CN111723505A - 一种流域水质水量监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于测试系统技术领域，公开了一种流域水质水量监测系统，HYDRUS模块，通过两套网格交叉切割形成更小的交叉单元，用于实现进行根区土壤水，地下水，地表河道水模拟；MODFLOW模块，用于实现对包气带土壤水入渗通量和河床水流交换通量监测；EFDC模块，用于实现河流、湖泊、水库、湿地、河口和海洋水体的水动力和水质运移过程模拟。能根据河道水的实时水位与地下水的实时水位，模拟河道水与地下水两者之间的实时交换；能根据实时降水速率、土壤水、地下水之间的关系，模拟降水在土壤中的渗透、土壤水与地下水之间的实时转换；对流域中不同形态的水含量进行耦合模拟，考虑不同形态水之间的相互影响、相互转化。
Description
技术领域
本发明属于测试系统技术领域，尤其涉及一种流域水质水量监测系统。
背景技术
水质监测是监视和测定水体中污染物的种类和各类污染物的浓度及变化趋势，评价水质状况的过程，监测范围十分广泛，包括未被污染和已受污染的天然水及各种各样的工业排水等。主要监测项目可分为两大类，一类是反映水质状况的综合指标，如温度、色度、浊度、pH值、电导率、悬浮物、溶解氧、化学需氧量和生化需氧量等，另一类是一些有毒物质，如酚、氰、砷、铅、铬、镉、汞和有机农药等，为客观的评价江河和海洋水质的状况，除上述监测项目外，有时需进行流速和流量的测定。
水资源在大气、地表面、以及地表面以下的不断运动形成了水文循环。而水文循环的核心是地表水与地下水的不断交换、相互作用。在水文循环中，地表水和地下水不是孤立的个体，二者通过不断变化的气候、地形地貌和地质条件相互作用。因此，不管开发或污染了地表水或地下水都势必在一定程度上影响另一水体的质量。
目前，由于资料限制或研究问题的侧重点不同，很多水文模型只关注地表水部分或地下水部分，或者将其中一部分简化处理。如地表水模型主要侧重于近地表水文过程，对地下水过程一般简化为线性水库演算方法，仅考虑进入含水层的水量而未考虑地下水对土壤水传输及对地表水的作用。地下水模型一般只考虑饱和带水流和赋存作用，对降雨入渗及蒸散发过程则采取简化处理，仅给出含水层的补给率，未考虑非饱和带土壤水与地下水之间的动态联系，对降雨－径流这一重要水文过程则完全忽略。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)现有的地表水模型主要侧重于近地表水文过程，对地下水过程一般简化为线性水库演算方法，仅考虑进入含水层的水量而未考虑地下水对土壤水传输及对地表水的作用。
(2)地下水模型一般只考虑饱和带水流和赋存作用，对降雨入渗及蒸散发过程则采取简化处理，仅给出含水层的补给率，未考虑非饱和带土壤水与地下水之间的动态联系，对降雨－径流这一重要水文过程则完全忽略。
解决以上问题及缺陷的难度为：地表水与地下水的相互作用异常复杂，二者在特定的气候、地形和地质条件下相互作用。地表水和地下水是具有内在联系的有机整体。单纯的简化甚至忽略某一部分必然导致水文系统的不完整，难以准确地模拟出它们之间的水量交换规律。
解决以上问题及缺陷的意义为：在研究地表水和地下水相互转化时，采用地表水与地下水耦合模型，对于水资源评价、区域水资源开发利用和综合管理以及生态环境保护均具有重要意义。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种流域水质水量监测系统。
本发明是这样实现的，一种流域水质水量监测系统设置有：
HYDRUS模块，通过两套网格交叉切割形成更小的交叉单元，用于实现进行根区土壤水，地下水，地表河道水模拟；
MODFLOW模块，用于实现对包气带土壤水入渗通量和河床水流交换通量监测；
EFDC模块，用于实现河流、湖泊、水库、湿地、河口和海洋水体的水动力和水质运移过程模拟。
进一步，所述HYDRUS模块的耦合方法包括以下步骤：
(1)获得新的土壤水分分布及上下边界一天内的累计流量；
(2)将HYDRUS模块算出的上边界积水量经SWAT处理后作为地表产流传给子流域中的主河道；同时将下边界流量传递给地下水；
(3)EFDC以其自身时间步长向前推进1天；
(4)将EFDC算出的河床与地下水交换量给MODFLOW；
(5)MODFLOW向前推进一个时间步，算出新的地下水位；
(6)将新的第下水位传给HYDRUS和EFDC。
进一步，所述HYDRUS模块采用一维模型模拟根区土壤水分运移，HYDRUS模块进行包气带土壤水运动模拟，其水分运移控制方程为Richards方程：
式中，θ为土壤含水率，h为水头，K为导水率，α为x轴与重力方向夹角，S为源项。
进一步，所述HYDRUS模块基于变量封装的数据交换方法包括：
(1)收集分类土壤渗流模拟模块中的输入输出数据；
(2)数据交换接口设计；
(3)修改土壤渗流模拟模块中输入文件读取程序；
(4)修改土壤水资源评估模块中土壤水分运动计算程序。
进一步，所述HYDRUS模块提高土壤渗流计算的稳定性的方法包括：
(1)自适应时间步长；
(2)将含水率改由直接通过土壤水分特征曲线来计算，对迭代计算中的负压水头采用了亚松弛方法。
进一步，所述EFDC模块包括：
水动力模块，用于对流速、水位、紊动混合系统、示踪剂、盐度进行检测；
水质模块，用于对藻类、有机物、磷、氮、DO、COD、金属、大肠杆菌进行检测；
泥沙模块，用于模拟泥沙的沉降、沉积、冲刷、再悬浮、底质交换过程进行检测；
进一步，所述EFDC模块与MODFLOW的耦合，交换方向由河道水水头与地下水水头的大小决定，河床水流通量计算方法为：
QR,i＝CR,i·(hR,i-hG,i)
其中，QR,i为EFDC中第i个单元的河床水流通量，hR,i为河道水水头，hG,i为同一位置的地下水水头，CR,i为与河床厚度、导水率相关的系数。
进一步，所述EFDC模块的耦合方法包括以下方法：
(1)初始化，读入EFDC原始输入文件，读入交叉网格切割文件，修改EFDC计算参数；构建用于表示地表产流的源项变量，构建用于表示河床交换的源项变量；执行EFDC代码至开始时间推进前；
(2)地表产流，逐个将子流域的产流量转换为各EFDC单元的源项，将数值放入对应的源项数组；
(3)直接访问MODFLOW中的水头变量，根据插值方法求出EFDC中各单元位置的地下水水头；
(4)修改时间推进参数，开始时间推进计算，直至本次累计推进时间达到1天，每推进一个时间步调用一次河床水流通量计算程序；
(5)求出一天内每个EFDC单元中河床水流通量的累计值，以备MODFLOW访问。
进一步，所述MODFLOW模块模拟地下水流动，控制方程为基于达西定律的三维饱和水运动方程：
式中，K为水力传导率,h是水头,W是源项，Ss表示多孔介质的比贮水系数。
进一步，所述MODFLOW模块的处理方法包括：
(1)初始化，改MODFLOW计算参数；修改原始Recharge Package和Well Package，以使其便于表示包气带入渗通量和河床交换通量；执行MODFLOW代码至开始时间推进前；
(2)包气带入渗，根据每个子HRU的插值比例系数，求出MODFLOW中顶层网格每个单元的入渗量，将其值放入Recharge Package对应变量中；
(3)河床水流交换，根据每个EFDC单元的插值比例系数、当天的河床水流通量累计值，求出MODFLOW中第i行j列单元的水流通量，根据河底深度及MODFLOW各层网格的深度将水流通量平均分配至对应的层中，将其值放入Well Package对应变量中；
(4)时间推进，修改时间推进参数，将时间向前推进1天，MODFLOW时间步长一般等于1天，即只需推进一个时间步长。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
(1)能根据河道水的实时水位与地下水的实时水位，模拟河道水与地下水两者之间的实时交换；
(2)能根据实时降水速率、土壤水、地下水之间的关系，模拟降水在土壤中的渗透、土壤水与地下水之间的实时转换；
(3)对流域中不同形态的水含量进行耦合模拟，考虑不同形态水之间的相互影响、相互转化。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的流域中水循环关系示意图。
图2是本发明实施例提供的水循环耦合关系图。
图3是本发明实施例提供的各模型网格示意图；
其中：a、SWAT模型网格图；b、EFDC模型网格图；c、HYDRUS模型网格图；d、MODFLOW模型网格图。
图4是本发明实施例提供的网格交叉切割图。
图5是本发明实施例提供的耦合计算流程图。
图6是本发明实施例提供的EFDC模型结构图。
图7是本发明实施例提供的河道水与地下水交换方法图。
图8是本发明实施例提供的上边界水头随时间变化曲线图。
图9是本发明实施例提供的12小时(0.5天)时土壤剖面含水率分布曲线图。
图10是本发明实施例提供的土壤剖面水头分布图。
图11是本发明实施例提供的流域地形图。
图12是本发明实施例提供的流域地下水计算网格图。
图13是本发明实施例提供的包气带进入地下水的每天平均流量图。
图14是本发明实施例提供的第210天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图15是本发明实施例提供的第216天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图16是本发明实施例提供的第219天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图17是本发明实施例提供的第220天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图18是本发明实施例提供的第229天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图19是本发明实施例提供的第238天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图20是本发明实施例提供的第259天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图21是本发明实施例提供的第269天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图22是本发明实施例提供的第265天地下水位对比图；
其中：a、无耦合状态图；b、耦合状态图。
图23是本发明实施例提供的流域水质水量监测系统中各模块的连接关系图。
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。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种流域水质水量监测系统，以现状年水资源开发利用为基准，基于二维流体动力学方程建立的河道水流模拟模型，耦合土壤、地下水动力学运动过程以及营养元素(氮、磷)循环、演变过程，形成具有可视化功能的区域水质水量联合配置模型，对河流多个计算单元进行长序列模拟计算，得到基准年水资源供需平衡分析、耗水平衡分析和分布式水文水质模拟，进而识别流域水资源开发利用中存在的问题，下面结合附图对本发明作详细的描述。
该流域水质水量监测系统对河流域地表河道水、根区土壤水、地下水三个区域的水循环系统进行精细化耦合模拟，考虑三个区域水流运动的相互影响，包括：降水在土壤中入渗、地表产流进入河道、根区土壤水进入地下水循环、地下水与河道水的交换。
该流域水质水量监测系统基于SWAT框架，分别用HYDRUS，MODFLOW，EFDC模型进行根区土壤水，地下水，地表河道水的模拟，代替SWAT中原有计算模块。各模型使用各自的计算网格，通过插值实现不同模型间的变量传递，通过边界条件、源项建立各模型的连接。以一天作为耦合时间步长，在耦合时间步长内，各模型以各自的时间步长推进，每推进一天进行一次耦合数据交换。
图1为流域中水循环关系示意图，地面降水、灌溉一部分渗入土壤(包气带)，另一部分形成地表径流，进入河网；包气带中的土壤水一部分被植物吸收，产生叶面蒸腾，另一部分继续下渗进入地下水；河道水沿河网汇流、分流，同时通过河床与地下水进行交换；在包气带土壤水、河道水的共同影响下，引起地下含水层的水位变化、水量转移。图2为提炼出的各区域水循环耦合关系。各区域中的子模型采用各自的独立网格进行计算，图3为网格示意图。由于各区域中网格形式、分布规律不同，区域交界面网格单元不匹配，变量无法直接传递，通过基于面积加权平均的插值方法进行数据传递。图4为交接面上两套网格示意图，通过两套网格交叉切割形成更小的交叉单元，每个交叉单元中的变量值与其所属的原始网格单元中的值一致。HYDRUS的网格为沿土壤深度方向的一维网格，与HRU一一对应，无需插值。
各单一物理场计算中，由于流动特性、算法稳定性限制影响，不同物理场的时间步长一般不相同，HYDRUS的时间步长量级为秒，EFDC的时间步长量级为秒、分，MODFLOW的时间步长量级为天，SWAT的时间步长为一天。采用松耦合方法进行耦合，耦合时间步长为1天，各子模型以自己的时间步长向前推进，当达到耦合时间步长时进行耦合数据交换。以SWAT作为主平台，每隔1天进行一次数据交换、调用各子模型以其自身的时间步长向前推进1天。图5为耦合计算中数据交换、子模型调用流程，图中省略了SWAT自身的计算流程。
(1)HYDRUS以其自身时间步长向前推进1天，获得新的土壤水分分布及上下边界一天内的累计流量；
(2)将HYDRUS算出的上边界积水量经SWAT处理后作为地表产流传给子流域中的主河道(EFDC)；同时将下边界流量传递给地下水(MODFLOW)；
(3)EFDC以其自身时间步长向前推进1天。假设1天内进入河道的地表产流量恒定，河道下的地下水位恒定，算出河道水位变化、河床与地下水的交换量；
(4)将EFDC算出的河床与地下水交换量给MODFLOW；
(5)MODFLOW向前推进一个时间步，算出新的地下水位；
(6)将新的第下水位传给HYDRUS和EFDC；
(7)下一耦合时间步推进。
将HYDRUS中基于达西定律的Richards方程求解程序，代替SWAT中原有的土壤分层入渗计算公式。
SWAT只模拟饱和水流，层中可以下渗的水量为超过田间持水量的水量，从一个土层向下一层运动地方水分采用库容演算方法。从最底层土层渗漏的水分进入包气带。包气带为土壤剖面底部与含水层顶部之间的部分。
采用HYDRUS一维模型模拟根区土壤水分运移，HYDRUS具有多种一类、二类边界条件，可模拟降雨入渗、土表蒸发、自由排水，同时可模拟分布式根系吸水，下表给出了HYDRUS边界条件类型及应用。
表1 HYDRUS边界条件类型及应用
由于耦合计算中需进行大量频繁的数据交换，大量频繁的硬盘读写将限制计算速度，因此采用直接在内存中进行数据交换的方法，设计基于变量封装的数据交换接口。
主要工作包括：
(1)收集分类土壤渗流模拟模块中的输入输出数据
(2)数据交换接口设计
(3)修改土壤渗流模拟模块中输入文件读取程序
(4)修改土壤水资源评估模块中土壤水分运动计算程序
在实现耦合计算后，发现HYDRUS容易出现计算发散，通过对代码、计算工况的深入分析后，发现导致计算发散的原因为：
(1)土壤层间参数差异较大
(2)地表降雨、灌溉量较大
本发明采用两个措施来提高土壤渗流计算的稳定性：
(1)自适应时间步长
(2)将含水率改由直接通过土壤水分特征曲线来计算，对迭代计算中的负压水头采用了亚松弛技术。
EFDC的耦合涉及两方面，一是地表产流进入河道，另一个是河道水通过河床与地下水交换，这两方面的流量均通过体积源项的形式加入EFDC控制方程求解。
SWAT采用Manning公式来计算水流的流量和速率，采用变量存储演算方法或Muskingum演算方法模拟河道容量变化。时间步长结束时，河道中的水存储量为：
Vstored，2＝Vstored，1+Vin-Vout-tloss-Ech+div+Vbnk
式中，Vstored，2为时间步长结束时，河道中的水存储量，Vstored，1为时间步长开始时，河道中的水存储量，Vin为时间步长内进入河道的水量，Vout为时间步长内流出河道的水量，tloss为通过河床的水流传播损失，Ech为模拟日河道的蒸发量，div为调水对河道水量的改变，Vbnk为岸边存储通过回归流增加的河道水量。
采用EFDC模拟河道流动，EFDC可实现河流、湖泊、水库、湿地、河口和海洋等水体的水动力和水质运移过程模拟。下图为EFDC模型结构图，包括水动力、泥沙、有毒物质、水质、底质、风浪等模块。
EFDC模型的控制方程为浅水方程，使用有限差分法求解水深、压力、三个方向速度。在水平方向上，使用笛卡尔坐标也适用于一般的曲线正交网格；在垂向上，引入静水压强以简化计算。
地表产流与河道为单向耦合，即地表产流量影响河道水流，河道水流对地表产流无影响，因此只需将地表产流量传递给EFDC。地表产流由每个HRU产生，经过坡面流延迟处理后汇集为子流域当天的平均产流量，以恒定体积源项的形式加入EFDC控制方程的求解。
河床水流交换为EFDC与MODFLOW的耦合关系，存在两种交换方向，一是河道水经过河床进入地下水，另一种是地下水经过河床进入河道，交换方向由河道水水头与地下水水头的大小决定。图7给出了河床水流通量计算方法。
QR,i＝CR,i·(hR,i-hG,i)
其中，QR,i为EFDC中第i个单元的河床水流通量，hR,i为河道水水头，hG,i为同一位置的地下水水头，CR,i为与河床厚度、导水率相关的系数。
代码修改：EFDC源代码使用FORTRAN77编写，代码中使用了大量的COMMON全局变量，且未使用显式变量声明，因此首先对耦合计算中涉及的变量声明进行修改，采用module及动态数组。接着对原有代码进行修改，同时增加新的子程序，主要包括：
(1)初始化。读入EFDC原始输入文件，读入交叉网格切割文件，修改EFDC计算参数；构建用于表示地表产流的源项变量，构建用于表示河床交换的源项变量；执行EFDC代码至开始时间推进前。
(2)地表产流。逐个将子流域的产流量转换为各EFDC单元的源项，将数值放入对应的源项数组。
(3)地下水水头。直接访问MODFLOW中的水头变量，根据插值方法求出EFDC中各单元位置的地下水水头；
(4)时间推进。修改时间推进参数，开始时间推进计算，直至本次累计推进时间达到1天，每推进一个时间步调用一次河床水流通量计算程序；
(5)累计河床水流通量。求出一天内每个EFDC单元中河床水流通量的累计值，以备MODFLOW访问。
SWAT中将地下水分为非承压含水层与承压含水层，分别计算进出地下含水层的水量。浅层含水层的水量平衡方程为：
aqsh，i＝aqsh，i-1+wrchrg-Qgw-wrevap-wdeep-wpump，sh
式中，aqsh为浅层含水层的蓄水量，i，i-1为第i，i-1天，其它变量为通过各种途径进出浅层含水层的水量。
深层含水层的水量平衡方程为：
aqdp，i＝aqdp，i-1+wdeep-wpump，dp
式中，aqdp为深层含水层的蓄水量，i，i-1为第i，i-1天，wdeep为第i天从浅层含水层渗漏进入深层含水层的水量，wpump，dp为第i天从深层含水层抽取的水量。
采用MODFLOW模拟地下水流动，控制方程为基于达西定律的三维饱和水运动方程：
式中，K为水力传导率，h是水头，W是源项，Ss表示多孔介质的比贮水系数。
MODFLOW采用有限差分方法求解该控制方程，空间上采用中心差分，时间上采用后项差分。MODFLOW将其模拟功能称为程序包，主要包括水井、补给、河流、沟渠、蒸发蒸腾、通用水头边界，详见下表所示。
表2 MODFLOW程序包
耦合变量：MODFLOW的耦合也涉及两方面，一是包气带土壤水入渗通量，另一个是河床水流交换通量，这两个通量均通过交叉单元切割法进行插值传递。包气带入渗通量由HYDRUS算出，每个HRU对应一个值，由于常规HRU在空间上不连续，因此需根据空间连续性将一个HRU分为多个子HRU，每个子HRU对应一片连续的地表空间。包气带入渗量通过MODFLOW中的Recharge Package引入地下水计算中，河床交换通量通过MODFLOW中的Well Package引入地下水计算中。
代码修改
(1)初始化。读入MODFLOW原始输入文件，读入交叉网格切割文件，修改MODFLOW计算参数；修改原始Recharge Package和Well Package，以使其便于表示包气带入渗通量和河床交换通量；执行MODFLOW代码至开始时间推进前。
(2)包气带入渗。根据每个子HRU的插值比例系数，求出MODFLOW中顶层网格每个单元的入渗量，将其值放入Recharge Package对应变量中。
(3)河床水流交换。根据每个EFDC单元的插值比例系数、当天的河床水流通量累计值，求出MODFLOW中第i行j列单元的水流通量，根据河底深度及MODFLOW各层网格的深度将水流通量平均分配至对应的层中，将其值放入Well Package对应变量中。
(4)时间推进。修改时间推进参数，将时间向前推进1天，MODFLOW时间步长一般等于1天，即只需推进一个时间步长。
计算稳定性改进测试：首先对比计算了常规工况下原始计算方法和改进方法，土壤剖面深度100厘米，沿深度方向土壤类型不变，初始含水率0.2422，饱和含水率0.43，模拟时间1天，前6个小时降水速率20mm/day，后18个小时无降水。
图8为上边界水头随时间变化曲线，从中可见，随着降水的入渗，地表水头迅速由负变正，即由非饱和变为饱和状态，由于降水速率比入渗速率大，地表逐渐产生积水，在第6小时(0.25天)时雨停，此时积水深度最大为4.64mm；随着地表水的不断入渗，积水深度逐步减小，在第10.2小时(0.425天)时积水完全消失；此后上层土壤中水分继续向下渗透，地表水头不断降低。
图9为12小时(0.5天)时土壤剖面含水率分布曲线，此时湿润峰约位于53cm深处。
从该算例的结果数据可见，改进后的计算方法对常规工况计算无明显影响，与原方法结果吻合较好。
然后对土壤参数存在剧烈变化的情况进行了对比计算，土壤剖面深度140cm,共分为7层土壤，最大饱和导水率为10.4mm/day，最小饱和导水率为0.6mm/day，初始状态均为凋萎点，降水速率为51mm/day，持续降水，模拟时间为1天。
原始方法计算中持续出现了不收敛情况，最终计算发散，改进方法未出现不收敛情况，由于局部土壤的导水率很低，因此最终结果上层土壤处于饱和状态，下层土壤仍处于干燥状态，图10为土壤剖面水头分布，大约在24.5cm深处由饱和状态转为非饱和状态。从土壤上边界的最终结果可知，总入渗量为12.2mm，地表存在约39.1mm深的积水，两者之和与总降水量51mm吻合较好。
耦合计算测试：HYDRUS的耦合变量主要涉及：降雨、灌溉入渗，土表蒸发，植物蒸腾，底部渗漏，侧向流动。
EFDC的耦合涉及两方面，一是地表产流进入河道，另一个是河道水通过河床与地下水交换，这两方面的流量均通过体积源项的形式加入EFDC控制方程求解。
MODFLOW的耦合也涉及两方面，一是包气带土壤水入渗通量，另一个是河床水流交换通量，这两个通量均通过交叉单元切割法进行插值传递。包气带入渗通量由HYDRUS算出，每个HRU对应一个值，由于常规HRU在空间上不连续，因此需根据空间连续性将一个HRU分为多个子HRU，每个子HRU对应一片连续的地表空间。包气带入渗量通过MODFLOW中的RechargePackage引入地下水计算中，河床交换通量通过MODFLOW中的Well Package引入地下水计算中。
对某流域进行了耦合计算测试，图12为该流域地形图，图中周边白色线条为模拟区域边界，中间白色线条为河道。
图12为该流域地下水计算网格，共100行、120列、2层计算单元，模拟了一年内该流域水循环变化。
图13为耦合计算中，每一天从土壤包气带底部渗漏进入地下水的平均流量，在第216天至271天存在明显的包气带入渗。图14至图22给出了部分时刻地下水位云图，并将无耦合与耦合时的计算结果进行了对比。结合图15可见，从216天开始，当包气带入渗明显时，耦合计算中的地下水位也相应提高，当包气带入渗停止后，到365天时，地下水位又基本恢复一致。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种流域水质水量监测系统，其特征在于，所述流域水质水量监测系统设置有：
HYDRUS模块，通过两套网格交叉切割形成更小的交叉单元，用于实现进行根区土壤水模拟；
MODFLOW模块，用于实现对地下水的模拟；
EFDC模块，用于实现河流、湖泊、水库、湿地、河口和海洋水体的地表河道水模拟。
2.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述HYDRUS模块的耦合方法包括以下步骤：
(1)获得新的土壤水分分布及上下边界一天内的累计流量；
(2)将HYDRUS模块算出的上边界积水量经SWAT处理后作为地表产流传给子流域中的主河道；同时将下边界流量传递给地下水；
(3)EFDC以其自身时间步长向前推进1天；
(4)将EFDC算出的河床与地下水交换量给MODFLOW；
(5)MODFLOW向前推进一个时间步，算出新的地下水位；
(6)将新的第下水位传给HYDRUS和EFDC。
3.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述HYDRUS模块采用一维模型模拟根区土壤水分运移，HYDRUS模块进行包气带土壤水运动模拟，其水分运移控制方程为Richards方程：
式中，θ为土壤含水率，h为水头，K为导水率，α为x轴与重力方向夹角，S为源项。
4.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述HYDRUS模块基于变量封装的数据交换方法包括：
(1)收集分类土壤渗流模拟模块中的输入输出数据；
(2)数据交换接口设计；
(3)修改土壤渗流模拟模块中输入文件读取程序；
(4)修改土壤水资源评估模块中土壤水分运动计算程序。
5.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述HYDRUS模块提高土壤渗流计算的稳定性的方法包括：
(1)自适应时间步长；
(2)将含水率改由直接通过土壤水分特征曲线来计算，对迭代计算中的负压水头采用了亚松弛方法。
6.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述EFDC模块包括：
水动力模块，用于对流速、水位、紊动混合系统、示踪剂、盐度进行检测；
水质模块，用于对藻类、有机物、磷、氮、DO、COD、金属、大肠杆菌进行检测；
泥沙模块，用于模拟泥沙的沉降、沉积、冲刷、再悬浮、底质交换过程进行检测。
7.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述EFDC模块与MODFLOW的耦合，交换方向由河道水水头与地下水水头的大小决定，河床水流通量计算方法为：
QR,i＝CR,i·(hR,i-hG,i)
其中，QR,i为EFDC中第i个单元的河床水流通量，hR,i为河道水水头，hG,i为同一位置的地下水水头，CR,i为与河床厚度、导水率相关的系数。
8.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述EFDC模块的耦合方法包括以下方法：
(1)初始化，读入EFDC原始输入文件，读入交叉网格切割文件，修改EFDC计算参数；构建用于表示地表产流的源项变量，构建用于表示河床交换的源项变量；执行EFDC代码至开始时间推进前；
(2)地表产流，逐个将子流域的产流量转换为各EFDC单元的源项，将数值放入对应的源项数组；
(3)直接访问MODFLOW中的水头变量，根据插值方法求出EFDC中各单元位置的地下水水头；
(4)修改时间推进参数，开始时间推进计算，直至本次累计推进时间达到1天，每推进一个时间步调用一次河床水流通量计算程序；
(5)求出一天内每个EFDC单元中河床水流通量的累计值，以备MODFLOW访问。
9.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述MODFLOW模块模拟地下水流动，控制方程为基于达西定律的三维饱和水运动方程：
式中，K为水力传导率,h是水头,W是源项，Ss表示多孔介质的比贮水系数。
10.如权利要求1所述流域水质水量监测系统，其特征在于，所述MODFLOW模块的处理方法包括：
(1)初始化，改MODFLOW计算参数；修改原始Recharge Package和Well Package，以使其便于表示包气带入渗通量和河床交换通量；执行MODFLOW代码至开始时间推进前；
(2)包气带入渗，根据每个子HRU的插值比例系数，求出MODFLOW中顶层网格每个单元的入渗量，将其值放入Recharge Package对应变量中；
(3)河床水流交换，根据每个EFDC单元的插值比例系数、当天的河床水流通量累计值，求出MODFLOW中第i行j列单元的水流通量，根据河底深度及MODFLOW各层网格的深度将水流通量平均分配至对应的层中，将其值放入Well Package对应变量中；
(4)时间推进，修改时间推进参数，将时间向前推进1天，MODFLOW时间步长一般等于1天，即只需推进一个时间步长。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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