地表水与地下水的耦合模拟研究

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：地表水与变密度地下水溶质运移耦合模型并不多见。表5-1-1～表5-1-5列举了国内外地表地下水水量耦合、地表地下水溶质运移耦合、地下水渗流溶质运移耦合、地表水与变密度地下水渗流溶质运移耦合模型发展情况。

地表水地下水耦合模型是融合地表水和地下水运动过程，同时考虑地表水和地下水模型耦合中细节问题的模型（胡立堂，2007），是研究变化环境下地表、非饱和带和饱和带之间非线性复杂关系的最合适的工具，在分析地表水与地下水相互作用中应用较广（Van Roosmalen L，2005）。

根据地表、地下计算单元之间及其与相邻单元的关系，可以将地表水和地下水耦合模型分为松散耦合型和紧密耦合型两大类（王蕊，2010）。

松散耦合类模型一般由概念性水文模型和地下水数值模型组成，借助于公共变量的转换和传输链接在一起。主要的集成方式有集总式概念性水文模型和地下水数值模型集成、分布式概念性水文模型和地下水数值模型集成，同时考虑河流和含水层的相互作用的集成模型。在松散耦合类模型中两模块在各时段独立运算，地表水模块以子流域或网格为计算单元，计算的补给量等作为地下水模拟的边界条件；地下水模块以网格为计算单元，根据提供的边界条件进行运算，并将公共参量反馈给地表模块进行下一时段的运算；整个计算过程循环迭代直到满足收敛标准。松散类耦合模型可以更综合利用水文气象与地质信息，完善模拟过程，但两模块在参数、计算单元划分等问题上的差异，给模型带来不确定性，因此在实际应用中有待进一步发展和完善。

紧密耦合类模型采取较严格的水动力学瞬变偏微分方程描述地表地下水文过程，应用数值分析建立相邻网格之间的时空关系，不同界面间的水量交换作为源汇项处理。在每时段各个模块联合计算。紧密耦合类模型具有较完整的物理基础，但需要大量参数和精度较高的驱动数据，模型建立和率定耗时，应用在面积较大的流域时面临着很多困难。

目前国外开发了许多分布式地表水与地下水耦合模型。其中，由丹麦、英国及法国共同在SHE模型基础上开发的MIKE-SHE模型（Andersen，2001）可以模拟水文循环中几乎所有重要过程，对地表地下水循环进行三维模拟，同时可以对污染物溶质运移过程模拟，实现地表-土壤-地下水运动的紧密型耦合。另外，分布式水文模型SWAT与三维地下水模型MODFLOW耦合集成的SWATMOD（Perkins，1999；Nam，2008），不仅能模拟灌溉、施肥和耕作措施对农业生产和水资源利用的影响，而且能反映复杂含水层系统中地下水的动态。MODBRANCH模型是美国地质调查局USGS将河道水文模型BRANCH与地下水三维模型MODFLOW耦合形成的，该模型主要用来模拟河道与地下水的交互关系（Swain，1994）。国内学者也对地表地下水交互耦合做了大量研究。李兰采用以各层净雨深为源汇项的坡面流、壤中流、地下径流对流扩散方程计算汇流，开发出LL-Ⅱ分布式模型（李兰，2003）；裴源生等（2008）重点考虑平原区灌溉，由地表径流简化模型、一维土壤水模型和三维地下水模型耦合开发出DWCM-PR模型；除此之外，还有余钟波等（2008）开发的HMS模型；针对湖泊集水域建立的WATLAC模型（Zhang，2009；张奇，2007）；针对水资源管理建立的WEAP和PGMS集成模型（胡立堂，2009）等。

地表水与变密度地下水溶质运移耦合模型并不多见。Langevin和Swain（2005）利用二维地表水流与溶质运移模型SWIFT2D（Leendertse，1971，1987）与三维变密度地下水流溶质运移模型SEAWAT（Guo和Langevin，2002）耦合得到一个地表和地下水变密度溶质运移联合模拟模型，应用于美国佛罗里达州Everglades南部滨海湿地和邻近港湾地表、地下水流网和盐度分布的定量研究，并讨论不同水文过程对其影响。Massmann和Simmons（2006）定义了混合对流比率M（Mixed convection ratio M）即一个表示水头差与厚度比值（Δh/M）和密度差异率之间（α）的比值的一维矩阵。研究表明，当M＜1时，随着M的值接近1，地下咸水水流向地表淡水流补给的越多；当M＞1时，地下咸水不会补给地表淡水，同时咸淡水界面会随着两种水流密度变化的增大而下移。这仅仅是一个概念性模型与FEFLOW（Diersch，2002）的一次耦合尝试，并没有实现真正的物理机制模型的耦合。Romanov等（2006）将SEAWAT和PHREEQC-2联合用于滨海碳酸盐含水层咸淡水混合区的孔隙度变化研究。

表5-1-1～表5-1-5列举了国内外地表地下水水量耦合、地表地下水溶质运移耦合、地下水渗流溶质运移耦合、地表水与变密度地下水渗流溶质运移耦合模型发展情况。

表5-1-1　地表地下水水量耦合模型（国外）

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