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1、中国科学D辑地球科学2006,36(4):375~384375基于Boussinesq-Storage方程同时考虑水分储存*和入渗的地下径流机制①②①**①①田向军谢正辉张生雷粱妙玲(①中国科学院大气物理研究所,北京100029;②中国科学院研究生院,北京100039)摘要在大尺度陆面水文模型中,地下径流量通常看作是整个流域潜水面水分储存量的函数,这样的地下径流机制往往是一种在稳定或“拟稳定”状态下地下径流量与潜水面水分含量的依赖关系,它没有充分地考虑潜水面处水分通量对地下径流量变化的影响.文中基于Boussinesq-Storage方程建立了同时考虑潜水面水分储存和非饱和层水分入渗两方
2、面影响的地下径流机制,并利用流域水文资料以及地下径流分离算法验证了所建立模型的可靠性,结果表明该模型能够比较合理地模拟地下径流的变化情况.关键词地下径流机制Boussinesq-Storage方程水分储存与入渗地表、地下径流过程以及土壤水分运动是陆面模型方面,文献[5]采用有限元质量集中法发展了非过程的重要组成部分.对这些水文过程进行合理参饱和土壤水流的数值模型,文献[6]则采用混合有限数化是陆面水文模型研究的核心问题.地表、地下径元法建立了非饱和土壤水分含量和通量计算的数值[7][8]流的改变都会引起土壤水分含量的变化,进一步影模型.基于以上工作,谢正辉等,Liang等通过将响到陆地表
3、面与大气之间的水分通量与热通量的变地下水位动态表示问题归结为运动边界问题,用有化,从而对气候产生影响.因此,发展合适的地表、限元集中质量法直接求解,建立了地下水位的动态地下径流机制以及土壤水模型对于改进陆面水文模表示模型.文献[9]通过一个坐标变换将运动边界问拟具有重要的意义.在地表径流方面,文献[1~3]发题转化为一个固定边界问题,进一步改进了该土壤展了一种同时考虑蓄满、超渗产流机制及次网格非均水模型的数值计算方法,使其减少计算量,达到能在匀性的新的径流机制模型,并用其改进了陆面模式一般通用的模式中实际应用.地下径流显然与非饱VIC(variableinfiltrationcapaci
4、ty)中的径流计算,该模和土壤层中的水分运动以及地下水位的动态变化密[4]型既适用于湿润地区也适用于干旱地区.在土壤水切相关,因而有必要发展考虑土壤含水量、与潜水面收稿日期:2005-06-03,接受日期:2005-07-26*国家自然科学基金项目(批准号:90411007)、国家重点基础研究专项经费项目(批准号:2005CB321703)和中国科学院创新团队国际合作伙伴计划“气候系统模式研发及应用研究”项目联合资助**联系人,E-mail:zixe@lasg.iap.ac.cnSCIENCEINCHINASer.DEarthSciences376中国科学D辑地球科学第36卷水分通量以及
5、地下水位动态变化的土壤水模型相适1基于Boussinesq-Storage方程的地下径应且具有物理意义的地下径流模型;同时地下水位流机制动态表示的土壤水模型也为发展更为合理的地下径下面主要是以潜水面上的Boussinesq方程为基础流模型创造了很好的条件.对于大尺度水文模型而来建立地下径流模型.如图1所示给出坡度为θ的潜言,目前常常采用的是集总式的地下径流机制,其连水面上基于Dupuit-Forcheimer假设的Boussinesq方程续性方程一般可表示为[20,21]dS∂⎡∂∂hk⎛⎞h∂hNt⎤()=−I()tQS(),(1)=+⎢⎥cosθθ⎜⎟hsin+,(2)dt∂∂tf⎣
6、⎦xx⎝⎠∂∂xf这里t是时间,S表示整个流域潜水面(土壤层的饱和区其中k[L/T]是饱和水力传导度,f是土壤的有效空隙度,域)总的水分储存量,I(t)表示t时刻土壤的非饱和区域h[L]是潜水面到不透水层的垂直距离(也就是潜水面的厚度),x[L]是平行于不透水层的空间坐标,t[T]是向整个潜水面的水分补充量,Q(S)表示仅依赖于水分时间,而N(t)[L/T]表示非饱和土壤层对潜水面的水储存量S的地下径流量.这种类型的地下径流模型尽[10~12]分入渗.管有很多不同形式的参数化机制,这些参数化方案都有一个共同的特点:地下径流量只是S的单值函数,很明显,这些单值函数的参数化方案没有充分考虑到
7、t时刻非饱和土壤层的水分补充对于潜水面水分含量的影响;同时这些参数化机制大都是一些经[13]验性的公式,缺乏明显的物理意义.Sloan具体举例说明一种典型的稳定状态下的地下径流机b[14]制(Q=aS)以及应用广泛的“拟稳定”状态下的[15~19]TOPMODEL机制在这个方面模拟的缺陷性.[18]Beven也指出这种“拟稳定”的地下径流机制虽然能够较好地应用于那些不透水层之上的土壤厚度比图1潜水面的示意图较薄的流域,但对于那些非饱
