地表河网-地下水流系统耦合模拟Ⅰ：模型.pdf

水 利 学 报 2005 年5 月 SHUILI XUEBAO 第36 卷 第5 期 文章编号: 0559-9350(2005)05-0588-05 地表河网-地下水流系统耦合模拟Ⅰ：模型 武强，孔庆友，张自忠，马振民 (中国矿业大学(北京) 水资源与环境研究所，北京 100083) 摘要：本文通过采用联立求解地表河流一维明渠非恒定渐变流与地下水拟三维非稳定流运动方程的技术路线，提 出了地表河网与地下水流耦合模拟算法。该算法中地表河网流动分别由质量和动量守恒定律而建立的连续性方程 和运动方程所组成；地下水流采用多层“拟三维”非稳定流模型，通过彼此间的水力联系，建立了地表河网-地下 水流耦合模拟评价模型，该模型可用于地表水与地下水转化关系较为密切地区的水资源综合评价预测中。 关键词：一维明渠流；地表河网；拟三维流；耦合模拟 中图分类号：P641.2 文献标识码：A 地表水与地下水的相互转化是自然界普遍存在的一种水文现象，它是水资源的基本属性之一。在进行 水资源评价和规划管理中，必须十分注重地表水与地下水的密切水力联系，将两者耦合起来考虑才能为水 资源的评价和规划管理提供坚实的基础[1～3] 。在地表水与地下水相互作用系统中，以河流-含水层相互作用 研究的意义最重要。 1 国内外研究现状及存在问题 在20世纪60年代以前，对河流-含水层相互作用的研究主要集中在推导一维地下水流受“完整河”补 给的解析解及其应用方面，一般利用河流退水曲线来确定基流量并估算河流对地下水的补给量，这种方法 一般称“基流分割”法。 探讨从含水层抽取地下水引起邻近河流流量减少的计算模型一直是河流-含水层相互作用研究的重 点。Morel-Segtous等[4]将线性系统原理引入河流-含水层相互作用的研究，提出了计算河流或含水层子系 统提取水量引起另一子系统水量和水位变化的连续和离散核函数公式。这些公式可作为河流-含水层系统 的模拟和管理工具。但是，这些公式的基本假定是河流和含水层间的水量交换是连续的，因此不适合于非 连续水流的条件；Sophocleous等[5]以数值模拟为标准比较了河流-含水层解析解的预测准确性，他们分别 检验了解析法概化忽略的若干因素对系统响应所产生的影响程度，重要性位于前三位的因素分别是河床底 部低渗层的水力传导性、河流切割含水层的完整程度和含水层的各向异性，这些因素直接与含水层水流的 多维性特点有关；Zlotnic等推导了同时考虑河流“非完整性”和河床底低渗阻水层影响的含水层水头计 算公式，并将该公式的计算与其它不考虑上述两因素的其它解析解进行了比较。结果发现，河流-含水层 系统的响应对河床下含水层的贮(释)水性并不敏感，因此可以简化计算。这个结论与Sophocleous的结论 是一致的。但是，公式中一个无量纲的反映河宽与河床底低渗层导水性及其厚度的参数对河流-含水层相 收稿日期：2004-05-17 基金项目：教育部科学技术研究重大项目(2004-295)；国家自然科学基金；国土资源部西部专项课题 06) 作者简介：武强(1959-)，男，内蒙古人，博士，教授，主要从事水资源与水环境、地理信息系统应用和三维可视化建 模研究。E-mail:wuq@cumtb.edu.cn 1 水 利 学 报 2005 年5 月 SHUILI XUEBAO 第36 卷 第5 期 互作用的影响较大，该参数越大，说明河流与含水层的水力联系越好。 以上分析表明，当河流-含水层系统的客观条件与解析解的假定条件接近时，解析解仍可用来分析河 流-含水层系统在各种激励下的响应。但是，自然界客观条件通常与解析解的假定条件存在较大差别，这 就大大限制了解析解的进一步应用。 应用计算机和数值模拟技术进行水资源评价与管理是目前国内外常用的一种有效手段。就目前有关地 表水与地下水联合模拟评价和管理