地表河网-地下水流系统耦合模拟ⅰ：模型

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1、水利学报2005年5月SHUILIXUEBAO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

2、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[1～3]资源的评价和规划管理提供坚实的基础。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

3、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[4]点。Morel-Segtous等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[5]连续水流的条件；Sophocleous等以数值模拟为标准比较了河流-含水层解析解

4、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

5、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(49872080)；国土资源部西部专项课题(20010301-06)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.cn1水利学报2005年5月SHUILIXUEBAO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

6、-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的数学模型而言，无论是水文学家所研制的以地表水评价为主的联合模拟管理模型，还是水文地质学家所开发的以地下水资源评价为主的联合模型，尽管建立模型的数学、数值方法有所不同，但它们大多数都具有一个共同特点，即所建立的数学模型仅考虑主要研究对象的水流运动规律，而不直接考虑与主要研究对象存在水力联系的其它水源的运动规律，仅仅把这些具有水力联

7、系的水源作为主要评价对象的一个源(汇)项加以间接考虑，这些方法实际上未能将地表水与地下水两大子系统进行真正意义上的联合评价。例如，美国的YoungR.A.andBredehoeftJ.D。在研究美国东部克罗拉多的南Platte河谷的地下水与地表水联系时，尽管把河网对地下水的补给处理为随机输入，但这个量仍作为人工补给的一个源项。美国的Y.Y.Halmes和以色列的Y.C.Dreizin在研究地下水与地表水联合管理方法时，也把地表水作为人工补给的一个源项叠加到地下水模型中。我国姚汝祥在研究大石河流域的地表水和地下[6]水联合运行的模拟计算和范鹏飞在研究山前平原区地下