分布式水文模型DTVGM的耦合结构与流程

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：分布式水文模型DTVGM包含上部二维地表水结构和中部土壤水部分。图5-4-1耦合模型结构示意图图5-4-2表示变密度地下水流溶质运移模块与DTVGM分布式水文模型地表水模块耦合后模型的整体结构。图5-4-3耦合模型计算流程图变密度地下水渗流溶质运移模块将计算出的潜水位转化为分布式水文模型所需要的潜水埋深，供DTVGM水文模块在下一时段计算潜水蒸发。

传统变密度地下水流溶质运移耦合模型处理地下水补给尤其是降水补给时非常简单，通常采用降水量乘以降水入渗系数来代替地表水文过程。对于试验场等小尺度且地形岩性相对简单的研究区，由于已知降水入渗补给参数的空间分布，因此模拟结果可以满足精度要求。而对于具有复杂地形、地貌和地层的大尺度研究区，获取降水入渗补给系数空间分布的难度较大，分辨率较低，且其地表水文过程复杂，这种方法不仅难以满足模型精度的要求，而且在建模的过程中增加不必要的工作量。在将分布式水文模型DTVGM的计算单元由子流域改进为网格后，本研究的地表地下部分选择相同大小的网格分辨率进行模拟计算，可以有效避免因水文模型与地下水模型尺度不匹配而带来的降尺度问题（水文模型尺度大，地下水模型尺度通常较小）。将变密度地下水流溶质运移模型与以网格为单元的DTVGM模型（包含土壤水运动模块）耦合之后，可以准确地模拟降水入渗补给（基流量），从而有效解决传统地下水模型中降水入渗量带来的精度损失。

图5-4-1为耦合模型结构示意图，主要反映了耦合模型的上下两层关系。分布式水文模型DTVGM包含上部二维地表水结构和中部土壤水部分。下层主要是变密度地下水渗流溶质运移模型，反映的是基于物理机制的三维变密度地下水流场的水头分布变化，以及由此带来的速度分布变化，进而影响的溶质运移模型中的浓度分布变化，及其导致的密度分布变化的整体过程。浓度场的改变又影响了下一个时间步长的水头变化，这种循环影响过程反映了一个完整的地下水流运动和浓度的迁移变化过程。

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图5-4-1　耦合模型结构示意图

图5-4-2表示变密度地下水流溶质运移模块与DTVGM分布式水文模型地表水模块耦合后模型的整体结构。本次研究中DTVGM主要模拟计算网格上降水产流过程、工业、农业及生活用水等；地下水渗流溶质运移模块主要模拟潜水在单元间的流动、潜水位的动态变化、地表水与地下水间的补给或排泄以及由变密度地下水流动引起的地下水溶质运移过程。DTVGM的地表水模块为地下水水量水质模块提供更为精确的降水补给等源汇项，地下水水量水质模块为地表水模块提供更为精确的潜水埋深、地下径流、开采量空间分布信息。

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图5-4-2　DTVGM地表水与地下水流溶质运移耦合模型结构图

耦合模型各个模块均分为输入、计算、输出三部分，如图5-3-9和图5-4-3所示。输入包括水文模型中的水文、气象数据；地下水流模型中的源汇项、初始水头分布、边界条件、水文地质参数；地下水溶质运移模型中的初始浓度分布、边界浓度、弥散系数、溶质密度等溶质运移参数。

计算模块中，按照网格逐单元、逐时段进行迭代模拟。

（1）DTVGM产流模块模拟降雨入渗、蒸散发、坡面产流等过程，并为地下水流模块提供土壤层渗漏补给。

（2）变密度地下水渗流模型受到分布式水文模型提供的土壤入渗进行地下水流场运算，计算方法采用强隐式有限差分，计算出时间步长内的水头分布，同时计算出该时刻的流速分布传递给溶质运移模型；溶质运移模型同样采用强隐式有限差分（上游加权），计算出该时刻的溶质浓度分布，同时计算出由于浓度分布变化产生的密度分布变化，传递给地下水渗流模型，为下一个时间步长的计算做准备。

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图5-4-3　耦合模型计算流程图

（3）变密度地下水渗流溶质运移模块将计算出的潜水位转化为分布式水文模型所需要的潜水埋深，供DTVGM水文模块在下一时段计算潜水蒸发。

计算结束后，模型可输出出口断面的流量过程，流域水循环要素及地下水水位、流速、与溶质浓度的时空分布。

分布式水文模型DTVGM的耦合结构与流程

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