1。介绍
数字地下水流模型构成一个强大的工具为他们允许预测含水层地下水管理的动态响应与气候、土地利用和抽象变化(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B17">Batelaan et al ., 2003一个>)。这样的模型需要一个物理表示的含水层系统和适当的边界条件。而含水层参数,饱和导水率和存储,是空间依赖、时不变、地下水流量等充电总值(<我>Rg)、地下水蒸散(<我>等我><年代ub><我>g年代ub>)、地下水漏出(<我>Exf<年代ub><我>g年代ub>)和地下水流入/流出可以在空间和时间变化。基本上多样性参数和通量之间的组合会导致模型的解决方案,这限制了他们的可靠性和预测能力(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B63">摩尔和多尔蒂,2006年一个>;Batelaan de Smedt, 2007一个>;先令et al ., 2019一个>)。可能补充经典模型校准方法对液压头,基本上以最小化模型的解决方案是投资密集的地下的空间参数化领域。然而,地下数据通常是稀缺的,因为入侵方法,如井眼钻井及相关含水层测试,不但昂贵而且耗时。另一种方法是应用hydrogeophysical和遥感技术(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B30">弗朗西斯和Lubczynski, 2011一个>;Baroncini-Turricchia et al ., 2014一个>;弗朗西斯et al ., 2014一个>,2015年一个>)。Hydrogeophysics (HG)提供了高效、井下数据采集的非侵入性的方法来补充侵入性方法和确定地下岩石异构性问题和潜在高出水量区(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B48">樱桃酒,2009一个>)。遥感(RS)技术关注地球从太空观察。他们是用于检测的主要水文和水文地质特征,如地下水表情在表面(弹簧、湿地等),表面水体,而且从太空探测不同的线性特性,称为轮廓。面部轮廓检测分析的基础上数字地形模型(DTM)允许识别主要断裂带,而地貌分类支持山形墙的映射(sub-horizontal坚硬的岩石侵蚀前),孤山和饱经风霜的领域(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B58">Meijerink et al ., 2007一个>)。另一个互补的方法是限制地下水流动模型与地下水通量时空变量(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B46">Jyrkama et al ., 2002一个>;Lubczynski Gurwin, 2005一个>)。然而,这样的评估是复杂的和不确定的(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B47">Kinzelbach et al ., 2002一个>;亨德瑞et al ., 2003一个>;徐和现场,2003一个>;Lubczynski Gurwin, 2005一个>;Lubczynski 2011一个>),因为:(1)地下水通量,由于他们无法理解,是比表面水通量更难以量化,因此他们的方法估计是高度不确定的;(2)地下水流量控制降水的时空变化(<我>P)和蒸散(<我>等我>),而且表层和次表层的非均质性的地质、土壤质地、地形、水系、植被等;(3)地下水流量通常小<我>Rg无法可靠确定的减法<我>等我>从<我>P,因为不可避免的小错误两个导致的不准确度高<我>Rg(Lubczynski 2011一个>);(我v)<我>等我><年代ub><我>g年代ub>通常是被忽视或低估了(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B51">Lubczynski 2000一个>,2009年一个>),这导致过高的净充电(<我>Rn=Rg−Exf<年代ub><我>g年代ub>−等我><年代ub><我>g年代ub>),因此错误的模型校准;和(v)标准,独立的地下水流动模型不考虑与非饱和区相互作用,所以也不量化<我>Exf<年代ub><我>g年代ub>可以表示地下水平衡的重要组成部分,特别是在浅水环境(表<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B42">哈桑et al ., 2014一个>;El-Zehairy et al ., 2018一个>;达乌德et al ., 2022一个>)。使用独立的地下水流模型的常见的做法,比如驰名MODFLOW (<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B41">Harbaugh et al ., 2000一个>),是将任意应用,简单的地下水流量(通常的估计<我>等我><年代ub><我>g年代ub>和<我>Rg)作为模型的输入。这些通量调整期间无网格模型校准。这种做法往往是导致大的偏见在参数估计和错误的地下水平衡(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B16">Batelaan de Smedt, 2007一个>;Lubczynski 2009一个>,2011年一个>)。集成地下通量的相关性,即不仅地下水也不饱和区域通量,在水文模型和水平衡,已被许多研究人员强调(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B67">Niswonger et al ., 2006一个>;Markstrom et al ., 2008一个>;Twarakavi et al ., 2008一个>;Lubczynski 2011一个>;哈桑et al ., 2014一个>;朗之万et al ., 2017一个>),取得了重要进展在过去二十年的发展强大,水文模型(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B73">Paniconi和丘比特、2015一个>;Barthel和Banzhaf 2016一个>;Amanambu et al ., 2020一个>;Haque et al ., 2021一个>;Refsgaard et al ., 2022一个>)。实际上,这些分布式的、瞬态模型,模拟表面,非饱和区和地下水的过程,称为耦合模型,也称为综合水文模型(的事实),构成一个有效的和现实的方法来计算时空流域水平衡通过分区降水进入土壤水分蒸发蒸腾损失总量,径流,存储和渗透。这种耦合模型也允许集成来自不同来源的独立状态变量,如土壤水分和流流量,最重要的地下水头,约束模型校准(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B82">先令et al ., 2019一个>)。此外,耦合模型可以实现分离的,这称为采购<我>等我>在非饱和区和地下水蒸散(分别<我>等我><年代ub><我>u年代ub>和<我>等我><年代ub><我>g年代ub>)。它已经众所周知,科学承认在干旱条件下,当浅层土壤水分减少,<我>等我>不仅可以大大影响表面和不饱和区地下水(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B10">班塔2000一个>;Lubczynski 2000一个>,2009年一个>;麦克斯韦尔康登,2016年一个>)。在有限的环境中,水<我>等我><年代ub><我>g年代ub>可能代表水平衡的重要组成部分<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B61">米勒et al ., 2010一个>;Lubczynski 2011一个>;Balugani et al ., 2017一个>)。第一个版本以来,MODFLOW包含了EVT包计算<我>等我><年代ub><我>g年代ub>基于线性关系取决于深度水位。之后,<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B10">班塔(2000)一个>对modflow ETS1包- 2000 (<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B41">Harbaugh et al ., 2000一个>),它允许模型<我>等我><年代ub><我>g年代ub>使用分段与水位深度的关系。然而,随着土壤水分蒸发蒸腾损失总量代表了两个截然不同的过程,即蒸发(<我>E)和蒸腾作用(<我>T),两个不同的时空特征(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B38">关和威尔逊,2009年一个>;Lubczynski 2011一个>;奥雷利亚纳et al ., 2012一个>;杨,2015一个>;麦克斯韦尔康登,2016年一个>),水文地质模型需要分别考虑。因此,不仅采购还分区<我>等我>必须实现水文模型,通过考虑下面的地下土壤水分蒸发蒸腾损失总量<我>等我><年代ub><我>党卫军我>年代ub>)组件:非饱和区蒸发(<我>E<年代ub><我>u年代ub>)、地下水蒸发(<我>E<年代ub><我>g年代ub>)、非饱和区蒸腾(<我>T<年代ub><我>u年代ub>)和地下水蒸腾(<我>T<年代ub><我>g年代ub>)。这样的分区和采购的<我>等我>有关不仅提高模型的可靠性和水平衡,也使预测气候和土地利用变化的场景,以及了解在水中植被和土壤的作用过程周期(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B53">Lubczynski 2011一个>;Balugani et al ., 2017一个>)。一些这样的研究已经完成,但是他们中的大多数在蒸发和蒸腾或他们中的大多数在情节或当地的尺度(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B84">沙et al ., 2007一个>;平托et al ., 2014一个>;Balugani 2021一个>)。因此,有一个需要实现的分区和采购<我>等我>在水文通量分布模型。特别的重要性<我>T<年代ub><我>g年代ub>在水中使用策略树在干旱半干旱环境中强调文学(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B54">Lubczynski Gurwin, 2005一个>;Naumburg et al ., 2005一个>;大卫et al ., 2007一个>,2013年一个>;郭台铭和米勒,2014年一个>;Barbeta et al ., 2015一个>;Osuna et al ., 2015一个>;Barbeta Penuelas, 2017一个>;Puertes et al ., 2019一个>;Miguez-Macho和粉丝,2021一个>)。复杂的模型树的规模,考虑整个groundwater-soil-plant-atmosphere连续系统及其参数化,开发源码<我>T(大卫et al ., 2013一个>;郭台铭和米勒,2014年一个>)。然而,据我们所知,只有一个解决方案来计算<我>T<年代ub><我>g年代ub>在分布式模型(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B3">Baird Maddock, 2005一个>),这是发达的河岸植被的特殊情况。因此有必要整合<我>T<年代ub><我>g年代ub>兼性地下水湿生植物植被水文模型(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B37">郭台铭和米勒,2014年一个>;Puertes et al ., 2019一个>;Knighton et al ., 2021一个>)。本文提出了一种新的分布式和瞬态模型,耦合酸制酵母地表和土壤区模型与MODFLOW-NWT地下水流动模型(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B66">Niswonger et al ., 2011一个>),可以计算一个详细的时空在流域尺度水平衡。这样开发的目的是了解与浅水表排水系统动力学,通过水通量的时空量化和评估重要性的水平衡,关注<我>E<年代ub><我>g年代ub>和<我>T<年代ub><我>g年代ub>的组件<我>等我><年代ub><我>党卫军我>年代ub>。主要的新建议的方法是:(i)分区<我>等我><年代ub><我>党卫军我>年代ub>蒸发和植物蒸腾作用的;和蒸发(ii)采购(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B84">沙et al ., 2007一个>)和蒸腾(新的现象学方程)为非饱和区和地下水的组件。演示MARMITES-MODFLOW模型在模拟复杂的水文系统功能,代码是应用于小拉玛塔(~ 4.8公里处<年代up>2),位于西班牙的萨拉曼卡省(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#F1">图1一个>)。流域是以前通过RS的集成技术和非侵入性的HG(电阻率层析成象,频域电磁测量和核磁共振测深)水文地质野外数据,定义几何和当地的硬摇滚含水层的水文地质参数(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B31">弗朗西斯et al ., 2014一个>)。
在哪里<我>年代我><年代ub><我>冲浪我>年代ub>是实际表面蓄水,<我>P降水,<我>体育我>是有效降水,<我>E<年代ub><我>我我>年代ub>由植被拦截,<我>Exf<年代ub><我>g1从最高的地下水漏出土层表面,<我>我我>渗透进入土壤,<我>E<年代ub><我>噢我>年代ub>从开放的水体蒸发,<我>罗依我>是地表径流,ϕ<年代ub>1,θ1和<我>D<年代ub><我>土壤我>,1是实际孔隙度、土壤水分和厚度的最上面的土层,分别。水通量都表达[L·T<年代up>−1]在[L]和存储,在毫米和天(也在所有下面的水平衡方程)。MMsurf由2中的地表子域(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#F2">图2一个>右):植被域模拟拦截降水和地表水域处理土地洼地蓄水和河道。当地表水的最大容量存储,然后<我>罗依我>发生。
MMsurf地表组件计算:每小时拦截(<我>E<年代ub><我>我我>年代ub>);(2)每日裸露的土壤潜在蒸发(<我>体育我>);(3)每日植被和农作物潜在蒸散(<我>PT);和(iv)每日开放的水蒸发<我>E<年代ub><我>o年代ub>)。这些驱动力是用来计算<我>体育我>,E<年代ub><我>土壤我>年代ub>,T<年代ub><我>土壤我>年代ub>和<我>E<年代ub><我>噢我>年代ub>。MMsurf要求作为输入每小时连续时间序列的基本气象数据,以及气象监测站的参数和变量,植物,农作物和土壤。每小时降水强度和持续时间是用来模拟拦截来自不同植物物种,包括作物。storm-based分析模型(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B33">裂缝,1979一个>),修改后的<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B34">裂缝et al。(1995)一个>稀疏的森林中,被用来估计拦截。这个模型考虑树冠的单位面积计算湿树冠蒸发,解决在这里降水拦截(<我>E<年代ub><我>我我>年代ub>)。它结合了低数据需求与简单的优点,仍然保持一个现实的拦截过程的方法。一个补丁模型(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B92">杨,2015一个>)用于分区潜在蒸散(<我>宠物我>)为潜在蒸发(<我>体育我>)和潜在蒸散(<我>PT)。在修补模型,地表分解为补丁与相同的植物物种或同一土壤类型。所有补丁接收相同的辐射输入但每一个都是独立参数化,根据土壤和植物物种,在每个单元模型的相对面积的函数。植物和土壤的映射补丁可以使用高分辨率的最优执行(例如~ 1 m)遥感图像分析(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B30">弗朗西斯和Lubczynski, 2011一个>;Reyes-Acosta Lubczynski, 2013一个>;弗朗西斯et al ., 2014一个>),如3.2节中解释。为每个土壤类型、植物和农作物,各自的<我>体育我>和<我>PT计算使用Penman-Montheith(出版社)方程(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B62">环球1965一个>)。除了四个气象变量(风速、空气相对湿度、空气温度和太阳辐射),植物种类的模型需要的参数和变量,作物和土壤类型(参数的完整列表<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#SM1">补充表1一个>- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -- - - - - -3一个>)。这些参数和变量的定义和价值的植物物种,可以测量作物和土壤类型的字段(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B81">萨利纳斯Revollo 2010一个>;Balugani et al ., 2018一个>)。否则,标准的值可以在文献中找到,比如在<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B25">Dingman (2002)一个>。估计<我>体育我>,大学出版社方程与裸露的土壤表面阻力计算<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B88">van de Griend和欠(1994)一个>。估计<我>PT的树木,庄稼和草,大学出版社方程也被使用,定义为每一个植物物种其自己的一组参数(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#SM1">补充表1一个>,2一个>),特别是计算树冠电阻(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B25">Dingman 2002一个>)。植物、作物和土壤变量(例如反照率、叶面积指数)被认为是seasonally-constant和季节之间的过渡时期的定义(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#SM1">补充表1一个>,2一个>)。该模型还计算打开水蒸发<我>E<年代ub><我>o年代ub>正如笔者所定义的(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B36">Gieske 2003一个>)。最后,一旦<我>PT和<我>体育我>计算每个植物、作物和土壤类型、加权平均<我>PT和<我>体育我>定义在每个网格单元,考虑到部分区域范围的植物,农作物和土壤类型的细胞。灌溉选项允许考虑灌溉领域,每一个类型的作物,每天灌溉量和作物时间表(作物的播种日期和日期)。细胞被作物,计算的<我>E<年代ub><我>土壤我>年代ub>是季节性的依赖:(i)在种植季节,假设作物覆盖100%(因此没有土壤露头和<我>E<年代ub><我>土壤我>年代ub>为空);(2)当字段在休耕,植被覆盖率,因此<我>T<年代ub><我>土壤我>年代ub>为空,<我>E<年代ub><我>土壤我>年代ub>计算。2。2。土域(土壤酸制酵母)
降水分区及相关土壤水平衡区计算每天的使用集中参数和线性MMsoil组件通量之间的关系,驱动力和土壤水分。在MM网格的每一个细胞,一个单一的土壤类型定义。土壤区垂直离散成叠加层(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#F2">图2一个>右),与基本的土壤水力参数化属性(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#SM1">补充表3一个>)。通常这些土壤层使用结构定义标准和对应于A和B的视野,分别是淋溶作用的区域和淀积作用(<一个href="//www.thespel.com/journal/articles/10.3389/#B25">Dingman 2002一个>;粮食及农业组织,2006年一个>)。用户可以选择定义一个单一土壤区对应到根区。土壤中的水平衡区计算为:
在哪里<我>年代我><年代ub><我>土壤我>年代ub>实际土壤存储,<我>我我>渗透到最上面的土层(下行流量),<我>Exf<年代ub><我>g年代ub>地下水漏出到底部土层(上行流量),<我>RgydgydF4y2BaF4y2Bap我>年代ub>是土壤之间的渗流层(下行流量),(<我>Exf<年代ub><我>g年代ub>)<我>我我>年代ub>从土层是地下水漏出<我>我我>土层(<我>我我>−1)(上行流量),<我>E<年代ub><我>土壤我>年代ub>裸露的土壤蒸发,<我>T<年代ub><我>土壤我>年代ub>从土壤植被蒸腾作用区,<我>我我>土层指数,计算从上到下,<我>n是土壤层次的总数。