生态水文学

3.
VS2DI 应用的实例
无压含水层测试分析
在含水层测试过程中，非饱和区域对无压含水层 测压计影响的程度多年来一直是讨论的一个主题。通 过假设瞬时排水反映水表的下降值，有些模型忽略了 非饱和区域影响。无压含水层测试的结果表明在非饱 和区域，测量的下降值和所预测的瞬时排水的假设之 间存在差异。多年来，已经提出了许多方法在无压含 水层测试中来考虑通过非饱和区域的水流。 哈尔福德（1997）使用VS2DI来模拟无压含水层测 试。通过耦合一个优化的VS2DI程序，来测定含水层的 性能。一般确定参数值，是使最小化模拟和实测值之 间的差异。由于含水层容量的增加大粗砂层和砾石层， 并且含水层的下降很可能受到地表层附近的影响， 他发现非饱和区域对较高的淤泥和粘土含量的含水 层的重要性是极大的。
图4展示了在2000年4月的若干天，在其中一个位置上测得的水流 温度，温度的测量是在河床下方20至50厘米的深度（Prudic等， 2003）。模拟模型的温度在20 至50厘米的深度，图像也显示与 实测值得一致，该计算模型的渗透率是52厘米/天。
2. VS2DI软件包
VS2DI软件包包含用以建立模结构的图形前处理， 和用以模拟结果显示的后处理，还包括数值模型VS2DT （流体和溶质传输）和VS2DH（流体和热传输）。这里 只作简短的描述。模型的开发和应用的详细信息提供 Lappala et al.(1987), Healy (1990), Healy and Ronan (1996), and Hsieh et al.(1999). 有限差分法 用于求解水流的理查兹方程，溶质和热传输的对流 – 驱散方程。气体的问题果假设为轴对称）。为方便起见VS2D， VS2DT，VS2DH名称在这里不用。相反，他们将全部被简 称为VS2DI。
Richards方程的求解需要两个非线性压力水头函 数的信息：水分含量（或具体容量）和水力传导系数。 VS2DI模型提供了这些函数的不同选择。Genuchten （1980），布鲁克斯和Corey（1964），和哈弗坎普方 程（1977）可能被使用，或者用户可以输入一个数据点 的表，那么计算值将由线性插值确定。Genuchten方程 的参数提供给那些没有站点具体数据的用户。为了展示 模拟的地质异质性，用户可能会指定不同沉积物的任何 数量。允许随着时间而改变的边界条件，包括指定压力 或总水头，指定流量，渗透积水，蒸发，植物蒸腾和渗 透面。内部的源和汇，如井或植物根部汲取，也可以模 拟。
为了估计昼夜时间尺度下地下水交换的比率，大量的 研究结合VS2DI来测得地表水体和地下水的温度。本文使用 的模拟方法在这做以简洁的描述；更为详细的细节在 Niswonger和Prudic（2003年）中介绍。一维或二维的计算 网格使用VS2DI，顶面指地表水体，为了与测量数据吻合， 设置温度随时间变化。模型参数调整到模拟的地下温度与测 量值相吻合。认为地下水补给的估计量和最佳模型计算的流 量是相等的。参数估计例程，如PEST（多尔蒂，2004年）和 UCODE（Poeter和Hill，1998; Poeter等，2006），有时使 用以获得最佳的参数值。由于在模拟系统中，平流往往是占 主导地位的热输送机制，而渗透系数对模型参数的影响最大。 模拟结果通常对热导率和热容量不太敏感；这些参数能够可 靠的估计经验公式。 Niswonger和Prudic（2003）提出了一 个表，表明不同的模型参数的相对模型敏感性， Prudic （2003）描述了关于渗透率的研究。这是在美国西南部诸多 研究中调查含水层补给率的研究。在这条河流的三个位置上， 地下底层五个深度的水流阶段，温度均做了记录。
VS2DI水文模型的设计模仿实际或假设的 水文系统。因此，他们提供系统行为的预测。 这些预测为用户提供了研究水文系统的一个 有价值的工具。模型可以用来学习更多有关 的物理，化学和生物学的知识。为了识别强 烈影响系统的现象，评估自然应力（如干旱 或气候变化）和人为应力（例如，土地利用 变化或抽取地下水）对系统未来影响，并且 为了管理者评估水和环境资源安全使用策略， 并且评估整治地表或地下污染的可能行动。 模型预测的准确性取决于如何做好主要的水 文系统模型和如何估计外力（如气候和土地 利用）。
为了求解不同形式的Richards方程，大量的分析解决 方案得以开发，如重力忽略后的差分方程的结果，（例如， 菲利浦，1957年，1969年;加德纳，1958），为了描述通 过部分饱和的沉积物渗透和水分运动。这些方法，由瓦里 克（2003年）总结，因为可以提供快速，准确的解决复杂 问题的方法，其颇有价值。然而这通常被一个或多个假设 限制，如沉积物性质的均匀性（包括初始水分含量），水 力传导作用的恒定流和线性流（或准线性）。Richards方 程的运动波近似提供一个对非饱和区域一维垂直水流的半 解析解决方案。这些分析和半解析模型通过非饱和区域提 供水流运动的动力学的洞察力，但避免了Richards方程数 值解的计算要求。
继Halford（1997）以来，Moench（2003年）用 VS2DI模拟了详细的含水层测试。模拟的区域，从机井 延伸的径向距离为300米，包括不饱和区域（图1）。与 假定的瞬时水降相比，在两个测压位置由VS2DI计算的 水降和实测水降吻合良好。Moench（2003年）用PEST参 数估计程序，结合VS2DI，确定了Brooks and Corey保 湿功能参数值，同时最小化了模拟和测量之间的差异。 El-Kadi (2005)扩展了Moench（2003年）的结果，并表 明与饱和流地下模型获得的结果相比，VS2DI提供一个 与含水层的测试数据更匹配的结果。
目录
背景
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VS2DI软件包
VS2DI应用的实例：
无压含水层测试分析 地下水和地表水交换的估计 蒸散驱动下的土壤水分运动
讨论
1.背景
通过不饱和区域模拟水分运动的模型复杂性变化 极大，从简单的水桶（或水库）模型，到被认为水分 运动通过解析逼近的土壤水分预算模型，再到水分运 动认为由Richards方程控制，再到模拟水汽多相流模 型。水桶模型把地下作为一个或多个储存水库。这些 水库通过水力过程干涸或者充满。出流和入流取决于 水库当前的存储水平。例如，土水库，通过渗透和沉 淀充满，这些水库的水被用来植物的汲取和土壤的蒸 发。当土壤水库已满，过多的渗透滤过水渠下方区， 并且补给地下水水库。水桶模型简单的本性对地下水 分运动机制提供很少洞察力。但它确实方便利用地理 信息（例如，火石等，2000）调查近地表大面积流程 的空间变异性，地下水储存和运动的水桶模型经常作 为模块来与用来估计流量的主要设计流域模型相合 并。。
VS2DI软件最早的版本称为VS2D（Lappala， 等人，1987），允许通过可变饱和多孔介质模 拟水分运动。后来扩展到模型中添加溶质运输 （Healy, 1990）和热传输的选项模拟。前处 理和后处理由Hsieh et al. (1999)开发，用 以模拟的创造和模拟结果的显示。在这儿，是 通过多孔介质对水，溶质和温度传输模拟的一 个简单的展示，对VS2DI软件的描述，讨论模 型开发中的固有假设，各种应用程序的用途， 并分析了该软件不同应用程序的优点和局限性。 本研究在此范围之内提供模拟非饱和区域水流 和运输模型的详细观点。另外，还简要介绍了 不同的模拟方法，以此可以掌握更多的信息。
利用VS2DL软件模拟地下水，溶质和 温度传输
Richard W.Healy*
现代农业工程学院 农业水土工程 后小霞 2012214023
VS2DI软件包是由美国地质调查局为了模 拟变饱和多孔介质中水，溶质和热传输而开 发的。该软件包包括一个图形化的预处理， 以方便模拟的建立，一个后处理用于模拟结 果的可视化，两个数值模型，一个用于解决 流体和溶质传输，一个用于流体和热传输。 有限差分法用于求解流体的理查兹方程，溶 质和热传输的对流-驱散方程。这项研究展示 了对VS2DI软件简短的描述，对应于此软件解 决的问题做了概述，并分析了该软件包的优 缺点，也提出研究水，溶质和热传输的其他 模拟和模拟方法的观点。
所有溶质运移过程包括对流，扩散;一阶衰减; Freundlich, Langmuir吸附，或线性等温线;四种离子 交换，植物吸收。边界条件包括固定的浓度和指定的质 量流量。对流 – 驱散方程的一个变化是用于模拟热输 送（Healy和罗南，1996）。其变化本质是增加了热传 导期。热传导率是假定为含水率函数的。由于温度对水 的粘度的依赖性，传导率是允许随温度不同而变化的。 然而水密度假定为常数和，并与温度无关。可能发生在 土地表面的辐射和潜热交换, 当太阳能蒸发水时，传导 率变化不予考虑。
在可变饱和条件下通过多孔介质模拟水， 溶质和热传输的数值模拟最近几年已经得到 广泛使用。在科学与工程的许多领域，反映 他们无限的应用。（例如，地表水和地下水 的水文，生态，土木，地质，农业工程与农 艺）。研究这些模型的典型问题包括地下水 的补给，蒸发，农业化学品的运输，废弃物 处理场中的污染物的运输，地表水和地下水 之间的相互作用。
所有使用模型的用户面临的问题是研究使用哪个 模型。模型的选择通常是基于研究目标，数据的可用性， 模型使用的简易性，并对备用模型的评估。复杂的模型 有吸引力，因为它们可以深入了解水分运动的机制。但 未必永远是最好的选择，因为他们的应用可能会耗费时 间，并且需要可能不能提供的信息。简单的模型，如水 桶模型，另一方面，在大型区域可以比较容易地应用。 一些模型针对具体应用而开发，如作物生长和农业化学 品在地表和地下运输，通过废物处理场的水分运动，地 热系统的研究，地下水补给。虽然这些模型是最适合其 预定的应用程序，但它们也完全适用于许多其他应用。 其他模型在本质上是通用的，并且可以应用到各种非饱 和区域水流和运输研究，例如，地表水补给，地表水和 地下水的交换，污染物溢流的传输。
另一类模型数值求解Richards方程。这些数值模型的优 点包括：多相模拟水流的能力，在沉积物属性和初始条件下 合并异质性，适应复杂的几何形状，并包括随时间变化的各 种边界条件。这些模型比较典型的是通常模拟单相流（即液 态的水），并且认为流体密度不变。有些模型允许液体水的 密度随溶质浓度和温度变化而变化。 水分的运动是在地下溶质和热传输的一个重要机制。因 此非饱和区域溶质和热传输模型与水流模型紧密联系。对于 水流模型，变饱和溶质运移模型的复杂性范围变化更宽，从 一个没有化学反应的单一的恒定物质的运输，到可能会相互 反应和泥沙子石的多种成分同时传输。最为复杂的传输模型 并不是总与最复杂的水流模型相连接。例如，GLEAMS使用农 药的化学反应的详细信息，但在此非饱和区域水分运动描述 为水桶模型。这种模型能够模拟植物生长，水和化学物质的 吸收，也允许水流路径的显性处理，但水流被假定为是一维 的。更多的机械运输模式是基于对流 – 驱散方程，这个方 程基本上指出，在热输送的情况下，传输由对流 和 驱散产 生和热传导产生。这个模型对传输机制提供了一些作用。