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A review of integrated surface-subsurface numerical hydrological models

Science China Earth Sciences 2024年第5期67卷 1459-1479页

作者： Lele shu Hao CHEN Xianhong MENG Yan CHANG Litang HU Wenke WANG longcang shu Xuan YU Christopher DUFFY Yingying YAO Donghai ZHENG Key Laboratory of Cryospheric Science and Frozen Soil Engineering Northwest Institute of Eco-Environment and ResourcesChinese Academy of SciencesLanzhou 730000China College of Water Sciences Beijing Normal UniversityBeijing 100038China School of Water and Environment Chang’an UniversityXi’an 710064China College of Hydrology and Water Resources Hohai UniversityNanjing 210098China State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture Institute of Soil ScienceChinese Academy of SciencesNanjing 210008China Department of Civil and Environmental Engineering Pennsylvania State UniversityState CollegePA 16801USA Department of Earth and Environmental Science School of Human Settlements and Civil EngineeringXi’an Jiaotong UniversityXi’an 710049China Institute of Tibetan Plateau Research Chinese Academy of SciencesBeijing 100101China

Hydrological modeling,leveraging mathematical formulations to represent the hydrological cycle,is a pivotal tool in representing the spatiotemporal dynamics and distribution patterns inherent in *** models serve a dual purpose:they validate theoretical robustness and applicability via observational data and project future trends,thereby bridging the understanding and prediction of natural *** rapid advancements in computational methodologies and the continuous evolution of observational and experimental techniques,the development of numerical hydrological models based on physicallybased surface-subsurface process coupling have *** in micro-scale conservation principles and physical equations,these models employ numerical techniques to integrate surface and subsurface hydrodynamics,thus replicating the macro-scale hydrological responses of *** hydrological models have emerged as a leading and predominant trend in hydrological modeling due to their explicit representation of physical processes,heightened by their spatiotemporal resolution and reliance on interdisciplinary *** article focuses on the theoretical foundation of surface-subsurface numerical hydrological *** includes a comparative and analytical discussion of leading numerical hydrological models,encompassing model architecture,numerical solution strategies,spatial representation,and coupling ***,this paper contrasts these models with traditional hydrological models,thereby delineating the relative merits,drawbacks,and future directions of numerical hydrological modeling.

关键词： Numerical Hydrological Models Surface-Subsurface Process Coupling Numerical Methods Hydrological Modeling

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降水和地下水开采对通辽市科尔沁区潜水位的影响

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吉林大学学报（地球科学版） 2024年第3期54卷 954-966页

作者：束龙仓张彤豪澈丽木格刘圣昱刘波河海大学水文水资源学院南京210098 河海大学水灾害防御全国重点实验室南京210098 通辽市水利事业发展中心内蒙古通辽028000

变化环境下(气候变化和人类活动)潜水位动态演化过程识别是当前我国乃至全球水资源领域面临的主要科学问题。为了分析多影响因素下的潜水位时空动态变化,以降水和地下水开采为例,基于通辽市科尔沁区2016年1月—2019年12月实测地下水位... 详细信息

变化环境下(气候变化和人类活动)潜水位动态演化过程识别是当前我国乃至全球水资源领域面临的主要科学问题。为了分析多影响因素下的潜水位时空动态变化,以降水和地下水开采为例,基于通辽市科尔沁区2016年1月—2019年12月实测地下水位动态数据,采用Mann-Kendall(MK)趋势检验和栅格代数法分析了区域潜水位的时空变化规律,并利用交叉小波分析、斯皮尔曼相关系数和多元线性回归法进一步量化分析了不同区域降水和地下水开采对潜水位的影响。结果表明:研究时段内科尔沁区潜水位总体呈下降趋势,年均降幅为0.36 m,中部和西部地区潜水位下降较为严重;根据潜水位差值空间分布特征,将研究区划分为潜水位基本平衡区、下降区和严重下降区,其分别占研究区总面积的9.88%、49.65%和40.47%;基本平衡区的潜水位受降水因素影响显著,受地下水开采变化影响极小,下降区和严重下降区潜水位受地下水开采的影响相较于降水影响更大。

关键词：通辽市科尔沁区潜水位动态降水地下水开采交叉小波

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地下水人工回灌颗粒沉积特征试验——基于回灌水温度与颗粒电荷影响

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南水北调与水利科技（中英文） 2024年第3期22卷 502-511页

作者：王诏楷束龙仓刘佩贵董宁澎顾娜张世杰安徽省•水利部淮河水利委员会水利科学研究院合肥230088 水利水资源安徽省重点实验室安徽蚌埠233000 河海大学水文水资源学院南京210098 合肥工业大学土木与水利工程学院合肥230009 中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室北京100038 安徽省水文局合肥230022

分析地下水人工回灌过程中颗粒的沉积特征以及影响沉积的多种因素,搭建地下水回灌物理试验系统和颗粒沉积过程CT扫描检测系统,在此基础上构建与地下水回灌试验系统内砂柱对应的数值模型,用于分析回灌水温度、回灌颗粒电荷和回灌水头对... 详细信息

分析地下水人工回灌过程中颗粒的沉积特征以及影响沉积的多种因素,搭建地下水回灌物理试验系统和颗粒沉积过程CT扫描检测系统,在此基础上构建与地下水回灌试验系统内砂柱对应的数值模型,用于分析回灌水温度、回灌颗粒电荷和回灌水头对颗粒沉积的影响权重,从而将回灌水温度和回灌颗粒电荷与回灌水头纳入同一评价体系中。结果表明:对于地下水人工回灌过程中颗粒沉积来说,回灌水头影响最大,回灌水温度的影响不可忽视,在地下水源热泵等水温变化幅度较大的工程场景中,回灌水温度的影响超过了回灌水头,回灌颗粒电荷的影响较小。研究成果拓宽了对地下水回灌颗粒堵塞和颗粒沉积影响因素的认知,有利于在地下水回灌工程的设计和运行过程中合理规避颗粒堵塞的影响。

关键词：颗粒沉积人工回灌数值模拟沉积特征影响因素

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不透水面影响下海岛淡水透镜体的形成与演化

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水利水电科技进展 2022年第1期42卷 97-102页

作者：凌子涵束龙仓王然河海大学水文水资源学院江苏南京210098 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098

以某海岛的水文地质资料为基础,对研究区水文地质条件进行概化,并使用Visual MODFLOW软件构建了该海岛淡水透镜体的二维模型,通过改变不透水面的覆盖范围,模拟透镜体形态及储水量的变化。数值模拟结果表明,初始状态下岛屿淡水透镜体的... 详细信息

以某海岛的水文地质资料为基础,对研究区水文地质条件进行概化,并使用Visual MODFLOW软件构建了该海岛淡水透镜体的二维模型,通过改变不透水面的覆盖范围,模拟透镜体形态及储水量的变化。数值模拟结果表明,初始状态下岛屿淡水透镜体的最大厚度约为15.6 m;在设置不透水面后,淡水透镜体大约在15a之后再次达到稳定状态,设置不透水面一侧的淡水透镜体下界面轮廓向内凹陷,淡水透镜体的最大厚度减小至14.6 m,岛屿地下淡水储量减少了20.23%。对影响淡水透镜体的4种影响因素进行灵敏度分析,结果表明给水度对岛屿地下淡水储量影响最大,其后依次为降雨入渗补给系数、渗透系数和不透水面覆盖范围。

关键词：海岛淡水透镜体不透水面灵敏度

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2009—2019年河西走廊地下水位时空分布及演变趋势

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水资源保护 2023年第2期39卷 160-167页

作者：宋子奕鲁程鹏吴成城刘波束龙仓河海大学水文水资源学院江苏南京210098

基于2009—2019年河西走廊的地下水位资料,运用地统计学方法研究了河西走廊地下水位的空间分布特征;采用基于分形理论的R/S分析法计算地下水埋深时间序列的Hurst指数,分析了地下水位的动态演变趋势。结果表明:2009—2019年河西走廊的地... 详细信息

基于2009—2019年河西走廊的地下水位资料,运用地统计学方法研究了河西走廊地下水位的空间分布特征;采用基于分形理论的R/S分析法计算地下水埋深时间序列的Hurst指数,分析了地下水位的动态演变趋势。结果表明:2009—2019年河西走廊的地下水位总体呈现持续下降的趋势;河西走廊地下水位变化与灌溉面积相关性最强,其次为人口数量和地下水供水量;预计在未来一段时间内,金昌、武威、白银以及酒泉中部区域的地下水位将持续下降,而酒泉西部地区与张掖大部分地区的地下水位将不呈现明显的变化趋势,以随机波动变化为主。

关键词：地下水位分形理论 Hurst指数地统计学河西走廊

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2000—2020年中国地下水开采时空演变特征

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水资源保护 2023年第4期39卷 79-85,93页

作者：徐丽丽束龙仓李伟闵星鲁程鹏刘波河海大学水文水资源学院江苏南京210098 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098 南京水利科学研究院水文水资源研究所江苏南京210029

采用Mann-Kendall趋势检验法、重心模型和标准差椭圆法研究了2000—2020年我国地下水开采时间变化特征、空间分布特征和重心迁移过程。结果表明:2000—2020年我国地下水开采量呈现波动性减少趋势,年均递减率为0.83%;华北地区在严格的地... 详细信息

采用Mann-Kendall趋势检验法、重心模型和标准差椭圆法研究了2000—2020年我国地下水开采时间变化特征、空间分布特征和重心迁移过程。结果表明:2000—2020年我国地下水开采量呈现波动性减少趋势,年均递减率为0.83%;华北地区在严格的地下水开采管理、地下水超采综合治理和南水北调工程共同作用下,地下水开采量得以压减,东北地区和西北地区由于黑龙江、新疆农业经济发展,地下水开采量明显增加;我国地下水开采重心主要分布在河北、山西和内蒙古交界处,有向西北方向偏移的趋势,地下水开采空间分布格局由东北—西南方向逐渐偏转为东—西方向,方向性趋势也更为明显。

关键词：地下水开采动态演化 Mann-Kendall趋势检验法开采重心标准差椭圆法中国

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非稳态潜流交换过程研究进展

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水文地质工程地质 2022年第5期49卷 157-165页

作者：吴成城张小琴鲁程鹏束龙仓刘波河海大学水文水资源学院江苏南京210098

潜流交换研究涉及地表水-地下水系统交互作用的物理机制、影响因素和生化作用等方面,是近年来水文学、生态学、环境学等学科的研究热点。潜流交换过程包含水流运动、溶质运移以及能量传输过程。以稳态流动条件作为控制因素的潜流交换研... 详细信息

潜流交换研究涉及地表水-地下水系统交互作用的物理机制、影响因素和生化作用等方面,是近年来水文学、生态学、环境学等学科的研究热点。潜流交换过程包含水流运动、溶质运移以及能量传输过程。以稳态流动条件作为控制因素的潜流交换研究成果已经不能满足相关学科发展的要求。因此,近年来非稳态潜流交换过程的研究及其成果渐受关注。当前相关研究多以物理模型试验为主(如室内水槽试验、示踪试验),辅以数值模拟或遥感技术进行验证,进而总结非稳态潜流交换过程水动力交换和能量交换过程规律。未来研究应在多时空尺度,集合多种高精度监测手段,研究潜流交换中的影响因素(如河流水位波动),开发更精确的地表水-地下水耦合模型,系统认识非稳态潜流交换过程。有关非稳态潜流交换的研究结论将有效指导水资源保护与生态环境修复和综合治理。

关键词：非稳态过程潜流交换水动力交换能量交换数值模拟

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基于AHP-EWM的莱州市海岸带海水入侵灾害风险评价与区划

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吉林大学学报(地球科学版) 2023年第6期53卷 1864-1879页

作者：束龙仓黄蕾陈华伟鲁程鹏刘波河海大学水文水资源学院南京210098 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室南京210098 山东省水利科学研究院济南250000

莱州市是我国海水入侵的典型地区,为探明莱州市海水入侵灾害风险程度及灾害影响要素,本研究基于海水入侵灾害发生的链式传递过程,根据致灾因子危险性、承灾体易损性、灾害损失及防灾减灾能力构建了莱州市海岸带海水入侵灾害风险评价指... 详细信息

莱州市是我国海水入侵的典型地区,为探明莱州市海水入侵灾害风险程度及灾害影响要素,本研究基于海水入侵灾害发生的链式传递过程,根据致灾因子危险性、承灾体易损性、灾害损失及防灾减灾能力构建了莱州市海岸带海水入侵灾害风险评价指标体系,基于最小信息熵将层次分析法(AHP)和熵权法(EWM)进行结合确定各指标权重,通过综合加权评价法得到海岸带各镇街风险总值并进行风险排名,并通过指标大小数值对比及皮尔逊相关性检验揭示各指标风险影响程度。结果表明:根据风险总值可将城港路街道、永安路街道及金城镇划分为海水入侵灾害高风险区,沙河镇、三山岛街道及虎头崖镇为较高风险区,土山镇及金仓街道为较低风险区,其中城港路街道风险最高,风险指数值为5.76,金仓街道风险最低,风险指数值为4.03;在各指标中,地下水开采强度与风险总值的相关系数达0.917,表明地下水开采强度是区域海水入侵风险评定的控制指标,该指标为防止海水入侵灾害的关键要素。

关键词：海水入侵层次分析法熵权法风险评价莱州市

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三江平原典型区地下水流场变化及主要影响因素分析

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水利学报 2022年第6期53卷 644-654页

作者：束龙仓徐丽丽袁亚杰吕岩鲁程鹏刘波河海大学水文水资源学院江苏南京210098 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098 黑龙江省水文水资源中心黑龙江哈尔滨150001 黑龙江省佳木斯水文水资源中心黑龙江佳木斯154002

为了进一步探明三江平原地下水流场变化及主要原因,本文以三江平原典型区为研究区,分析了2001—2019年地下水流场变化情况,基于地下水位变化空间差异,采用交叉小波分析、皮尔逊相关分析和灰色关联度分析等方法,定量研究了降水及地下水... 详细信息

为了进一步探明三江平原地下水流场变化及主要原因,本文以三江平原典型区为研究区,分析了2001—2019年地下水流场变化情况,基于地下水位变化空间差异,采用交叉小波分析、皮尔逊相关分析和灰色关联度分析等方法,定量研究了降水及地下水开采对不同区域地下水位的影响程度。结果表明:研究区2001—2019年间地下水大体流向未发生明显变化,但地下水位呈现整体下降趋势,下降区域面积为1.86万km^(2),占整个研究区的83.97%,地下水位的整体下降与水田面积迅速扩张有关。水位上升区地下水位与降水在年周期上存在显著共振关系,二者皮尔逊相关系数为0.485,而水位与地下水开采间不存在稳定的周期性相关,相关性较差;中东部水位明显下降区地下水位与降水之间不存在稳定的周期性相关,相关性较差,而水位与地下水开采在年周期上存在显著共振关系,二者皮尔逊相关系数为-0.409。研究区中部地下水位大幅下降区域水位受地下水开采影响程度明显大于受降水影响,灌区内地下水位小幅下降区域水位受地下水开采影响程度略大于受降水影响。本研究对于深入探究区域地下水资源变化和指导该地区地下水资源合理开发利用具有重要意义。

关键词：三江平原地下水流场降水量地下水开采交叉小波分析

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层状非均质性影响下河流对地下水的补给过程研究

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水文地质工程地质 2023年第3期50卷 44-53页

作者：吴佩鹏束龙仓李福林陈华伟南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210098 吉林大学新能源与环境学院吉林长春130061 河海大学水文水资源学院江苏南京210098 山东省水利科学研究院山东济南250013

河流对地下水的补给过程研究是科学认识水循环规律及地下水资源可持续管理的基础。河床沉积层与其下伏潜水含水层岩性差异是河流下伏含水层的主要结构特征,也是控制河流对地下水补给过程的主要因素。为揭示含水介质分层结构特征影响下... 详细信息

河流对地下水的补给过程研究是科学认识水循环规律及地下水资源可持续管理的基础。河床沉积层与其下伏潜水含水层岩性差异是河流下伏含水层的主要结构特征,也是控制河流对地下水补给过程的主要因素。为揭示含水介质分层结构特征影响下河流对地下水的补给过程,基于黄河干流河南段野外试验结果,建立了地表水地下水相互作用概念模型,并以地下水流路径为对象,精细刻画了地表水地下水的相互作用过程。结果表明:(1)河流对地下水的补给量主要受河床沉积层渗透性影响,河床沉积层厚度变化对河流向地下水的补给量影响不大。即:河床低渗透性沉积物的存在是河流向地下水补给量降低的主要原因,当河床沉积层与其下伏含水层厚度比(HS/H)由0增大为0.125时,河流向地下水补给量的减小幅度达72%。(2)与均质条件相比,河床沉积层渗透性及其厚度变化均明显改变了河水向地下水补给的水流路径及径流时间。随着河床沉积物与下伏含水层渗透系数比K_U/K_L的增大,河水向地下水补给的水流路径穿透深度增大,径流时间延长。(3)河流对地下水的补给量及地下水径流时间对低渗透性河床沉积层渗透系数的敏感性随渗透系数的减小而增大,同时,地下水径流时间对低渗透性河床沉积层的厚度变化较为敏感,且随着厚度的增大,敏感性增强。研究成果可为地下水资源管理及可持续开发提供参考依据。

关键词：河床沉积物层状非均质地表水地下水交互渗透系数数值模拟

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