一種使用高頻地下水位數據自動求取含水層參數的方法技術
【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及水資源評估
，具體涉及一種使用高頻地下水位數據自動求取含水層參數的方法。
技術介紹
地下水作為地球水循環的重要一環，是人類重要的水儲存資源之一。一直到20世紀70年代，我國面臨的地下水問題主要由單純的安全性需求(如飲水和灌溉)驅動。但80年代之后中國的超高速發展在成為世界經濟發展奇跡的同時，也帶來了許多嚴重的地下水環境和資源問題，如南方地下水水質惡化，北方平原地區地下水由于大量開采使用導致的地下水水位下降等。傳統的地下水水流方向為沿含水層水平方向為主，隨著農業、工業和生活用水需求的增加，抽水井數量逐年增加，導致地下水尤其是平原區的地下水流場基本脫離天然狀態，常常由垂向水量交換主導，而不再是地下水徑流過程主導。反映在地下水數值模型中為流量的消長不再受水頭邊界的控制，而受垂向補徑排過程，如抽水、農業灌溉、降雨等控制。然而，在建立地下水瞬時流模型時，與垂向補徑排過程息息相關的入滲系數、給水度和外部應力(抽水量)等模型參數卻較難獲得，雖然一部分可通過試驗和調查獲得，但由于地層異質性和數據資料的準確程度，更多情況下使用經驗參數值進行賦值，并且缺乏校正的依據，從而增加了水文驅動因子刻畫的難度。當前，我國局部試點地區已具備高頻率高密度地下水監測數據，全國的高頻監測網也正在施工，由此獲得的高頻率高密度水位監測數據是極佳的地下水系統信息來源，但目前未得到充分利用。因此，我們充分利用高密高頻水位和降水量監測數據，通過設計合理的求參方法，求取以垂直方向補徑排為主的地下水瞬時流模型中潛水入滲系數、給水度、以及凈開采強度等關鍵水文地質參數的時空分布，并且實時同...
【技術保護點】
一種使用高頻地下水位數據自動求取含水層參數的方法，其特征在于，包括如下步驟：S1基本條件假設：假設地下水位的波動由入滲補給過程和凈開采過程決定；含水層水分運移由垂向地下水水文循環為主導；且含水層補給量與降水量成正比；S2地下水水位及降水數據預處理：收集國家地下水監測網中多年長序列高頻高密水位監測數據，繪制地下水水位變化線，并將水位線進行平滑處理；收集研究區內氣象監測點多年高頻高密降水數據，并根據氣象監測站點的空間分布特征進行分區，將降水量分配至區域內的水位監測點，并與水位監測數據進行時間匹配，形成日降水量與水位時間序列；S3正向模擬求取水位及降水量：根據地下水儲水量與垂向補給和凈開采量之間的關系，設置入滲系數α、年度總凈開采模數NDT、凈開采模數月分配系數βi，其中i＝1,2……12，和含水層給水度Sy，共15個參數正向模擬地下水瞬時水位和降水量；S4系統優化計算：根據設置的15個參數與地下水瞬時水位和區間累計降水量間的關系，設置15個參數的初始值，使用系統優化計算的方法，即Levenberg?Marquardt算法，根據瞬時水位和降水量的計算值與觀測值的差值，反復更新參數取值，計算獲...
【技術特征摘要】
1.一種使用高頻地下水位數據自動求取含水層參數的方法，其特征在于，包括如下步驟：S1基本條件假設：假設地下水位的波動由入滲補給過程和凈開采過程決定；含水層水分運移由垂向地下水水文循環為主導；且含水層補給量與降水量成正比；S2地下水水位及降水數據預處理：收集國家地下水監測網中多年長序列高頻高密水位監測數據，繪制地下水水位變化線，并將水位線進行平滑處理；收集研究區內氣象監測點多年高頻高密降水數據，并根據氣象監測站點的空間分布特征進行分區，將降水量分配至區域內的水位監測點，并與水位監測數據進行時間匹配，形成日降水量與水位時間序列；S3正向模擬求取水位及降水量：根據地下水儲水量與垂向補給和凈開采量之間的關系，設置入滲系數α、年度總凈開采模數NDT、凈開采模數月分配系數βi，其中i＝1,2……12，和含水層給水度Sy，共15個參數正向模擬地下水瞬時水位和降水量；S4系統優化計算：根據設置的15個參數與地下水瞬時水位和區間累計降水量間的關系，設置15個參數的初始值，使用系統優化計算的方法，即Levenberg-Marquardt算法，根據瞬時水位和降水量的計算值與觀測值的差值，反復更新參數取值，計算獲得區間累計降水量、瞬時水位數據與多年高頻高密降水數據、水位監測數據誤差最小時，15個給定地下水模型參數的最優估算值；S5數據修正：通過上述步驟求取參數的方法假設目的含水層地下水水文過程主要為垂向循環，當考慮水平向循環對地下水位變化的影響時，需要使用地下水側向徑流或越流數據與參數自動求取過程進行迭代，對求取的參數進行修正，消除水平向水文循環對水位變化的影響；S6模型校驗：通過上述步驟計算求得年際尺度地下水瞬時流模型參數值，為保證參數計算的準確性，再利用傳統的地下水模型與含水層屬性資料對這些參數進行校驗，其中，參數包括入滲系數α、年度總凈開采模數NDT、凈開采模數月分配系數βi，其中i＝1,2……12，和含水層給水度Sy。2.根據權利要求1所述的一種使用高頻地下水位數據自動求取含水層參數的方法，其特征在于，所述步驟S2中，繪制水位變化線時，以時間為橫坐標、含水層瞬時水位為縱坐標，繪制水位變化線；并使用數據平滑方法對地下水水位線平滑化，其中數據平滑方法包括但不限于移動平均值法、移動窗口擬合多項式平滑法或移動窗口加權平滑法。3.根據權利要求1所述的一種使用高頻地下水位數據自動求取含水層參數的方法，其特征在于，所述步驟S2中，根據氣象監測站點的空間分布特征進行分區時，兼顧地形因素與降水觀測點的分布進行分區，將不同站點的降水觀測數據進行空間插值后分配給相鄰地下水水位監測站點。4.根據權利要求1所述的一種使用高頻地下水位數據自動求取含水層參數的方法，其特征在于，所述步驟S3中，求取地下水瞬時水位具體方法如下：對于滿足前提假設的含水層單元，即單位面積地下潛水含水層的水量V受垂向補給和排泄過程的影響發生變化，多種補給和排泄途徑分別歸納為地下水凈補給量和凈開采量，公式表達如下：ΔV＝NR-ND(1)上式中ΔV表示單位面積含水層在指定時間段內的水量變化，單位為m；NR表示單位面積含水層在指定時間段內接受的地下水凈補給量，單位為m；ND表示地下水凈開采模數，表示單位面積含水層在指定時間段內的地下水凈開采量，單位為m；ΔV＝ΔH×Sy(2)NR＝IFp+IFr+RFup≈P×α(3)ND＝Ua+Um+ET+RFdown(4)上式中，ΔH表示某時間段內含水層水位變化，單位為m；Sy表示給水度，無量綱；NR表示單位面積地下水凈補給量，單位為m；IFp和IFr分別表示降水和河流等地表水體對地下水的垂向補給，RFup表示其他含水層對該含水層的越流補給；P為降水量，單位為m；α表示入滲系數，無量綱；ND表示地下水凈開采模數，單位為m；Ua和Um分別表示農業開采用水和市政開采用水，ET表示地下水通過蒸散發途徑的排泄量，RFdown表示含水層對其他含水層的越流排泄；NR反映了所有潛在對水位波動產生影響的入滲補給來源對目標含水層水量增加的貢獻，凈補給量NR簡化為降水量與入滲系數的乘積，此處入滲系數為綜合入滲系數；凈開采模數ND反應了所有潛在對水位波動產生影響的排泄途徑對目標含水層水量減少的貢獻；地下水水位波動的變化值ΔH通過上述數據處理過程獲得的日地下水位時間序列獲得，根據公式(1)至(4)可得：H＝H0+ΔH＝H0+ΔV/Sy＝H0+(P×α-ND)/Sy(5)其中H0是某時間段開始時地下水的瞬時水位，H為某時間段任一時刻地下水瞬時水位；由于組成凈開采模數ND的水文過程多數具有季節變化特征，特別是在平原區占凈開采模數主要份額的農業開采量Ua有著明顯的季節差異，因此，為體現凈開采模數的年內變化特征，通過凈開采模數月分配系數βi，其中i＝1,2……12，將年度總凈開采模數NDT分配至12個月中，表示為ND1，ND2……ND12，因此，依據式(5)所列關系，使用降水量P，入滲系數α，年度總凈開采模數NDT、凈開采模數月分配系數βi和含水層給水度S...
【專利技術屬性】
技術研發人員：齊永強，李文鵬，李慧，劉久榮，高贊東，楊麗紅，許雅琴，范雪瑩，王成見，劉杰，
申請(專利權)人：齊永強，李文鵬，李慧，劉久榮，高贊東，楊麗紅，許雅琴，范雪瑩，王成見，劉杰，
類型：發明
國別省市：北京;11
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。