一种黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元划分方法与流程

本发明涉及水文与水资源技术领域，具体涉及一种黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元划分方法。

背景技术：

黄土塬区是指黄土高原地区顶面平坦开阔、周边被沟谷切割的黄土堆积高地，是黄土高原地区主要人口聚集地与主要农耕地所在。黄土塬区地处内陆，属温带半干旱区，具有典型的大陆季风气候特征。黄土塬区在平面上常呈花瓣状分布，塬面平坦宽广，坡度多小于3°，黄土层厚度在100m以上，广泛分布有第三系红层与第四系黄土，地质条件较为均一。由于蒸发量普遍高于实际降水量，该地区水资源利用率较低，消耗量偏大。黄土塬区较少有地表径流发育，浅层地下水埋深多为50-130m之间，是该地区生活生产的主要水源。

大埋深地下水补给-排泄机理研究一直是国内外学者的研究热点，在大埋深土壤水分入渗过程、大埋深优先流运移机理与通量研究、大埋深地下水源区补给-排泄关系等问题上仍是水文水资源与水文地质学界关注的焦点。

我国黄土塬区是研究大埋深地下水补排过程的典型区域，该区域地下水主要补给来源为大气降水，河湖侧向补给来源可以忽略。黄土塬四周被沟壑所包围，因冲刷等因素形成的沟谷常常贯穿黄土塬整个上包气带并切割至基岩以下，创造了大量的泉水排泄出口。

划分黄土塬区地下水排泄单元区是研究地下水补给-排泄关系中的重要环节之一，是开展塬区地下水资源调查、评价、管理等工作的重要基础。然而现有技术中对黄土塬区地下水的补给排泄单元划分缺乏相应的研究。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中的上述不足，提供了一种能够解决现有技术中缺乏能够对黄土塬区地下水排泄单元进行划分的方法的问题的黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元划分方法。

为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：

提供了一种黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元划分方法，其包括如下步骤：

s1、确定待研究区域内泉眼分布区域；

s2、获取待研究区域的水电信息，确定自然泉眼与开采井的位置，计算排泄量；

s3、根据自然泉眼的位置在待研究区域中建立泰森多边形，根据泰森多边形的边界将待研究区域划分为若干地下潜水自然补给单元区；

s4、根据开采井位置及排泄量，依次调整每个泰森多边形的边界位置；

s5、重复步骤s4，将调整后的泰森多边形的边界划分的区域作为考虑人类活动后的黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元区。

进一步地，泉眼分布区域通过研究区地形数据提取沟沿线和沟道获得。

进一步地，研究区地形数据包括坡度、坡向、地面曲率等，由研究区范围内精度为30m的dem图像数据提取获得。

进一步地，确定自然泉眼位置的具体方法为根据获取的待研究区域的地表土壤含水量信息建立土壤湿度像元，取土壤湿度像元中的湿度分布极值所在位置为泉眼分布位置，并对其编号为pi，i＝1,2,3,……,n，n为沟沿线上的泉眼数量。

进一步地，地表土壤含水量信息借助gis与雷达、遥感手段获得。

进一步地，计算排泄量的方法为：

s1、取待研究区域中若干开采井为对象，分别记录其单位时间内的开采量和耗电量，求其比值的平均数，即得到单井每度电抽水量；

s2、获取开采井的历史用电量，计算其实际开采量：

实际开采量＝单井每度电抽水量×历史用电量，

实际开产量即开采井的排泄量。

进一步地，调整泰森多边形的边界位置的方法包括如下步骤：

s1、在每个地下潜水自然补给单元区中设置n个等效虚拟井wi；

s2、对等效虚拟井w，计算n口等效虚拟井在w位置出产生的总降深，得到单个地下潜水自然补给单元区中的总降深计算公式为：

其中，h0为待研究区域的海拔高度，h为等效虚拟井w位置处的地下水位，k为渗透系数，q为等效虚拟井w的排泄量，ri为第i个开采井到等效虚拟井w所在地下潜水自然补给单元区的开采井的距离，ri为第i个等效虚拟井到等效虚拟井w的距离；

s3、对任取的两个开采井，计算其潜水稳定流中的分水岭位置，其分水岭计算公式为：

其中，x为分水岭距离一侧井的距离，l为两个开采井的间距，h1和h2分别为两个开采井的地下水位，w为自然降雨量；

s4、将分水岭计算公式与总降深计算公式联立，得到分水岭与开采井的关系公式：

其中，n和m分别为两个地下潜水自然补给单元区中的等效虚拟井数量，i和j分别为两个地下潜水自然补给单元区中的等效虚拟井序号；

s5、将开采井的位置、开采量代入关系公式，得到分水岭的位置，即调整后的泰森多边形的边界位置。

进一步地，黄土塬区地下水的水位呈均匀分布，地下水运动为稳定流。

本发明提供的上述黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元划分方法的主要有益效果在于：

本发明通过将待研究区域划分为泰森多边形，并根据开采井位置和排泄量调整泰森多边形边界，能够快速、便捷的确定塬区浅层地下水的排泄单元，为研究大埋深浅层地下水补排机理、建立大埋深浅层地下水文模型提供技术支撑。通过将泉水出流量即地下水排泄流量纳入考虑因素范围，相比只考虑距离远近，显著提高了单元区划分的准确性和科学性；同时通过将地形数据与人类活动产生的水电信息数据结合，提高水文地质勘察工作的安全性与科技含量。

附图说明

图1为本发明黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元划分方法的流程图。

图2为待研究区域中的泰森多边形划分示意图。

图3为等效虚拟井的位置示意图。

图4为分水岭划分关系示意图。

图5为调整后的泰森多边形边界示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，其为本发明黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元划分方法的流程图。

本发明的黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元划分方法包括如下步骤：

s1、确定待研究区域内泉眼分布区域。

获取待研究区域内精度30m的dem图像数据，借助地理信息系统软件gis提取研究区地面地形信息，包括坡度、坡向、地面曲率等，并提取研究区域的沟沿线。

在实际处理中，可将沟沿线围成区域转为面文件，该平面v即为目标研究区域。

s2、获取待研究区域的水电信息，确定自然泉眼与开采井的位置，计算排泄量。

进一步地，确定自然泉眼位置的具体方法为根据获取的待研究区域的地表土壤含水量信息建立土壤湿度像元，取土壤湿度像元中的湿度分布极值所在位置为泉眼分布位置，并对其编号为pi，i＝1,2,3,……,n，n为沟沿线上的泉眼数量。

其中，地表土壤含水量信息可借助gis与雷达、遥感手段获得。

在实际处理中，确定泉眼位置后，将其标注在面文件v上，形成点文件p。

计算开采井排泄量的方法为：

s1、取待研究区域中若干开采井为对象，分别记录其单位时间内的开采量和耗电量，求其比值的平均数，即得到单井每度电抽水量。

s2、获取开采井的历史用电量，计算其实际开采量：

实际开采量＝单井每度电抽水量×历史用电量，

实际开产量即开采井的排泄量。

在实际处理中，确定开采井位置和开采量后，将其标注在面文件v上，以便进一步处理。

s3、根据自然泉眼的位置在待研究区域中建立泰森多边形，根据泰森多边形的边界将待研究区域划分为若干地下潜水自然补给单元区。

如图2所示，通过建立泰森多边形，将待研究区域划分为若干多边形区域，使每个泰森多边形与一个自然泉眼对应。

为方便计算，一般取黄土塬区地下水的水位呈均匀分布，地下水运动为稳定流。

s4、根据开采井位置及排泄量，依次调整每个泰森多边形的边界位置。

进一步地，调整泰森多边形的边界位置的方法包括如下步骤：

s4-1、在每个地下潜水自然补给单元区中设置n个等效虚拟井wi。

据干扰井群稳定井流中的叠加原理，在各地下潜水自然补给单元区中设置等效虚拟井，如图3所示，以等效模拟单元区内各开采井对地下水的开采影响。

当当干扰井较集中时，所行成的降落漏斗可近似视为以形心为圆心的圆形。

s4-2、对等效虚拟井w，计算n口等效虚拟井在w位置出产生的总降深，得到单个地下潜水自然补给单元区中的总降深计算公式为：

其中，h0为待研究区域的海拔高度，h为等效虚拟井w位置处的地下水位，k为渗透系数，q为等效虚拟井w的排泄量，ri为第i个开采井到等效虚拟井w所在地下潜水自然补给单元区的开采井的距离，ri为第i个等效虚拟井到等效虚拟井w的距离；

s4-3、对任取的两个开采井，计算其潜水稳定流中的分水岭位置，如图4所示，其分水岭计算公式为：

其中，x为分水岭距离一侧井的距离，l为两个开采井的间距，h1和h2分别为两个开采井的地下水位，w为自然降雨量；

s4-4、将分水岭计算公式与总降深计算公式联立，得到分水岭与开采井的关系公式：

其中，n和m分别为两个地下潜水自然补给单元区中的等效虚拟井数量，i和j分别为两个地下潜水自然补给单元区中的等效虚拟井序号；

s4-5、将开采井的位置、开采量代入关系公式，得到分水岭的位置，即调整后的泰森多边形的边界位置。

利用地理信息系统软件gis对自然补给单元区进行几何分析，并寻找单元区的质心，作为该单元区等效虚拟井w的位置，然后结合分水岭位置，可得到调整后的泰森多边形的边界位置。

s5、重复步骤s4，将调整后的泰森多边形的边界划分的区域作为考虑人类活动后的黄土塬区浅层地下水补给-排泄单元区，如图5所示。

上面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。