一种利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法

本发明属于地下水，特别涉及一种利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法。

背景技术：

1、饱和渗透系数（saturated hydraulic conductivity, ks）是达西定律中的核心参数，用于表征多孔介质导水能力，对刻画地下水流动、溶质迁移及地表水—地下水交换过程具有重要意义。ks受土壤质地、孔隙结构、非均质性和测试尺度影响，是水文地质研究中较难准确获取的参数之一。目前，ks的传统测定方法可大致分为室内尺度和野外尺度两类。室内尺度方法主要包括常水头、变水头渗透试验，具有操作简便、成本较低等优点，但易受取样扰动、样品代表性和尺度效应影响。野外尺度方法主要包括单环或双环入渗试验以及大型的抽水试验、微水试验。单环或双环入渗试验常用于近地表土层的原位测定，主要反映单点尺度的局部入渗能力，且易受环径、积水水头、环体埋深、初始含水状态等试验边界条件以及土壤空间异质性的影响；抽水试验能够获取较大尺度含水层的综合水文地质参数，但通常存在成本高、扰动强、试验周期长等问题；微水试验原理是在监测井中瞬时改变水位，并通过记录井内水位恢复过程反演井周含水介质的渗透系数，该方法操作简便、扰动较小，但测试尺度有限，结果易受井壁表皮效应、井储效应和局部非均质性的影响；总体而言，传统方法在地下水浅埋区ks的低扰动测定与代表性获取上，仍存在一定局限性。

2、近年来，基于天然水位扰动信号的非侵入式参数反演方法逐渐受到关注。这类方法通过分析地下水位对天然水头扰动信号的动态响应识别水力参数，可避免人为扰动含水层结构，并充分利用连续水位监测数据，具有低扰动、连续性强和现场适用性较好的优势。例如，已有研究利用固体潮和大气压波动引起的地下水位响应识别浅层含水层水力参数，也有研究基于潮汐、风暴潮或河流水位等周期性水头信号的振幅衰减、相位滞后和频谱特征估算含水层扩散率。在河岸带系统中，河流水位涨落及洪水波传播可作为天然水头扰动源，为反演河流-含水层交换界面水力参数提供有效途径。然而，这些无扰动的研究大多应用于承压含水层，鲜少有研究对潜水含水层的饱和渗透系数进行求取，现有的饱和渗透系数求取方法严重依赖河水位或洪水位的变化，并仅对河流-含水层界面处的饱和渗透系数进行求取。相比之下，直接面向湖岸带潜水含水层饱和渗透系数的非扰动求取方法缺乏。

3、综上所述，目前没有非扰动的方式确定河湖岸带潜水含水层饱和渗透系数的方法。现有饱和渗透系数存在以下问题（1）仅能确定河床-含水层界面的饱和渗透系数，无法确定含水层的饱和渗透系数。（2）依赖河湖水位的波动特征，特别是较大降水后的波动特征，而这种波动信号不稳定，波动有限，且波动方差极大，使得计算结果不准确。（3）由于强烈依赖水位抬升等洪水位信号，无法应用于降水稀少且水位波动不明显的干旱区河岸带或水位长期稳定的湖岸带。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供了一种利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其能够在无扰动的条件下，连续且长期稳定获得湖岸带潜水含水层的饱和渗透系数。

2、本发明提供的技术方案为：

3、一种利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，包括：

4、根据湖岸带干旱期蒸散发驱动下地下水位的日波动特征进行解析解推导，确定湖岸带潜水含水层地下水位水平向波动衰减系数与饱和渗透系数的数学关系为：；

5、在监测湖岸带建立多个观测井，获取每个观测井的地下水位日动态数据，得到监测期内各观测井的地下水位日动态数据集合；

6、在所述地下水位日动态数据集合中选植被生长期内各干旱期的地下水位日波动数据，并计算各干旱期内各观测井的地下水位日波动幅度；

7、在各干旱期内，分别对地下水位日波动幅度的自然对数值与离湖距离进行线性拟合，得到拟合斜率值；并对各干旱期内得到的斜率值取绝对值后求取平均值，得到实测地下水位水平向波动衰减系数；

8、根据野外湖岸带几何、地形、气象、边界条件参数，构建湖岸带二维仿真模型，模拟湖岸带地下水流场；

9、在湖岸带二维仿真模型中设定不同的土质情景，并对不同土质地下水位日波动幅度的自然对数值与离湖距离进行线性拟合，得到拟合斜率值的绝对值作为不同土质的仿真地下水位水平向波动衰减系数；

10、将不同土质的仿真地下水位水平向波动衰减系数的负值与其饱和渗透系数进行线性拟合，得到地下水位水平向波动衰减系数与饱和渗透系数的线性关系曲线；

11、将所述实测地下水位水平向波动衰减系数的负值代入所述线性关系曲线，得到监测湖岸带的饱和渗透系数。

12、优选的是，选取离湖30米范围内建立观测井，所述观测井的数量至少为8个，并且各观测井离湖距离不同。

13、优选的是，在离湖7米范围内，沿离湖由近至远方向均匀间隔设置3个观测井。

14、优选的是，所述地下水位日动态数据的监测频率至少为1h/次。

15、优选的是，在确定实测地下水位水平向波动衰减系数时，以离湖最近的3个观测井中日波动幅度最大的观测井作为起点向远离湖岸的观测井方向，对地下水位日波动幅度的自然对数值与离湖距离进行线性拟合，得到拟合斜率值。

16、优选的是，干旱期为地下水位未受到明显降水补给影响且地下水位日周期波动主要受蒸散发驱动的连续时段；作为一种具体实施方式，可剔除降水发生当日及其后至少3天的数据。

17、优选的是，所述二维仿真模型优选采用hydrus-2d（变饱和模拟软件）构建，但不限于hydrus软件，也可采用能够求解饱和-非饱和水流控制方程并模拟周期性蒸散发边界条件的其他数值模拟软件或自编程序。

18、优选的是，所述湖岸带二维仿真模型中，设定的土质情景至少包括：砂土，壤质砂土，砂质壤土，壤土、粉质壤土和粉土。

19、优选的是，所述湖岸带二维仿真模型中，湖岸带的长度、宽度、坡度、植被分布、根系密度、潜在蒸散发量和降水量、地下水埋深按照监测湖岸带的实际值设定，湖岸带的深度设置为至少5米。

20、优选的是，所述湖岸带二维仿真模型的预热期至少为100天。

21、优选的是，当土质为粉土和粉质壤土时，离湖距离每隔0.5米提取地下水位日波动幅度，作为拟合数据；当土质为其它土质时，离湖距离每隔1米提取地下水位日波动幅度，作为拟合数据。

22、优选的是，仅采用具有显著线性衰减特征的数据建立地下水位水平向波动衰减系数。

23、本发明的有益效果是：

24、本发明提供的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，填补了干旱区湖岸带潜水含水层非侵入式饱和渗透系数求取技术的空白，能够在不破坏野外环境的条件下，即无扰动的条件下，以较低的经济成本，连续且长期稳定获得湖岸带潜水含水层的饱和渗透系数。

1.一种利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，选取离湖30米范围内建立观测井，所述观测井的数量至少为8个，并且各观测井离湖距离不同。

3.根据权利要求2所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，在离湖7米范围内，沿离湖由近至远方向均匀间隔设置3个观测井。

4.根据权利要求3所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，所述地下水位日动态数据的监测频率至少为1h/次。

5.根据权利要求3或4所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，在确定实测地下水位水平向波动衰减系数时，以离湖最近的3个观测井中日波动幅度最大的观测井作为起点向远离湖岸的观测井方向，对地下水位日波动幅度的自然对数值与离湖距离进行线性拟合，得到拟合斜率值。

6.根据权利要求5所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，采用变饱和模拟软件构建所述湖岸带二维仿真模型。

7.根据权利要求6所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，所述湖岸带二维仿真模型中，设定的土质情景至少包括：砂土，壤质砂土，砂质壤土，壤土、粉质壤土和粉土。

8.根据权利要求7所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，所述湖岸带二维仿真模型中，湖岸带的长度、宽度、坡度、植被分布、根系密度、潜在蒸散发量和降水量按照监测湖岸带的实际值设定，湖岸带的深度设置为至少5米。

9.根据权利要求8所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，所述湖岸带二维仿真模型的预热期至少为100天。

10.根据权利要求9所述的利用地下水位日波动确定湖岸带饱和渗透系数方法，其特征在于，当土质为粉土和粉质壤土时，离湖距离每隔0.5米提取地下水位日波动幅度，作为拟合数据；当土质为其它土质时，离湖距离每隔1米提取地下水位日波动幅度，作为拟合数据。