发明涉及一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法，尤其涉及流域面积大，水文地质资料缺乏地区河水与地下水转化量的计算方法。
背景技术：
：河水与地下水之间的相互转化是流域水循环重要组成部分，与水资源管理密切相关，它们的定量计算是评价流域尺度水量收支平衡的关键，也是流域地表水与地下水相互作用研究的核心。由于降雨的时空分布不均，我国大部分地区都存在水资源短缺情况，各种河道拦蓄与地下水开采工程在缓解区域水资源紧张情势的同时，导致河水与地下水的相互作用愈加复杂。因此，亟需能简便精确计算流域尺度上河水与地下水转化量的方法，为水资源调查评价与合理配置提供基础支撑。目前，河水与地下水转化量的方法主要有：示踪剂法、地中渗透仪法、动力学方法和水文学方法。示踪剂方法借助水化学离子和同位素追踪技术确定河水与地下水转化量，需要现场试验，时间长投入大；地中渗透仪现场实测地下水渗透量，适用于小尺度的研究；动力学法通过构建流域地表水与地下水耦合模型计算地表地下水转化量，该方法对水文地质资料和参数精确的要求高，模型构建复杂难以服务于大范围的水资源调查评价。水文学方法根据达西定律计算河道断面补给量，计算过程中只需要5个数据，资料需求量少，适用于大范围的水资源调查评价。但传统采用达西定律计算河水与地下水转化量中，地下水位需要在计算断面两侧钻井观测，难以计算不同时期整条河道的转化量。技术实现要素：有鉴于此，本发明目的是提供一种河水-地下水转化关系量化方法，该方法在较少的资料需求情况下，结合河道一维水动力学软件、arcgis和surfer等工具，能够快速计算整条河段不同时期地表水与地下水的转化量与转化方向。从而更好的认识流域水资源循环过程，准确计算地表水资源与地下水资源重复量，为流域地表水、地下水相互作用研究和大范围水资源调查评价提供支撑。本发明具体采用如下技术方案：一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法，其特征在于包括以下步骤：(1)构建河道一维水动力学模型，并计算出待分析河段地表水位；(2)获取流域地下水位资料和水文地质参数，生成流域地下水位栅格数据和地下水位等值线图；(3)根据含水层厚度和地下水位等值线图将待分析河段进行分段，并确定各河段的代表断面；(4)获取各河段代表断面河道水位、河道两侧地下水位；(5)用达西定律计算各河段代表断面的河水与两侧地下水的单宽转化量，单宽转化量与河段长度相乘得到河段转化量，各河段转化量累加即得到计算河段河水与地下水转化量。优选地，步骤(1)中河道一维水动力学模型具体构建过程为：获取河道上游水文站流量资料、河道地形资料与河床糙率系数，将上述数据整理成水动力学模型识别的河网文件、断面文件、参数文件以及边界文件。将上述4个文件输入到模型中构建指定河道的一维水动力学模型，并进行参数的率定或选取。优选地，在构建的河道一维模型上边界输入模拟时段的实测流量过程，下边界设置水位流量关系。运行模型，即可计算各个时期河道水位。优选地，步骤(2)生成流域地下水位等值线图和获取水文地质参数的具体过程为：利用surfer软件或者arcgis软件中的kriging插值方法将地下水位监测井观测的地下水位插值到全流域，生成流域地下水位栅格数据。基于栅格数据，利用surfer软件者arcgis软件即可生成流域地下水位等值线。水文地质参数主要包括地下水渗透系数和含水层厚度，可通过水资源调查评价成果或现场原位试验获取。#优选地，步骤(3)根据含水层厚度和地下水位等值线图将河段进行分段，并确定各河段的代表断面具体过程为：根据河道各断面两侧地下水位等值线判断河道附近地下水流向，地下水由地下水位高的地区流向地下水位较低的地区，基于地下水流向将河道分为河水补给两侧地下水、两侧地下水补给河水、一侧地下水补给河水而另一侧河水补给地下水3种河段。设置含水层厚度变化的阈值，相邻断面含水层厚度相差小于该阈值划分为同一河段进行计算。阈值的大小根据目标精度确定，值越小计算精度越高；结合地下水位等值线图分段结果和含水层厚度分段结果，将河道划分为i个计算河段，每个计算河段选取一个代表断面，该断面处河水地下水单宽转化量即为河段平均单宽转化量。代表断面选取一维模型中有水位计算结果的断面即可。优选地，步骤(4)获取代表断面河道水位、河道两侧地下水位具体过程为：从步骤(1)河道一维模型的计算结果中提取代表断面河道水位；确定河道两侧地下水位，首先需要确定两侧地下水位点位置，从河道断面开始，沿垂直于两侧地下水位等值线方向等距离设置地下水位提取点；利用arcgis软件从步骤(2)中生成的流域地下水位栅格数据中提取设置的地下水位提取点处的河道两侧地下水位；优选地，步骤(5)中代表断面单宽转化量与计算河段转化量的计算方法为：其中，qi为第i个河段计算断面一侧河水与地下水单宽转化量，m2/d；ki为第i个河段计算断面河床及含水层的地下水渗透系数，m/d；mi代表第i个河段计算断面含水层厚度，m；ii是第i个河段计算断面河水与地下水之间的水力梯度，无量纲；hsi、hgi分别为第i个河段计算断面河道水位与地下水水位，m；li为第i个河段河水监测点与地下水位监测点之间的距离，m；其中地下水位hgi选择使水力梯度ii，即值最大的地下水位提取点处的地下水位；li为第i个河段长度，n为河段分段数量。优选地，步骤1中所述一维水动力学模型是mike11模型或hec-ras模型。mike11模型和hec-ras模型是专业的工程软件包，用于模拟河、渠内水流运动过程，主要计算河道水位和流量，是目前运用最为广泛的一维水动力学软件。本发明的河水-地下水转化关系量化方法打破了传统计算方法中地表水位与地下水位需现场实测，且不能连续计算整条河段河水与地下水转化量的弊端，实现了全河段多时期河水与地下水转化量的计算，为水资源调查评价中地表水、地下水重复量计算和流域地表地下水转化研究提供了新的方法。附图说明图1为河道一维水动力学模型构建流程图；图2为根据地下水位等值线分布划分河段结果图图3为乳山河流域龙角山水文站至乳山寨水文站河道分段结果图；图4为乳山河流域地下水等值线分布和各河段代表断面地下水位提取点布置图；图5为计算断面地下水位与河道水位相对关系示意图；图6为河水-地下水转化关系量化方法流程图。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。本发明以山东半岛地区乳山河流域为例：乳山河流域面积1039km2，河道全长78km，根据山东省第三次水资源调查评价，乳山河全流域属山丘区。乳山河流域为乳山市主要水源地，流域内有大型水库1座，中型水库2座，小型水库、塘坝共354座，总兴利库容10120万m3，河道内分布有13座拦河闸，人类活动剧烈；乳山河下游有天然的富水区，即乳山河地下水库，总库容约为2122万m3，通过人工渗井或者机渗井可拦蓄补源回灌补给地下水，初步估计可增加入渗补给量3118万m3，将在地下水库范围内建设自来水厂，开采库区内地下水。流域内水资源开发强度大，地表水与地下水转化复杂且频繁。乳山河流域上游的龙角山水库，是流域内唯一的一座大型水库，也是流域地表水资源开发利用的最要工程。水库出口至入海口河床坡度逐渐减小，两岸地形逐渐变缓，是山地向平原过度区域，也是流域河水与地下水相互转化的主要河段。河段内上游设有龙角山水文站，下游入海口处设有乳山寨水文站，中间有于家庄水文站。本实施例选取龙角山水文站至乳山寨水文站之间的河段，该河段全长25km。为全面了解该河段河水与地下水之间的转化过程与规律，本实施例以1982～2006年为研究期，分别计算研究期内丰(1985年)、平(1987年)、枯(1999年)3种年型河水地下水转化量，每种年型内分别选择了9月、6月和3月为地下水丰水期、平水期和枯水期。综上，共形成9个计算方案见表1。表1乳山河河水-地下水转化量计算方案设置为完成计算，收集流域水文、地质、河道地形资料。其中水文资料包括，3个水文站的逐日水位流量资料，11个地下水位监测站月均地下水位监测资料。河道地形通过52个河道大断面来反映，断面间距约500m。如图6所示，河水-地下水转化关系量化方法包括如下步骤：(1)构建指定河道一维水动力学模型。一维水动力学模型一般需要输入4个文件，即河网文件、断面文件、参数文件以及边界文件。具体构建流程见图1。本实施例利用mike11模型，构建了龙角山水文站到乳山在水文站一维河道模型。河网文件主要用来定义模拟河道的位置和走向，支流与主河道之间通过连接工具进行连接，河道可由带有地理空间信息的arcgis文件导入，本实施例计算河段为图2中所示的3个河段。断面文件用来反映河道地形变化，将河道不同里程处的实测地形数据以(x，z)形式输入到断面文件中，定义该位置河床地形变化，x表示断面上的点到原点的距离，z表示该点对应的高程。本实施例中共输入52个河道断面来反映模拟河段的地形变化。参数文件用来补充模拟需要的其他参数，主要定义河道初始状态，模型中包含初始水位及初始水深两种初始条件。本模型中以河道初始水深为初始条件。边界文件是定义河道上下边界输入类型及其过程值的文件，mike11可选用水位、流量、水位流量关系等形式作为边界输入。本实施例中以龙角山水文站逐日流量为上边界，以乳山寨水文站断面的水位流量关系为下边界。模型构建完成以后利用2012和2013年实测数据进行了模型的率定与验证，率定方法是水动力学模型常采用的试错法，通过不断调整各个断面的糙率值使模拟结果与实测结果拟合更好。率定期与验证期内实测与模拟水位效率系数在0.7以上，表明模型能很好的模拟河道水位。需要说明的是，一维水动力学模型中最主要的参数是河道糙率，它与河床类型有关，如淤泥可以通过河床类型直接查找对应的糙率取值，不需率定。利用构建的河道一维水动力学模型计算指定时段内河道水位，模拟期间上边界输入指定时段内的实测流量过程，下边界设置水位流量关系，运行模型，即可计算指定时期内河道水位。(2)获取流域地下水位监测站地下水位资料和获取水文地质参数，生成流域地下水位栅格数据和地下水位等值线。利用surfer等软件中的kriging插值方法将11个地下水位监测井实测地下水位插值到全流域，生成指定时期内流域地下水位栅格数据，然后利用等高线绘制工具生成流域地下水位等值线如图2所示。通过在河道两侧进行原位试验，通过钻井测得各个河段渗透系数ki如表1所示。钻井结果表明流域地下水不透水层深度约为14m。结合断面地形资料和水位资料通过下式可以计算断面的含水层厚度m。m＝hs-(z-14)(3)hs表示断面河道水位，z表示断面河岸地面高程。(3)根据河道水位以及地下水位等值线图将河段进行分段，并确定各河段的代表断面。根据地下水位等值线图将计算河段分为3个河段(见图2)，其中，河段1和河段3为两侧地下水位高于河水位，地下水补给河水；河段2的右侧河岸为地下水补给河水，左侧河岸为河水补给地下水。将各个断面的河道水位hs带入3式中计算出断面含水层厚度m，本实施例中设定含水层厚度差的阈值为0.5m，经计算前两个河段内各断面m值变化小于0.5，分段不变。第3个河段含水层厚度变化较大，靠近上游的一段河道含水层年均厚度约为5.5m，而靠近下游的一段河道含水层年均厚度约为6.3m。因此，将第3个河段分为了两段。根据含水层厚度与地下水位等值线分布最终将计算河道分为了4段(见图3)。其中，河段1、河段3和河段4均为河道两侧地下水补给河道，但各个河段水位不同；河段2为河道一侧地下水补给河水而另一侧河水补给地下水。各河段长度和含水层厚度年均值见表1。分别在各个河段内选取一个代表断面来计算河段单宽转化量，从河道断面开始，沿垂直于两侧地下水位等值线方向等距离设置地下水位提取点，本实施例中计算是逐月转化量，各点之间间隔100m，各个代表断面地下水位提取点分布见图4；(4)获取各河段代表断面河道水位hsi、河道两侧地下水位hgi及水文地质参数(主要包括地下水渗透系数和含水层厚度)，其中i＝1，2，3，4，表示河段序号；表1河段长度及两侧含水层渗透系数河段ki(m/d)mi年均值(m)河段长度(m)122.199.848700222.195.833800322.195.604400448.446.538100从一维水动力学模型中提取代表断面的地下水位hsi。通过arcgis中的提取功能，从生成的流域地下水位栅格数据中提取指定时期代表断面两侧水位提取点的地下水位hgi。计算时地下水位hgi选择使水力梯度(ii)，即值最大的地下水位提取点处的地下水位。本实施例中1985年各个河段hsi和hgi结果见表3。模拟河段两侧含水层为第四系含水层，通过钻井测得基岩埋深为约为14m，含水层厚度为河岸处地下水位到基岩深度。本实施例中，1985年各个河段含水层不同时期厚度见表3。表3各河段代表断面处hsi、hgi以及mi值地表水位及河道水位获取以后可判断河水与地下水的转化方向，计算断面河水位与地下水位示意图见图5。地下水位高于河道水位时表明地下水补给河水，否则河水补给地下水。(5)用达西定律计算计算各代表断面的河水与两侧地下水的单宽转化量qi，单宽转化量qi与河段长度li相乘得到河段转化量，各河段转化量累加即可得到河道与地下水转化量q。其中，qi为第i个河段计算断面一侧河水与地下水转化单宽流量(m2/d)；ki为第i个河段河床及含水层的渗透系数(m/d)；mi代表第i个河段计算断面含水层平均厚度(m)；ii是第i个河段河水与地下水之间的水力梯度，无量纲；hsi、hgi分别为第i个河段计算断面河道水位与地下水水位(m)；li为第i个河段河水监测点与地下水位监测点之间的距离(m)；其中地下水位hgi选择使水力梯度(ii)，即值最大的地下水位提取点处的地下水位。li为第i个河段长度，n＝4，为河段分段数量。乳山河河水与地下水转化关系：表4为1985年转化量计算结果，正值表示地下水补给河道，负值表示河道补给地下水。从月尺度上看，丰水年(1985年)计算河段9月、6月和3月地下水向河水补给量分别为19522.63m3/d、20336.63m3/d和20941.31m3/d；河水向地下水补给量分别为407.42m3/d、548.80m3/d和572.00m3/d。可见，月尺度流域内以地下水出流有关，这主要是因为流域为山丘区，河道两岸地势较高，只有河段2存在河水补给地下水的情况。3月份是流域内最为缺水的时期，地下水出流量最大。表4乳山河1985年河水-地下水转化量最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，可为在水资源中应用，也可在此基础上，在不同区域上内修正使用，但不脱离本发明技术方案的精神和范围。当前第1页1 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技术特征：1.一种资料需求少的河水-地下水转化关系量化方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)构建河道一维水动力学模型，并计算出待分析河段地表水位；
(2)获取流域地下水位资料和水文地质参数，生成流域地下水位栅格数据和地下水位等值线图；
(3)根据含水层厚度以及地下水位等值线图将待分析河段进行分段，并确定各河段的代表断面；
(4)获取各河段代表断面河道水位、河道两侧地下水位；
(5)用达西定律计算各河段代表断面的河水与两侧地下水的单宽转化量，单宽转化量与河段长度相乘得到河段转化量，各河段转化量累加即得到计算河段河水与地下水转化量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中河道一维水动力学模型具体构建过程为：
获取河道上游流量资料、河道地形资料与河床糙率系数，将上述数据整理成水动力学模型可识别的河网文件、断面文件、参数文件以及边界文件，输入到水动力学模型中构建指定河道的一维水动力学模型，并进行参数的率定或选取。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在构建的河道一维水动力学模型上边界输入模拟时段的实测流量过程，下边界设置水位流量关系，运行模型计算河道水位。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)生成流域地下水位等值线图的具体过程为：
利用surfer软件者arcgis软件中的kriging插值方法将地下水位监测井观测的地下水位插值到全流域，生成流域地下水位栅格数据；基于栅格数据，通过surfer软件者arcgis软件生成流域地下水位等值线图。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水文地质参数主要包括地下水渗透系数和含水层厚度，通过水资源调查评价成果或原位试验获取。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)根据含水层厚度地下水位等值线图将待分析河段进行分段，并确定各河段的代表断面具体过程为：
根据河道各断面两侧地下水位等值线判断河道附近地下水流向，地下水由地下水位高的地区指向地下水位较低的地区，基于地下水流向将河道分为河水补给两侧地下水、两侧地下水补给河水、一侧地下水补给河水而另一侧河水补给地下水3种河段；
设置含水层厚度变化的阈值，相邻断面含水层厚度差小于该阈值划分为同一河段进行计算；阈值的大小根据目标精度确定，值越小计算精度越高；
结合河水-地下水补给方向分段结果和含水层厚度分段结果，将河道划分为多个计算河段，每个计算河段选取一个代表断面，各代表断面处河水地下水单宽转化量即为相应计算河段平均单宽转化量；所述代表断面选取一维水动力学模型中有水位计算结果的断面。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)获取各河段代表断面河道水位、河道两侧地下水位具体过程为：
从步骤(1)河道一维水动力学模型的计算结果中提取各代表断面河道水位；
确定河道两侧地下水位，首先需要确定两侧地下水位点位置，从河道断面开始，沿垂直于两侧地下水位等值线方向等距离设置地下水位提取点；
利用arcgis软件从步骤(2)中生成的流域地下水位栅格数据中提取设置的地下水位提取点处的河道两侧地下水位。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中代表断面单宽转化量与计算河段转化量的计算方法为：
其中，qi为第i个河段计算断面一侧河水与地下水单宽转化量，m2/d；ki为第i个河段计算断面河床及含水层的地下水渗透系数，m/d；mi代表第i个河段计算断面含水层厚度，m；ii是第i个河段计算断面河水与地下水之间的水力梯度，无量纲；hsi、hgi分别为第i个河段计算断面河道水位与地下水水位，m；li为第i个河段河水监测点与地下水位监测点之间的距离，m；其中地下水位hgi选择使水力梯度ii，即值最大的地下水位提取点处的地下水位；li为第i个河段长度，n为河段分段数量。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述河道一维水动力学模型是mike11模型或hec-ras模型。
技术总结本发明公开了一种资料需求少的河水‑地下水转化关系量化方法，包括以下步骤：根据地下水监测井监测资料计算流域地下水位；利用河道一维水动力学模型计算河道水位；根据地下水位等值线和含水层厚度将河道分段，并确定各个河段代表断面；根据达西定律计算各河段代表断面地表水与地下水单宽转化量，累加后得到全河段转化量和转化方向。本发明的河水‑地下水转化关系量化方法，打破了传统计算中地表水位与地下水位需现场实测，且不能连续计算整条河段河水与地下水转化量的弊端，实现了全河段多时期河水与地下水转化量的计算，为水资源调查评价中地表水、地下水重复量计算和流域地表地下水转化研究提供了新的方法。
技术研发人员：王宗志;王坤;张玲玲;庄会波;李瑜;花金祥;叶爱玲;刘克琳;程亮;詹新焕
受保护的技术使用者：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院
技术研发日：2020.01.20
技术公布日：2020.06.09
