汇水区出口径流流量；

y-汇水区径流的平均水位高度；

图中y_d可以理解为子汇水区的洼蓄水量，不同类型下垫面的取值不同。子汇水区的出口径流量可以根据明渠流量计算公式曼宁公式求得，计算式为式:

Q＝W(y-y_d)^5/3S^1/2/n (5)

式中：W-子汇水区的概化宽度；

S-子汇水区的地表平均坡度；

n-子汇水区的曼宁系数的均值。

根据以上微分形式的质量守恒方程和子汇水区的出口流量表达式，可以得到水面高度y的非线性表达式。采用差分法，改变表达式形式，得到如下形式：

式中：Δt-计算时间的单位长度；

y₁-计算时间单元起开始时刻的水面高度；

y₂-计算时间单元最终时刻的水面高度；

-计算时间单元内的降雨强度均值；

-计算时间单元内的降雨地面平均入渗速率。

运用牛顿-拉夫逊迭代方法可以求得以上方程组的解。在计算时间单元内，差分方程求解按照以下三个流程进行：1.运用格林一安普入渗速率计算式得出计算时间单元内预期的入渗速率的均值；2.由此运用方程得出水深y₂；3.将y₂代入曼宁计算式中求解计算时间单元内的汇水区径流量Q。

对于有洼蓄不透水面积和无洼蓄不透水面积，其求解方法与透水面积的求解方法相类似。唯一区别是前一种情况仅入渗率f取为0，而后一种情况入渗率f和洼蓄量(与D含义相同)均取为0。

实施例3

入渗模型的构建方法为：

SWMM中有三种入渗模型：霍顿模型；格林-安普特模型和径流曲线数法。结合降雨、土壤类型及地面状况等选取适合当地的下渗模型来模拟当地的下渗过程。

霍顿模型是根据观察经验得出的，仅适用于降雨强度总是超过渗透能力的项目，在SWMM中使用修正形式的目的是克服这一缺陷。霍顿入渗模型可用以下函数进行表示：

f＝(f₀-f_∞)e^-kt+f_∞ (7)

式中：f是入渗能力，mm/min；k是入渗衰减指数，s-1或h-1；t是降雨时间，min；f0是初始入渗率，mm/min；是稳定入渗率，mm/min。

格林-安普特模型方程是一个以自然法则为基础的模型，可以很好地描述渗透过程，公式也适用于在暴雨开始之初降雨强度小于渗透能力的情况。格林-安普特入渗模型可用以下函数进行表示：

式中：F是降雨累积入渗深度；K_S是饱和水力传导率；S_W是浸润面上土壤吸水能力；θ_s是饱和时按照体积计算出来的含水量；θ_i是初始时按照体积计算出来的含水量；i是降雨强度，mm/min。

径流曲线数法是在计算径流的NRCS(SCS)数字曲线方法的基础上演化而来的。该方法假定土壤的总下渗能力可以从土壤(含水量)数值曲线获取。径流曲线数法入渗模型可用以下函数进行表示：

式中：PE是累积有效降雨量；I_a是初始损失；P是累积降雨量；S是潜在的最大洼蓄量。

下面以天津空港经济区为例对发明作进一步描述。

天津空港经济区地处天津市东丽区境内，天津滨海国际机场东北侧，距是市中心13km，距保税区、开发区30余km。一期建设用地23.5Km²，二期建设用地20.88Km2，一期和二期占地共44.38Km²。经济区规划居住人口6万人，就业人口14万人。经济区以现代化工业为主，其用地构成主要是工业、物流、公共设施、绿化和基础设施等，如图10所示。

本发明中采用格林-安普特方程模拟下渗。该方法在模拟下渗过程中，先假定土壤层中存在一个湿润锋，该锋将初始土壤含水层与饱和土壤含水层分割开来，位于二者之间。其输入参数包括：吸力水头、水力传导率以及初始亏损，各参数本文取值如下：吸力水头：300mm；水力传导率：15mm/h；初始亏损：0.3。

将含水层划分为一层，有限差分单元格的划分与SWMM模型汇水区划分一致。

通过构建适用于研究区域的地表水与地下水耦合的水文模型，对不同土地利用条件下地下水动态变化及其对降雨径流过程的响应。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法，其特征在于，所述基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法包括：采集研究区域空间地理数据、气象数据、降雨相关的水文数据及水文地质基础数据；结合所采集的数据，构建适用于研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型；构建不同降雨情景，结合SWMM模型分析不同降雨情境下地表水的动态变化；结合SWMM模型模拟结果，构建不同降雨补给情景，结合MODFLOW模型分析不同降雨不给情景下地下水动态变化。

2.如权利要求1所述的基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法，其特征在于，所述研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型的构建方法包括：

步骤一：对搜集的基础数据进行处理，形成符合实际和模型计算要求的形式，利用SWMM模型构建地表产汇流模型，并对构建的SWMM模型进行参数率定，评价模型精度；

步骤二：建立MODFLOW模型，确定地下水含水系统结构，构建有限差分网格，划分水文地质参数分区，确定边界条件；

步骤三：提取SWMM模型模拟结果的下渗量作为MODFLOW模型的降雨补给的输入项，并对构建的MODFLOW模型进行水量均衡计算。

3.如权利要求2所述的基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法，其特征在于，所述评价模型精度的方法为：

步骤一：将研究区域SWMM模型的汇水区概化为与MODFLOW模型中有限差分网格对应；

步骤二：在SWMM模型中构建地表产流模型，分别对渗透地表、洼蓄不渗透地表和无洼蓄不渗透地表的径流量分别进行计算，然后通过面积的加权平均获得子汇水区域的径流出流过程线；

步骤三：在SWMM模型中采用非线性水库模型进行地表产流演算；

步骤四：结合降雨、土壤类型及地面状况选取适合当地的下渗模型来模拟当地的下渗过程。

4.如权利要求2所述研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型的构建方法，其特征在于，所述确定地下水含水系统结构，构建有限差分网格，划分水文地质参数分区，确定边界条件的方法为：

步骤一：将模拟区域分层，并划分为若干单元格，根据SWMM模型中汇水区概化情况确定MODFLOW模型的有限差分网格，使两个模型的坐标位置对应，并使MODFLOW模型的有效计算网格和SWMM模型的汇水区网格对应；

步骤二：确定层顶部高程，根据研究区域的水文地质图，确定MODFLOW模型中各水文地质参数的分区；

步骤三：根据搜集的研究区域的地下水水位初始数据，确定模型初始条件；

步骤四：根据研究区域内河流湖泊的水位数据，确定模型边界条件。

5.如权利要求2所述研究区域的SWMM与MODFLOW耦合模型的构建方法，其特征在于，所述对构建的MODFLOW模型进行水量均衡计算的方法为：

步骤一：提取SWMM模型模拟结果中每个子汇水区对应的下渗时间序列，经过单位格式的变换作为MODFLOW模型中Recharge模块的输入文件；

步骤二：根据各水文地质参数及分区，建立研究区的地下水流数学模拟模型。

6.如权利要求5所述对构建的MODFLOW模型进行水量均衡计算的方法，其特征在于，所述地下水流数学模拟模型为：

其中：K_x，K_y和K_z为渗透系数在x、y和z方向上的分量。假定渗透系数的主轴方向与坐标轴的方向一致，量纲为(LT^-1)；

h：水头(L)；

W：单位体积流量(T^-1)，用以代表流进汇或来自源的水量；

Ss：空隙介质的贮水率(L^-1)；

T：时间(T)。

7.如权利要求1所述基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法，其特征在于，所述根据SWMM模型分析不同降雨情境下地表水的动态变化的方法为：

步骤一：设置极端降雨情形，利用符合该区域暴雨特性的暴雨强度公式，求得该区域不同重现期及不同降雨历时的雨强，与芝加哥雨型合成能同时反映降雨强度、降雨历时和雨峰系数的降雨数据；

步骤二：根据各重现期降雨情景下SWMM模型模拟的结果，分析区域各汇水区域的产汇流情况和下渗情况。

8.如权利要求1所述基于SWMM与MODFLOW耦合的水资源模拟方法，其特征在于，所述不同降雨补给情景下的地下水动态变化情况为：

(1)根据各降雨情景下所提取的SWMM模型模拟出的降雨下渗数据，构造不同的降雨补给情况；

(2)根据各降雨补给情景下MODFLOW模型模拟的结果，分析区域地下水位变动情况。