一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法与流程

1.本发明属于地下水资源管理技术领域，具体涉及一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法的设计。


背景技术：

2.地下水蓄变量是指均衡区计算时段初地下水储存量与计算时段末地下水储存量的差值。均衡区可利用一年或数年中地下水位的变化计算该时段含水层中地下水的盈亏情况，当水位上升时，蓄变量增加，反之蓄变量减少。因为深层地下水蓄变量变化一般比较平缓，因此针对浅层地下水蓄变量的研究和分析更具实用性，现有常规的区域浅层地下水蓄变量的计算方法主要包括：等值线法、泰森多边形法和算术平均法。
3.等值线法首先在地图上绘出等值线，用求积仪量出各相邻蓄变量等值线间的面积，以a1,a2,
…
,an表示相邻两等值线间的面积，以b1,b2,
…
,bn作为该面积上的平均蓄变量(即“给水度
×
变幅”值)，计算区域浅层地下水蓄变量的公式为：r＝a1×
b1 a2×
b2
…
an×bn
。该方法精度较高，但是每次计算都需要重绘等值线图，工作量大且繁琐，不方便数据成果共享。
4.泰森多边形法又称为垂直平分法，首先从地图上绘制三角网格，绘出各站点泰森多边形所占的区域面积a1,a2,
…
,an，量算出各个地下水站点所对应的面积权重(即“给水度
×
变幅”值)k1,k2,
…
,kn，以此来计算出泰森多边形法中各个站点所对应的区域浅层地下水蓄变量r＝a1×
k1 a2×
k2
…
an×kn
。该方法虽然考虑了权重，但权重是根据水位站的控制几何面积确定的，与实际控制面积不符合，因此计算精度较低。
5.算术平均法是求取蓄变量数据的算术平均值其中s为区域总面积，k1,k2,
…
,kn为个站点地下水的“给水度
×
变幅”值。该方法计算简单，但没有考虑各水位站的权重或看作等权重，只能粗略估计流域特定时段内的平均变幅量，计算精度同样较低。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有的区域浅层地下水蓄变量的计算方法无法兼顾高计算精度和低计算量的问题，提出了一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法。
7.本发明的技术方案为：一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法，包括以下步骤：
8.s1、建立面向地下水需求应用的标准化公里网格。
9.s2、基于标准化公里网格构建网格数据集。
10.s3、根据标准化公里网格和网格数据集计算研究区域的浅层地下水蓄变量。
11.进一步地，步骤s1包括以下分步骤：
12.s11、确定公里网格的范围和投影。
13.s12、对公里网格进行编码。
14.s13、在公里网格尺度下，提取网格中心点。
15.s14、对研究区域边界处的网格进行处理，得到面向地下水需求应用的标准化公里网格。
16.进一步地，步骤s12中对公里网格进行9位编码，并将编码分为a部分和b部分，其中a部分代表省份，由两位数字表示；b部分代表网格序号，由7位数字组成，网格序号按照网格空间位置从左到右，从上到下的顺序进行编码，没有达到7位的数用补0处理。
17.进一步地，步骤s14中对研究区域边界处的网格进行处理的具体方法为：当研究区域边界处的网格有大于或等于75％的面积在研究区域内时，将该网格纳入研究区域进行计算，否则该网格不纳入研究区域计算。
18.进一步地，步骤s2中构建的网格数据集包括水位/埋深网格数据集、水位/埋深变幅网格数据集和给水度网格数据集。
19.进一步地，水位/埋深网格数据集的构建方法为：采用算术平均法计算研究区域内每个测站水位/埋深的日均值和月均值，并采用克里金插值方法对计算得到的日均值和月均值在空间上离散，形成水位/埋深网格数据集。
20.进一步地，水位/埋深变幅网格数据集的构建方法为：采用网格数据空间计算的方式计算相邻两个水位/埋深网格数据集中的数据差值，得到水位/埋深变幅网格数据集。
21.进一步地，给水度网格数据集的构建方法为：基于国家地下水监测一期工程采集的给水度参数矢量数据，将给水度与公里网格中心点相连接，并对研究区域边界部分网格采用相邻网格给水度进行补充，形成给水度网格数据集。
22.进一步地，步骤s3包括以下分步骤：
23.s31、获取研究区域的浅层统测水位，并利用克里金插值绘制研究区域地下水分层流场。
24.s32、对地下水分层流场进行网格离散化处理，并对每个标准化公里网格赋予一个水位变幅值。
25.s33、根据每个标准化公里网格的水位变幅值计算得到研究区域的浅层地下水蓄变量。
26.进一步地，步骤s33中研究区域的浅层地下水蓄变量的计算公式为：
[0027][0028]
其中qs表示研究区域的浅层地下水蓄变量，fi表示第i个公里网格的面积，数值上等于1，μi表示第i个公里网格的给水度，通过给水度网格数据集获取，δhi表示第i个公里网格的水位变幅值，通过水位/埋深变幅网格数据集获取，n表示研究区域的公里网格数量。
[0029]
本发明的有益效果是：
[0030]
(1)本发明在对区域浅层地下水蓄变量进行计算时既采用了等值线法，又考虑了水位站的实际控制面积，具有较高的计算精度。
[0031]
(2)本发明通过建立标准化公里网格计算研究区域的浅层地下水蓄变量，由于公里网格的面积确定为1，因此大大减少了计算量。
[0032]
(3)本发明计算得到研究区域的浅层地下水蓄变量后，研究区域内任意范围的浅
层地下水蓄变量可通过查询对应的网格插值简单计算得到，便于共享，具有计算一次后可多区域查询分析，重复使用的优点。
附图说明
[0033]
图1所示为本发明实施例提供的一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法流程图。
具体实施方式
[0034]
现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。
[0035]
本发明实施例提供了一种基于公里网格的浅层地下水蓄变量计算方法，如图1所示，包括以下步骤s1～s3：
[0036]
s1、建立面向地下水需求应用的标准化公里网格。
[0037]
步骤s1包括以下分步骤s11～s14：
[0038]
s11、确定公里网格的范围和投影。
[0039]
本发明实施例中，参考国家测绘地理信息局提供1:100万的标准地图，其四角坐标分别为：73.25
°
e，53.67
°
n、73.25
°
e，18
°
n、135
°
e，18
°
n、135
°
e，53.67
°
n。网格范围与其一致，同时参考《地下水动态月报》的投影参数，具体如下：
[0040]
地理坐标系：china geodetic coordinate system 2000。
[0041]
投影坐标系：阿伯斯投影(双标准纬线等积圆锥投影)，其中中央经线105
°
，双纬线分别为25
°
n、47
°
n。
[0042]
在此投影坐标系下，其标准地形图的四角坐标为分别为：-2664038.237862，5904091.998909、-2664038.237862，1850574.589658、2240815.194745，1850574.589658、2240815.194745，5904091.998909。
[0043]
s12、对公里网格进行编码。
[0044]
本发明实施例中，对公里网格进行9位编码，并将编码分为a部分和b部分，其中a部分代表省份，由两位数字表示；b部分代表网格序号，由7位数字组成，网格序号按照网格空间位置从左到右，从上到下的顺序进行编码，没有达到7位的数用补0处理，其取值范围为0000001-9999999。具体网格编码如表1和表2所示。
[0045]
表1网格编码为规定
[0046][0047]
表2省级行政区划代码
[0048]
代码名称代码名称
11北京市42湖北省12天津市43湖南省13河北省44广东省14山西省45广西壮族自治区15内蒙古自治区46海南省21辽宁省50重庆市22吉林省51四川省23黑龙江省52贵州省31上海市53云南省32江苏省54西藏自治区33浙江省61陕西省34安徽省62甘肃省35福建省63青海省36江西省64宁夏回族自治区37山东省65新疆维吾尔自治区41河南省
ꢀꢀ
[0049]
s13、在公里网格尺度下，提取网格中心点，作为后续网格数据集的赋值依据。
[0050]
s14、对研究区域边界处的网格进行处理，得到面向地下水需求应用的标准化公里网格。
[0051]
计算各平原区的浅层地下水蓄变量时，边界处容易出现网格边界与实际边界不贴合的情况，对蓄变量计算结果产生的影响不可忽略，因此需要合理的处理方案。本发明实施例中，以网格面积占比75％为界限，对研究区域边界处的网格进行处理。当研究区域边界处的网格有大于或等于75％的面积在研究区域内时，将该网格纳入研究区域进行计算，否则该网格不纳入研究区域计算。
[0052]
s2、基于标准化公里网格构建网格数据集。
[0053]
本发明实施例中，构建的网格数据集包括水位/埋深网格数据集、水位/埋深变幅网格数据集和给水度网格数据集。
[0054]
其中，水位/埋深网格数据集的构建方法为：采用算术平均法计算研究区域内每个测站水位/埋深的日均值和月均值，并采用克里金插值方法对计算得到的日均值和月均值在空间上离散，形成水位/埋深网格数据集。本发明实施例中选取了京津冀地区2018年1月至2020年3月的水位/埋深月均值数据进行计算，形成了27个月的水位/埋深网格数据集。
[0055]
水位/埋深变幅网格数据集的构建方法为：采用网格数据空间计算的方式计算相邻两个水位/埋深网格数据集中的数据差值，得到水位/埋深变幅网格数据集。本发明实施例中选取了2018年1月至2020年3月逐月与上月相比的水位/埋深变幅进行网格数据空间计算，形成26个月的水位/埋深变幅网格数据集。
[0056]
给水度网格数据集的构建方法为：基于国家地下水监测一期工程采集的给水度参数矢量数据，将给水度与公里网格中心点相连接，并对研究区域边界部分网格采用相邻网格给水度进行补充，形成给水度网格数据集。
[0057]
给水度是含水层的释水能力，其定义为饱和的土壤或岩层在重力作用下排出的水
量与土壤或岩层体积的比值。它表示单位面积的含水层，当潜水面下降一个单位长度时在重力作用下所能释放出的水量。数值上给水度等于释出的水的体积与释水的饱和岩土总体积之比，等于孔隙度减去持水度。
[0058]
给水度是地下水资源评价中最主要的参数，其计算公式为：
[0059][0060]
其中μ表示给水度，vw表示所研究土体经饱和后能由重力排出的水量体积，v表示所研究土体的总体积。
[0061]
s3、根据标准化公里网格和网格数据集计算研究区域的浅层地下水蓄变量。
[0062]
步骤s3包括以下分步骤s31～s33：
[0063]
s31、获取研究区域的浅层统测水位，并利用克里金插值绘制研究区域地下水分层流场。
[0064]
s32、对地下水分层流场进行网格离散化处理，并对每个标准化公里网格赋予一个水位变幅值。
[0065]
s33、根据每个标准化公里网格的水位变幅值计算得到研究区域的浅层地下水蓄变量：
[0066][0067]
其中qs表示研究区域的浅层地下水蓄变量，fi表示第i个公里网格的面积，数值上等于1，μi表示第i个公里网格的给水度，通过给水度网格数据集获取，δhi表示第i个公里网格的水位变幅值，通过水位/埋深变幅网格数据集获取，n表示研究区域的公里网格数量。
[0068]
本发明实施例中，计算得到研究区域的浅层地下水蓄变量qs后，研究区域内任意范围的浅层地下水蓄变量可通过查询对应的网格插值简单计算得到，便于共享，具有计算一次后可多区域查询分析，重复使用的优点。
[0069]
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。