模型河流,高考河水模型

8. 1. 1 数值模型范围

中游干流平原地区是本次研究重点，水资源模型主要模拟水资源调控对正义峡流量有直接影响的平原区范围。模拟范围东起山丹县的祁家店水库，向西延至酒泉东盆地的清水车站，南北以山前一线为界，为一完整的地下水盆地。包括黑河干流水利工程全部影响范围及与该区域相连的第四系含水层分布区 ( 图 8. 1) 。

整个模型计算区边界均为地下水流入边界，为一完整的断陷地下水盆地。其间沉积的巨厚的松散堆积物是地下水赋存的天然场所，所构成的第四系含水层呈连续的、统一的，横向为盆地边界所限的含水岩系综合体，周边的山前断裂构成含水层的天然的地质边界。整个模型计算区分别隶属于张掖盆地及酒泉东盆地，包括张掖、临泽、高台、民乐四县平原灌区及山丹的个别灌区和肃南明花区，面积近 9000km2。

8. 1. 2 地下水流系统简化

模型区含水层结构总体分布为: 南部山区的洪积扇顶部为单层大厚度潜水区，向北至下游细土平原，含水层由单一的潜水区逐渐变为潜水－承压水区。在北部潜水－承压水区，原本就有部分地段缺失粘性土地层而具有单层潜水的特性，加之分布在这一带的大量机井将各含水层串通，使它们之间具有较强的水力联系，上下层位相差无几甚至相同，由此可将中游平原区全部近似看作单层潜水含水层。这种较为合理的简化，在主要控制因素不失真的情况下，一方面简化了模拟系统的复杂性，另一方面也回避了管理者难以将各灌区的地下水分层开采进行区分的困难。

图 8. 1 黑河干流中游平原区地下水模型范围图

在模型计算区内，地下水位年变幅与含水层厚度相比较小，可忽略含水层导水能力随时间的变化，用不随时间变化的含水层导水系数 T 近似模拟含水层的输水能力。

模拟计算区边界可进一步分为两类: 一类是南侧、北侧及东侧的山前断陷或隆起形成的自然地质边界，地下水流入量为基岩裂隙水侧向流入和沟谷潜流。此类边界的地下水流入量与平原区的地下水状态无关，处理为定常流量边界，其流量的大小取边界流入量的年平均值。对中游盆地进行不同的水资源调控配置时，边界流量不发生改变。另一类是西侧的非自然边界，该段边界在现状条件下有少量地下径流流入区内，由于边界距黑河干流相对较远，且该地带地下水径流较弱，由定性分析可推知，水资源调控措施对边界流量的影响是微弱的，可近似将该边界处理为随水力条件变化的流量边界，当水利工程措施产生的影响没有传播到该边界时，其流量仍取现状地下水径流量，当水利工程影响到该边界时，处理为边界流量的增量与边界水位降深成正比，即处理为线性三类混合边界。

整个模型计算区内地下水均向黑河径流，泄于黑河经正义峡流向黑河下游。

8. 1. 3 中游平原区数学模型构建

模型计算区地下水运动可用地下水模型与河水、泉水溢出模型及蒸发模型联立描述。

8. 1. 3. 1 地下水数学模型

黑河流域中游地区地下水模型的数学表达式如下:

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

式中

h——— 含水层水位标高 ( m) ;

T——— 含水层导水系数 ( m2/ d) ;

μ——— 含水层给水度 ( 无量纲) ;

Wb——— 各项补给项强度之和 ( 不包括河水渗漏补给) ( m/d) ;

Wp——— 各项排泄项强度之和 ( 不包括泉水溢出与蒸发排泄) ( m/d) ;

Et——— 地下水蒸腾排泄强度 ( m/d) ;

Wr——— 河流向地下水的渗漏强度 ( m/d) ;

Ws——— 泉水的溢出强度 ( 包括河水排泄地下水) ( m/d) ;

q2，q3——— 流量边界单宽流量 ( m2/ d) ;

α———边界出流系数 ( m/d) ;

Γ2——— 自然流量边界;

Γ3——— 西侧流量边界;

n ——— 为边界上的外法线方向。

8. 1. 3. 2 黑河干流数学模型

黑河流域中游地区河流模型的数学表达式如下:

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

式中

Qr——— 河水流量 ( m3/ d) ;

B ——— 河流宽度 ( m) ;

l ——— 河流自入境算起的长度 ( m) ;

Qrb——— 支流流量 ( m3/ d) ;

li——— 支流汇入位置 ( m) ;

δ ( X) ———狄拉克函数;

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

αr——— 河床渗漏系数 ( 1/d) ;

Hr———河水位 ( m) ;

Wrl——— 河床极限渗漏强度 ( m/d) ;

8. 1. 3. 3 泉水数学模型

黑河流域中游地区泉水模型的数学表达式如下:

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

式中

αs——— 泉水溢出系数 ( 1/d) ;

hs——— 泉水溢出高程 ( m) 。

8. 1. 3. 4 地下水蒸发数学模型

根据甘肃地矿局第二水文地质队在张掖平原堡地中渗透仪试验站不同埋深条件下的地下水蒸发系列数据，选用分段线性化方法近似描述地下水的高度非线性蒸发过程。

西北典型内流盆地水资源调控与优化利用模式:以黑河流域为例

式中

Et( x，y，t) ———地下水蒸发强度 ( m/d) ;

hg———地面高程 ( m) ;

{Et i( t) ，( hg－hi )}———不同埋深条件下蒸发强度数据系列;

h ( x，y) ———地下水位 ( m) ;

Veg ( t) ———植被蒸发与覆盖度修正系数。

8. 1. 4 数值模型的求解

8. 1. 4. 1 模型剖分及解法

将所构建的中游地区地下水模型、河流模型、泉水模型、蒸发模型联立，形成非线性微分方程组，采用正交网格有限差分法求解该水资源联合模型。

该数值模型使用不同的剖分格距 ( ΔX =ΔY= 5km，2km，1km，0. 5km) 进行对比数值计算，计算结果表明: 当剖分格距 ≥2km 时，河流流量与泉水流量空间分布误差较大，难以较好地描述空间分布特征。

选择 ΔX=ΔY=1km，以直接利用高斯投影地形图中的公里网作为剖分网格。中游盆地模型区位于第 17 高斯 6 度投影带，剖分结果: 东西向为 173 ( km) 格，从 17500km 至 17673km; 南北向为 154 ( km) 格，从 4256km 至 4410km。总有效计算格 8622 个，其中用于描述黑河的格点 178个。另外时间离散步长为自然月，即每年分为 12 个时间段。

为保证求解的稳定性和收敛性，地下水模型空间剖分采用中心五点格式，时间离散采用向后差分格式 ( 隐式差分格式) 。以各个模型之间的水量交换强度作为联立 “纽带”，将不同模型联立迭代。为克服解的波动性，对不同模型之间的交换强度量采用 “指数阻尼”迭代技术，虽迭代收敛速度略慢，但可确保解的收敛性与稳定性。

对该水资源联合模型系统求解后，可同时求得以下结果: 地下水水位时空分布、地下水埋深时空分布、河水流量过程、泉水流量。

根据模拟阶段不同，初始条件选取不同时期的地下水位。模型校验阶段 ( 用 1990～2000 年期间的实际数据校正数值模型) ，用 1990 年中游盆地地下水统测水位场及埋深场作为初始流场; 模拟调控预测阶段，选用 2000 年模拟流场及埋深场作为初始条件。

8. 1. 4. 2 模型输入数据处理

中游干流平原区地表水与地下水转化频繁，对模型的某些非主控因素进行了适当的简化后，该水资源联合模拟系统仍然显得过于复杂。在满足水资源流域级调控模拟精度的前提下，对模型数据结构能否进行适当合理的简化，成为水资源模拟系统的一个瓶颈问题。

水资源模型所需数据 ( 库) 按性质可分为两类: 自然因素数据和人工控制数据。凡是人的行为不可干预和操作的因素，其对应数据均归结为前者，如含水层的导水系数与空间分布、气象、水文、含水层边界条件等。用模拟模型进行水资源调控规划时，该类数据不需要变动。后一类数据包括全部人的行为可干预的内容，这正是需要水资源管理决策者精心考虑的问题。如水利工程分布与规模、各灌区的引水量、机井空间分布、地下水的开采量、灌溉定额与灌溉制度、渠系利用率等。

这种数据分类法其合理性在于: 自然因素数据 ( 库) 只需要精心准备一次，可由有关专家( 水资源专家、水文地质学家、气象专家等) 进行专业处理，模型识别校对成功后，其数据均被“定格”，以后一般不需要变动。而人工控制数据，在资源调控论证阶段甚至实时管理阶段，则需要管理机构的决策者不断调整 ( 即改变用水方案) ，并进行模拟，以观察变动后的 “预演”效果，确定较合理可行的水资源调控利用方案。而对于水资源管理调度者，则不要求他们是水文、地质、气象等方面的专家，只要较精通水资源管理即可。因此模型数据结构简化问题应主要面向控制性数据，以提高模拟分析的可操作性。

结合该计算区的特点，对主要控制数据具体处理方法如下:

( 1) 灌区分布

模型经剖分后，离散为 1km2网格，各灌区由若干个网格组成，灌区边界由阶梯状折线边界近似描述。模型计算区共划分为 38 个灌区 ( 含张掖城区) 。

( 2) 地下水开采分布

从宏观资源管理的角度，没有必要搞清楚各灌区内机井具体数量、井的详细位置、逐日开采量等。当某灌区内井数超过百眼甚至千眼时，管理者也无法搞清楚。结合中游平原区实际情况，对于农用开采机井，以下述原则进行简化: 按地下水位埋深条件，把各灌区分为两部分，埋深大于 50m 区域和小于 50m 区域，小于 50m 的区域为宜井区，近似认为均匀开采，即机井在小于 50m区均匀分布，而深埋带无地下水开采。

由于各灌区分布范围有限，此种简化不会导致较大的失真，由此，使得仅需用几个参数即可近似描述各灌区的大致开采情况，如灌区总年开采量，年内 12 个月开采分布比例等。极大地方便了水资源调控与管理。

( 3) 灌区内渠系分布及耕地分布

灌溉渠系是组成灌区的基本脉络，其漏失水量也是地下水资源的主要组成部分。以中游平原区的尺度来看，若考虑干、支、斗、农渠的实际空间分布，对于资源规划则显得过于复杂，必须进行适度的简化。

用各灌区渠系引水总量、渠系渗漏总量及田间灌溉渗失总量的空间分布数据，来近似描述各灌区的水利化状态。根据各灌区总引水量、农业井的开采总量、渠系利用率及田间回归渗漏系数，可推算出灌区的渠道渗漏总量与田间回渗地下总水量。近似认为渠系渗漏量在整个灌区空间均匀分布，而田间灌溉回归量仅分配在耕地范围。对于个别渠系分布极端不匀的灌区，可另做特殊处理。

8. 1. 4. 3 水资源模拟系统及结构

本次中游平原区地下水资源数值模拟系统，是由地下水数值模型与河水、泉水及蒸发三个辅助数值模型联立而成。该系统以 Microsoft Visual Basic 6. 0 为开发平台，采用模块化程序结构，具有开放性和可扩充性。主要由总控模块、模拟系统、前处理系统和后处理系统四大模块构成。模拟系统结构如图 8. 2 所示。

图 8. 2 黑河流域中游地区地下水模拟系统结构

1.核心就是“地面”与“河谷”的区别。仔细想想就不难理解了。地面坡度大，河水速度快，水势就会难以控制，水量大时河水会冲出去，极易形成洪水。河谷纵向坡度小，本应是排水的河谷在水量大时就会产生淤积，导致漫过河谷形成洪水。两种洪水成因不同。

2.就是说三角洲，沿海平原由于海浪侵蚀，本身海拔就会逐渐减小。所以在测量海平面上升幅度时会有一定误差。因为测量海平面上升幅度就是以海岸线海拔为标准的。自身海拔降低了，会显得海平面上升，所以会大于全球平均值。