CN109858666A - 一种湖泊水资源量评估与预测方法 - Google Patents

一种湖泊水资源量评估与预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种湖泊水资源量评估与预测方法。本方法先通过地表‑地下水联合模拟得到湖泊的各水量平衡项，进而对湖泊水量进行评估；然后结合不同气候变化情景下气候模式输出结果对未来情景下的湖泊水量进行预测。本方法相对于传统方法具有投资少，精度高，物理机制强的特点。

Description

一种湖泊水资源量评估与预测方法
技术领域
本发明属于水资源评价领域，是一种通过模型的手段来评估和预测湖泊水资源量的方法。
背景技术
湖泊是陆地上分布最广泛的水体之一，是陆地水圈的重要组成部分，与自然界水循环密切相关。作为与人类生存和发展密切相关的自然资源，湖泊在调节区域气候、城乡供水、改善生态环境、保护生物多样性、农用灌溉、观光旅游、航运交通、发电养殖等方面发挥着重要作用。湖泊资源的核心是水资源，它是维持湖泊生态系统稳定和健康发展的物质基础，因此合理评估和预测湖泊水资源量具有重要意义。
湖泊水量随其补给量和排泄量的变化而动态变化。湖泊的水量补给项一般包括水面降水、外部河道汇入以及周围含水层补给等；排泄项一般包括水面蒸发、湖底渗漏、下游河道排泄以及人工取用水等。现有的湖泊水资源量评估方法主要包括传统法和遥感法。传统法主要是通过水文站观测数据和现场实验评估得到各项补给和排泄项的值，然后对湖泊水量进行评估计算，这种方法不仅对资料的要求较高，同时耗费大量的人力物力，也很难对大区域多湖泊的水量进行有效评估，具有较大的局限性。近年来，随着遥感技术的不断发展，越来越多的学者通过遥感数据进行湖泊水量的评估，这种方法虽然操作起来比较方便，但一般都是通过湖泊水位和湖泊水面面积对湖泊的水量进行估算，没有考虑湖泊水量平衡过程，评估结果精度有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种湖泊水量评估和预测方法，该方法能够具有较好的实用性、较高的计算精度以及较强的物理机制。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种湖泊水资源量评估与预测方法，包括以下步骤，
1)分布式水文模型和地下水模拟模型的耦合：建造分布式水文模型及地下水数值模拟模型，并将两种模型耦合得到地表-地下水联合模拟模型，通过地表-地下水联合模拟模型得到湖泊的各水量平衡项；
2)构建湖泊水位-蓄水量关系曲线：通过数字高程模型获得湖泊湖底的高程数据，刻画湖泊的形态，通过水网格系统表示湖泊的体积，构建湖泊水位-蓄水量关系曲线；
3)湖泊水位计算：通过迭代方法对式(1)进行求解，达到湖泊水位：
式中：和为当前时段和前一时段湖泊的水位；Δt为当前的时间步长；p为当前时段湖泊接受的降水量；e为当前时段湖泊的蒸发量；w为当前时段湖泊的人工补水或抽排量，正表示抽排，负表示补水；Qsi为当前时段与湖泊相连的上游河流流入湖泊的水量；Qso为当前时段湖泊向下游河流流出的水量；sp为时段内湖泊与含水层之间的总渗流量，正表示湖泊向含水层净排泄，负表示含水层向湖泊净排泄；其中，Qsi是通过分布式水文模型计算得到；sp的计算是通过地下水数值模拟模型计算得到；
4)湖泊水量的计算：根据湖泊水位，通过湖泊水位-蓄水量关系曲线查得相应的蓄水量；
5)未来情形湖泊水量的预测：采用多模式集合平均的方法将多种未来气候变化情景下的输出结果输入到地表水-地下水联合模拟模型中，预测未来不同气候变化情景下湖泊的蓄水量。
进一步的方案为：步骤1)中通过对两种模型源代码进行修改，将分布式水文模型和地下水数值模拟模型连接起来，实现数据的实时互馈，完成两种模型的耦合。耦合过程为：将分布式水文模型的输出数据，作为地下水数值模拟模型的输入数据，然后再将地下水数值模拟模型的输出结果反馈给分布式水文模型，实现两个模型数据之间的动态交互。
进一步的方案为：步骤2)中构建湖泊水位-蓄水量关系曲线的具体方法为：湖泊的体积由地下水网格系统中一系列无效单元格来代表，其深度从顶层单元的地表高程往下扩展；无效单元格包围在有效单元格之间，有效网格代表与湖泊相邻的含水层；从最低湖底高程的湖泊网格单元开始，逐步统计湖泊水位变化引起的湖泊蓄水量变化，得到湖泊的水位与湖泊蓄水量之间的关系。
本发明的有益效果：
本发明为一种基于气候模式、分布式水文模型及地下水数值模拟模型的湖泊水资源量评估和预测方法。本方法先通过地表-地下水联合模拟得到湖泊的各水量平衡项，进而对湖泊水量进行评估；然后结合不同气候变化情景下气候模式输出结果对未来情景下的湖泊水量进行预测。本方法相对于传统方法具有投资少，精度高，物理机制强的特点。
附图说明
图1湖泊-地表水-地下水交互作用概念图；
图2湖泊在地下水含水层网格系统中的刻画；
图3湖泊与含水层相互作用概念图；
图4湖泊水位-蓄水量关系曲线示意图；
图5湖泊水量评估和预测方法流程图。
具体实施方式
本发明一种湖泊水资源量评估与预测方法，包括以下步骤，
1)联合模拟模型的构建：建造分布式水文模型及地下水数值模拟模型，并将两种模型耦合得到地表-地下水联合模拟模型，通过地表-地下水联合模拟模型得到湖泊的各水量平衡项；
2)构建湖泊水位-蓄水量关系曲线：通过数字高程模型获得湖泊湖底的高程数据，刻画湖泊的形态，通过水网格系统表示湖泊的体积，构建湖泊水位-蓄水量关系曲线；
3)湖泊水位计算：通过迭代方法对式(1)进行求解，达到湖泊水位：
式中：和为当前时段和前一时段湖泊的水位；Δt为当前的时间步长；p为当前时段湖泊接受的降水量；e为当前时段湖泊的蒸发量；w为当前时段湖泊的人工补水或抽排量，正表示抽排，负表示补水；Qsi为当前时段与湖泊相连的上游河流流入湖泊的水量；Qso为当前时段湖泊向下游河流流出的水量；sp为时段内湖泊与含水层之间的总渗流量，正表示湖泊向含水层净排泄，负表示含水层向湖泊净排泄；其中，Qsi是通过分布式水文模型计算得到；sp的计算是通过地下水数值模拟模型计算得到；
4)湖泊水量的计算：根据湖泊水位，通过湖泊水位-蓄水量关系曲线查得相应的蓄水量；
5)未来情形湖泊水量的预测：采用多模式集合平均的方法将多种未来气候变化情景下的输出结果输入到地表水-地下水联合模拟模型中，预测未来不同气候变化情景下湖泊的蓄水量。因为现有的气候模式有几十种之多，比如GMIP，RegCM3等，采用众多气候模式中的某几种气候模式输出结果的平均值，就是所谓的多模式集合平均的方法。
具体方式通过以下实施例具体说明：
实施例1
一种湖泊水量评估和预测方法，步骤包括：
1.分布式水文模型和地下水模拟模型的耦合
湖泊一方面通过降水、蒸发、上游河道汇入等过程与地表水循环过程产生紧密联系，另一方面也由于湖底渗漏和含水层渗出补给过程与地下水循环过程密不可分，因此实现地表-地下水联合模拟能够有效提高湖泊水量评估的精度。湖泊与地表水和地下水之间的交互作用如图1所示。地表水和地下水含水层之间的水量交互形式有很多，图中只展示了与湖泊相关的方式。图1中虚线以上的部分可以通过分布式水文模型来模拟，虚线以下的部分可以通过地下水数值模拟模型来模拟。一般来说，分布式水文模型与地下水数值模拟模型的时间和空间尺度都是不一致的，通过对两种模型源代码进行修改，将分布式水文模型和数值模拟模型连接起来，实现数据的实时互馈，完成两种模型的耦合。耦合过程为：将分布式水文模型的输出数据，作为地下水数值模拟模型的输入数据，然后再将地下水数值模拟模型的输出结果反馈给分布式水文模型，实现两个模型数据之间的动态交互。
2.湖泊在地下水数值模拟模型中的刻画及水位-蓄水量关系曲线确立
湖泊的体积由地下水网格系统中一系列无效单元格来代表，其深度从顶层单元的地表高程往下扩展。无效单元格包围在有效单元格之间，代表与湖泊相邻的含水层，如图2所示。因此，模拟之前只有知道湖泊湖底的高程数据，才能够在地下水模型中准确刻画出湖泊的形态，这些数据可以通过数字高程模型(Digital Elevation Model)来得到。水位-蓄水量关系曲线建立方法为，从最低湖底高程的湖泊网格单元开始，逐步统计湖泊水位变化引起的湖泊蓄水量变化，得到湖泊的水位与湖泊蓄水量之间的关系。如图4所示。
3.湖泊水量的计算
湖泊水量平衡方程为：
其中：
和为当前时段和前一时段湖泊的水位(L)；
Δt：当前的时间步长(T)；
p：当前时段湖泊接受的降水量(L3/T)；
e：当前时段湖泊的蒸发量(L3/T)；
w：当前时段湖泊的人工补水或抽排量(L3/T)，正表示抽排，负表示补水；
Qsi：当前时段与湖泊相连的上游河流流入湖泊的水量(L3/T)；
Qso：当前时段湖泊向下游河流流出的水量(L3/T)；
sp：时段内湖泊与含水层之间的总渗流量(L3/T)，正表示湖泊向含水层净排
泄，负表示含水层向湖泊净排泄；
As：当前时段湖泊的水面面积(L2)。
其中Qsi是通过分布式水文模型计算得到；sp的计算是通过地下水数值模拟模型计算得到。
通过迭代计算的方法可以对以上湖泊水量平衡控制方程进行求解，得到湖泊水位。
湖泊与含水层之间的渗流量sp的计算参考公式(2)和公式(3)。
湖泊与相邻含水层之间的水量交换与湖泊水位和含水层系统的地下水位之间的关系有关。湖泊水位和地下水位都可能在时空上发生显著变化。当湖泊水位高于相邻含水层的地下水位时，湖泊中的水分将补给进入含水层中。当地下水位高于湖泊时，含水层中的水分将进入湖泊。如图3所示。
湖泊与相邻含水层之间的水量交换都由达西公式确定：
其中：
q：湖泊与相邻含水层之间的渗流渗出强度(L/T)；
K：湖泊与含水层水位以下的某点之间的水力传导度(L/T)；
hl：湖泊的水位(L)；
ha：含水层的水位(L)；
Δl：hl与ha观测点之间的距离差(L)；
式(2)，当湖泊水位高于含水层水位时，渗出强度的符号为正。
在地下水数值模型中，将水分传递强度进一步表达为流量将比较方便使用，因此将以上渗出强度乘以垂直于流速方向的面积A(L2)可得：
式(3)中c＝KA/Δl为导水系数(L2/T)。以单位面积流量计，K/Δl表达的是越流系数的概念(T-1)。Q为流量，相当于式(1)中的sp。
4.湖泊蓄水量的查询
根据湖泊水位，从图4中，查得相应的湖泊蓄水量。
5.湖泊水量的预测
采用不同气候变化情景下的气候模式多模式集合平均输出结果驱动地表水-地下水联合模拟模型中，预测未来不同气候变化情景下湖泊的蓄水量。由于各气候模式的分辨率、模式初始条件不同，为减小预测误差，采用多模式集合平均的方法多种未来气候变化情景下的输出结果输入到地表水-地下水联合模拟模型。图5给出了基于气候模式、分布式水文模型、地下水数值模拟模型的湖泊蓄水量的评估和预测步骤。

Claims (3)

1.一种湖泊水资源量评估与预测方法，其特征在于：包括以下步骤，
1)分布式水文模型和地下水数值模拟模型的耦合：建造分布式水文模型及地下水数值模拟模型，并将两种模型耦合得到地表-地下水联合模拟模型，通过地表-地下水联合模拟模型得到湖泊的各水量平衡项；
2)构建湖泊水位-蓄水量关系曲线：通过数字高程模型获得湖泊湖底的高程数据，刻画湖泊的形态，通过水网格系统表示湖泊的体积，构建湖泊水位-蓄水量关系曲线；
3)湖泊水位计算：通过迭代方法对式(1)进行求解，达到湖泊水位：
式中：和为当前时段和前一时段湖泊的水位；Δt为当前的时间步长；p为当前时段湖泊接受的降水量；e为当前时段湖泊的蒸发量；w为当前时段湖泊的人工补水或抽排量，正表示抽排，负表示补水；Qsi为当前时段与湖泊相连的上游河流流入湖泊的水量；Qso为当前时段湖泊向下游河流流出的水量；sp为时段内湖泊与含水层之间的总渗流量，正表示湖泊向含水层净排泄，负表示含水层向湖泊净排泄；As表示当前时段湖泊的水面面积；其中，Qsi是通过分布式水文模型计算得到；sp的计算是通过地下水数值模拟模型计算得到；
4)湖泊水量的计算：根据湖泊水位，通过湖泊水位-蓄水量关系曲线查得相应的蓄水量；
5)未来情形湖泊水量的预测：采用多模式集合平均的方法将多种未来气候变化情景下的输出结果输入到地表水-地下水联合模拟模型中，预测未来不同气候变化情景下湖泊的蓄水量。
2.根据权利要求1所述的湖泊水资源量评估与预测方法，其特征在于：步骤1)中通过对两种模型源代码进行修改，将分布式水文模型和地下水数值模拟模型连接起来，实现数据的实时互馈，完成两种模型的耦合。
3.根据权利要求1所述的湖泊水资源量评估与预测方法，其特征在于：步骤2)中构建湖泊水位-蓄水量关系曲线的具体方法为：湖泊的体积由地下水网格系统中一系列无效单元格来代表，其深度从顶层单元的地表高程往下扩展；无效单元格包围在有效单元格之间，有效网格代表与湖泊相邻的含水层；从最低湖底高程的湖泊网格单元开始，逐步统计湖泊水位变化引起的湖泊蓄水量变化，得到湖泊的水位与湖泊蓄水量之间的关系。
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