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一种岩溶地区的洼地-泉系统水均衡计算方法

阅读:625发布:2020-05-17

专利汇可以提供一种岩溶地区的洼地-泉系统水均衡计算方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种岩溶地区的洼地‑泉 水 系统水均衡计算方法,包括按照降雨、泉水流量以及 地下水 位对应的一个完整峰谷划分水文年;建立一个水文年周期的水均衡关系;建立一个水文年周期地下水水均衡关系;建立临界水均衡关系;定义和求解泉域储水系数;建立有效补给时段的地下水水均衡关系; 地下径流 隐伏排泄量的计算; 蒸发 量的计算等步骤。该方法是充分利用洼地‑泉水系统内积累的多年逐月降水、地下水位和泉水流量数据,通过地下水均衡计算,得到系统内各参数,尤其是计算得到月地下径流隐伏排泄量,和泉域内年蒸发量,为地下水保护和开发提供有效的数据和 支撑 。,下面是一种岩溶地区的洼地-泉系统水均衡计算方法专利的具体信息内容。

1.一种岩溶地区的洼地-泉系统水均衡计算方法,其特征在于包括如下步骤:按照降雨、泉水流量以及地下水位对应的一个完整峰谷划分水文年;建立一个水文年周期的水均衡关系;建立一个水文年周期地下水水均衡关系;建立临界水均衡关系;定义和求解泉域储水系数;建立有效补给时段的地下水水均衡关系;地下径流隐伏排泄量的计算;蒸发量的计算。
2.根据权利要求1所述的岩溶地区的洼地-泉水系统水均衡计算方法,其特征在于包括如下步骤:
步骤1,搜集一个洼地-泉水地下水流动系统内的包括历年逐月降雨量、逐月地下水位、逐月泉水平均流量在内的观测数据,按照降雨、泉水流量以及地下水位对应的一个完整峰谷划分水文年;
步骤2,建立一个水文年周期的水均衡关系:
式中:P为年降雨量,m;
A为泉域(补给洼地)面积,m2;
E为年蒸发量,m;
Qi为月泉水排泄量,万m3;
3
ΔQ为年地下水系统储存或亏空量,万m;
Qy为月地下径流隐伏排泄量,万m3,考虑到排泄区的地下水位变幅不大,相应的流量变幅较小,近似作为一个恒定值;
其中降雨量P与泉水排泄量Qi为观测已知;
步骤3,建立一个水文年周期地下水水均衡关系:
式中:S为地下水补给量,万m3;
Qi为月泉水排泄量,万m3;
Qy为月地下径流隐伏排泄量,万m3;
步骤4,建立临界水均衡关系:
PLA=EA+12*Qy(3)
式中:PL为年临界降雨量,m;
Qy为月地下径流隐伏排泄量,万m3;
步骤5,定义和求解泉域储水系数:
式中:α为泉域储水系数,万m3/m;
H为一个完整水文周期排泄区域地下水位抬升(下降)量,m;
步骤6,建立有效补给时段的地下水水均衡关系:
式中:ΔQn为补给时段地下水系统储存量,万m3,ΔQn=αh;h为补给时段排泄区域地下水位抬升量,m;
n为补给月份数;
为补给时段历月泉水排泄量之和,万m3;
n*Qy为补给时段地下径流隐伏排泄量,万m3;
步骤7,地下径流隐伏排泄量的计算:
上式中,泉域储水系数α通过步骤5求出,一个完整水文周期排泄区域地下水位抬升或下降量H,补给时段排泄区域地下水位抬升量h,逐月泉水排泄量Qi均为已知观测数据,n为月降雨量大于月临界降雨量的月份数,通过式(6)计算得到月地下径流隐伏排泄量Qy;
步骤8,蒸发量的计算。

说明书全文

一种岩溶地区的洼地-泉系统水均衡计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于水文地质学领域,涉及一种岩溶地区洼地-泉水系统中,通过水均衡计算求解地下径流隐伏排泄量和蒸发量的方法。

背景技术

[0002] 近来,受气候变化以及地下水超负荷开发使用的影响,伴随着复杂的地质环境,岩溶地下水枯竭问题日益明显,其中泉水流量衰减甚至断流问题格外突出,这样的岩溶地下水枯竭问题不仅制约了城市的发展也影响着人们的正常生活。因此,开展泉域岩溶水系统地下水水均衡计算评价,进而有计划有尺度的用水,已成为解决岩溶地下水枯竭问题的重要手段。
[0003] 目前,在岩溶地区洼地-泉水系统内,当地下径流隐伏排泄量和蒸发量均无实际观测数据时,通常采用入渗系数经验值法进行水量均衡计算评价,该方法虽然计算较为简便,但经验值的的选取,往往具有较强的人为主观性,其计算结果的合理性更是难以把握。
[0004] 因此,现有岩溶地区洼地-泉水系统水均衡计算方法存在不足。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于为克服现有技术的不足提供一种岩溶地区的洼地-泉水系统水均衡计算方法,充分利用洼地-泉水系统内积累的多年逐月降水、地下水位和泉水流量数据,通过地下水均衡计算,得到系统内各参数,尤其是计算得到月地下径流隐伏排泄量,和泉域内年蒸发量,为地下水保护和开发提供有效的数据和支撑
[0006] 在已知降雨量、泉水排泄流量、水位变化且无地表水体的洼地-泉水系统内,泉水作为系统排泄天窗,地下径流隐伏排泄量和蒸发量均无观测数据,对于这一情况,通过目前常用的方法难以简便、有效合理地进行系统内的水量平衡计算评价。
[0007] 本发明的技术方案如下:
[0008] 一种岩溶地区的洼地-泉水系统水均衡计算方法,它包括以下步骤:
[0009] 步骤1,搜集一个洼地-泉水地下水流动系统内的历年逐月降雨量、逐月地下水位、逐月泉水平均流量等观测数据,按照降雨、泉水流量以及地下水位对应的一个完整峰谷划分水文年。
[0010] 步骤2,建立一个水文年周期的水均衡关系
[0011] 洼地-泉水地下水流动系统内,以一个水文年为周期,存在如下平衡关系:
[0012]
[0013] 式中:P为年降雨量,m;
[0014] A为泉域(补给洼地)面积,m2;
[0015] E为年蒸发量,m;
[0016] Qi为月泉水排泄量,万m3;
[0017] ΔQ为年地下水系统储存(亏空)量,万m3;
[0018] Qy为月地下径流隐伏排泄量,万m3,考虑到排泄区的地下水位变幅不大,相应的流量变幅较小,近似作为一个恒定值。
[0019] 其中降雨量P与泉水排泄量Qi为观测已知。
[0020] 步骤3,建立一个水文年周期地下水水均衡关系
[0021] 洼地-泉水地下水流动系统内,以一个水文年为周期,存在如下地下水平衡关系:
[0022]
[0023] 式中:S为地下水补给量,万m3;
[0024] Qi为月泉水排泄量,万m3;
[0025] Qy为月地下径流隐伏排泄量,万m3。
[0026] 步骤4,建立临界水均衡关系
[0027] 当某个水文年泉水流量保持为断流临界点时,系统内泉水排泄量为零,地下水位变化量为零,地下水系统储存变化量相应也为零,此时,据式(1)可知,该年降雨量刚好满足地下径流隐伏排泄量和蒸发量。计算得到历史上每个水文年的降雨量和对应的泉水排泄量,利用历史上各水文年降雨量与泉水流量进行线性拟合,根据拟合直线,得到泉水排泄量为零的降雨量,称之为年临界降雨量,洼地-泉水地下水流动系统的临界降雨量即为地下径流隐伏排泄量和蒸发量之和,即:
[0028] PLA=EA+12*Qv  (3)
[0029] 式中:PL为年临界降雨量,m;
[0030] Qy为月地下径流隐伏排泄量,万m3。
[0031] 步骤5,定义和求解泉域储水系数
[0032] 定义泉域储水系数(α),即为一个洼地-泉水地下水流动系统内,排泄区域地下水水位上升或下降单位高度补给或排泄的地下水量,单位为万m3/m,泉域储水系数结合地下水位抬升量(下降量)可求取地下水系统储存量(亏空量)。该系数与给水度不同,给水度是指地下水位下降一个单位深度,单位面积岩土柱体在重作用下所释放出来的水的体积,为无量纲。
[0033] 选取某一个典型水文周期,利用观测的该周期内年降雨量P、逐月泉水排泄量Qi、该周期排泄区地下水位变化量H,可以计算得到地下水储水系数α:
[0034]
[0035] 式中:α为泉域储水系数,万m3/m;
[0036] H为一个完整水文周期排泄区域地下水位抬升(下降)量,m。
[0037] 步骤6,建立有效补给时段的地下水水均衡关系
[0038] 年临界降雨量除以一个水文年的月份数(12个月),得到月临界降雨量。可以认为,月降雨量大于月临界降雨量时,降雨才能形成对地下水的有效补给。对于某一水文年,月降雨量大于月临界降雨量的时间段为地下水的有效补给时段,为n个月。
[0039] 有效补给时段内存在如下平衡关系:
[0040]
[0041] 式中:ΔQn为补给时段地下水系统储存量,万m3,ΔQn=αh;h为补给时段排泄区域地下水位抬升量,m;
[0042] 兀为补给月份数;
[0043] 为补给时段历月泉水排泄量之和,万m3;
[0044] n*Qy为补给时段地下径流隐伏排泄量,万m3。
[0045] 步骤7,地下径流隐伏排泄量的计算
[0046] 对典型水文周期,年水文周期内的地下水补给量和有效补给时段内地下水补给量两者相等,即可联立式(2)和(5),可得如下平衡关系:
[0047]
[0048] 上式中,泉域储水系数α通过步骤5求出,一个完整水文周期排泄区域地下水位抬升(下降)量H,补给时段排泄区域地下水位抬升量h,逐月泉水排泄量Qi均为已知观测数据,n为月降雨量大于月临界降雨量的月份数,可通过式(6)计算得到月地下径流隐伏排泄量Qy。
[0049] 步骤8,蒸发量的计算
[0050] 已知临界降雨量PL、月地下径流隐伏排泄量Qy,带入式(3),可求得年蒸发量E。
[0051] 本发明具有如下有益效果:
[0052] 本发明充分利用洼地-泉水系统内积累的多年逐月降水、地下水位和泉水流量数据,通过地下水均衡计算,得到系统内各参数,为地下水保护和开发提供有效的数据和支撑。
[0053] 利用洼地-泉水系统内泉水流量与降雨量的拟合关系,得出泉水流量为零时的临界降雨量,而临界降雨量与蒸发量和地下径流隐伏排泄量三者之间存在平衡关系。同时,泉域储水系数的提出,有效的量化了泉域内水位变幅与水量的关系,通过年水文周期内的地下水补给量和有效补给时段内地下水补给量两者相等的关系,利用地下水位与降雨量观测数据,巧妙地计算得到月地下径流隐伏排泄量,从而可以简便地计算得到年蒸发量。附图说明
[0054] 图1展示了降雨-泉水流量拟合关系图。

具体实施方式

[0055] 下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0056] 实施例1:
[0057] (一)资料收集及水文周期划分
[0058] 搜集某洼地-泉水系统的多年逐月降雨、地下水水位、泉水流量等观测数据,补给面积A为150km2。按照降雨、泉水流量以及地下水位对应的一个完整峰谷划分该系统当年7月-次年6月为一水文周期。
[0059] (二)临界降雨的计算
[0060] 将多个水文周期降雨量与泉水流量进行线性拟合(如图1所示),得出泉水流量为零时,降雨量为963mm,即为年临界降雨量PL,即月临界降雨量为80mm。
[0061] (三)泉域储水系数求取
[0062] 选取1993年7月-1994年6月作为典型周期进行分析。周期内累计降雨P为1509.99mm,引起了2.06m的地下水位抬升,即H为2.06m,年泉水排泄量 为3058.57万m3。带入数值至式(4)可求得泉域储水系数α为:
[0063]
[0064] (四)地下径流隐伏排泄量计算
[0065] 1993年7月至1994年6月一个水文周期内,观察各数据(如表1)可以发现:7月-9月各月降雨量均明显高于临界月降雨量,且都引起了对应次月地下水位的抬升,可以判定该3
时段为降雨补给地下水的时段,即n为3,年泉水排泄量 Qi为3058.56万m ,补给时段泉水排泄量 Qi为303.26万m3,泉域储水系数α为1776.64万m3/m,年地下水位变化量H为
2.06m,补给时段地下水位变化量h为5.65m。带入数值至式(6)可求得每个月地下水径流排泄量Qy为
[0066]
[0067] 即日均20.77万m3,2.4m3/s,换算为年地下水径流排泄消耗量为7475.52万m3。
[0068]
[0069]
[0070] (五)蒸发量计算
[0071] 已知年地下径流隐伏排泄和蒸发的总量PL为963mm,年地下径流排泄量12*Qy为7475.52万m3,带入数值至式(3),易知年蒸发量E为:
[0072]
[0073] 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
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