对输水条件下考虑土壤水和地下水相互作用的河流剖面地下水埋深估计方法

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1、中国科学:地球科学2010年第40卷第10期:1420~1430www.scichina.comearth.scichina.comSCIENCECHINAPRESS论文输水条件下考虑土壤水和地下水相互作用的河流剖面地下水埋深估计方法①②②*②②③④狄振华,谢正辉,袁星,田向军,罗振东,陈亚宁①北京交通大学理学院,北京100044;②中国科学院大气物理研究所,北京100029;③华北电力大学数理学院,北京102206;④中国科学院新疆生态与地理研究所,乌鲁木齐830011*联系人,E-mail:zxie@lasg.iap.ac.cn收稿日期:2009-04-30;接受日期:

2、2010-01-15国家重点基础研究发展计划项目(编号:2010CB428403,2009CB421407)、国家高技术研究发展计划(编号:2007AA12Z144,2009AA12Z129)资助摘要干旱区通过河流输水抬升地下水至临界生态水位以维持自然河道的生态系关键词统,其地下水埋深及土壤含水量的估计在河流剖面上归结为考虑土壤水与地下水相互河流输水土壤水与地下水模型作用的二维运动边界问题.将其土壤水流分解为以垂向流为主的非饱和土壤水运动和SCE-UA方法以侧向流为主的地下水运动,并结合参数优化方法SCE-UA,发展了考虑河流输水条件下土壤水垂直运动和地下水水平流动的地下水

3、埋深估计方法.通过对模型的河水水位、水平导水率和地表通量的敏感性试验及分析,并结合SCE-UA参数优化方法对塔里木河下游生态输水下的英苏断面地下水位进行模拟验证,结果表明该模型能比较合理地模拟地下水位变化情况.[6]对干旱区来说,水是一个重要的生态因子.地下展了非饱和土壤水流的数值模型,罗振东等和谢正[7]水位的变化会直接影响土壤含水量改变,进而影响辉等用混合有限元法建立了非饱和土壤水分含量天然植被的生长发育.地下水位较低的干旱区域可和通量计算的数值模型,但都没有考虑地下水的动[8]通过向自然河道输水,在河流两岸产生地下水的侧态变化.对于地下水埋深估计,Yuan等利用入渗与

4、向补给,抬升地下水至临界生态水位,使地表植被能地下水埋深的相关发展了大尺度地下水埋深估计方[1~4][9]获得充足水分以维持沿河两岸的生态平衡.合理法并应用于中国区域的埋深估计,陈亚宁等利用河输水抬升地下水位的关键问题是准确预测河流输水流或流量与埋深的相关所建立的统计模型估计埋深,[10]条件下考虑土壤水和地下水相互作用的地下水埋深,Xie等利用Darcy定律建立河流水位与埋深相关的并由此估计自然河道输水所需水量及持续时间,这统计-动力模型估计埋深,这些研究均没有考虑土壤[11,12]对水资源管理具有重要意义.有多种方法考虑土壤水与地下水的相互作用过程.Liang等基于谢正

5、[5][5]中水流的运动,如谢正辉等用有限元质量集中法发辉等将地下水动态表示问题归结为运动边界问题引用格式:DiZH,XieZH,YuanX,etal.Predictionofwatertabledepthsundersoilwater-groundwaterinteractionandstreamwaterconveyance.SciChinaEarthSci,2010,doi:10.1007/s11430-010-4050-8中国科学:地球科学2010年第40卷第10期求解,发展了考虑土壤水与地下水相互作用模型,杨这里Ss[1/L]为单位储水系数,Ks[L/T]为饱和导

6、水率,[13]宏伟等将地下水运动边界问题转换成固定边界问g[1/T]为源汇项.33题求解,但均没有考虑地下水侧向流动的影响.在非饱和土壤水区2中,土壤含水量[L/L]满本文将输水条件下河流剖面土壤水与地下水相足如下方程:互作用问题归结为二维运动边界问题,发展以垂直KDg,(2)流为主的土壤水运动和以水平流为主的地下水运动tz相耦合的拟二维模型,并进行理想试验及对模型主这里D()[L2/T]为非饱和土壤水的扩散率,K()[L/T]要参数进行敏感性分析.最后,结合塔里木河下游生为非饱和导水率,g[1/T]为源汇项.态输水实例

7、,运用发展的拟二维模型,针对干旱区塔在二维运动边界线1上,1中的通量qs[L/T]与河下游的英苏断面进行模拟验证.2中通量qu[L/T]有如下关系式:Vqqnt,(3)nsu1河流输水条件下土壤水地下水相互作用其中qs=Ksψ,qu=D(θ)θ,n(t)为运动边界线1模型GSIM上的外法向量,Vn[L/T]为运动边界上的法方向水流速度.方程(1)~(3)加上初始条件和边界条件及水势与本节先后介绍河流输水条件下土壤水和地下水含水量之间的关系式就构成二维运动边界问题.相互作用的二维理论模型