運(yùn)用MIKE SHE對(duì)鲅魚圈地區(qū)地下水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)

姚 建，張曉威

(遼寧省水文水資源勘測(cè)局營口分局，遼寧營口115003)

MIKE SHE是一個(gè)功能強(qiáng)大、以物理過程為基礎(chǔ)、充分集成的模型，用以水文系統(tǒng)的三維模擬。MIKE SHE利用空間分布的、連續(xù)的氣象水文數(shù)據(jù)模擬濕潤和較干旱地區(qū)的綜合水文學(xué)、水力學(xué)和運(yùn)移的問題。本文運(yùn)用MIKE SHE在營口鲅魚圈地區(qū)建立了一個(gè)模型。研究區(qū)北起沙河，南至浮渡河，東到山前，西至渤海，屬于山前平原，面積約為316 km2。模型將研究區(qū)剖分成205行，210列，柵格(計(jì)算單元格)大小為147 m×147 m。

1 模型總體介紹

1.1 模型各模塊及其計(jì)算方法

本模型主要模擬研究區(qū)內(nèi)的潛水。整個(gè)模型主要包含5大部分，分別是坡面流、河流、非飽和帶、蒸散發(fā)和飽和帶。河流在MIKE11中單獨(dú)設(shè)立。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)的資料情況，坡面流采用有限差分法(Finite Difference)，非飽和帶采用雙層水平衡法(2 Layer UZ)，飽和帶采用有限差分法(Finite Difference)。

1.2 模型主要部分?jǐn)?shù)據(jù)來源與分析情況

1.2.1 非飽和帶(Unsaturated Flow)

由于前面非飽和帶采用的算法是雙層水平衡法，所以在這里只需定義雙層非飽和土壤(2－Layer UZ Soil)屬性和表面蒸發(fā)深(ET Surface Depth)。由于沒有模型范圍內(nèi)詳細(xì)的非飽和帶土壤屬性資料且考慮到模型范圍較小、非飽和帶土壤屬性相差不懸殊，所以采用總體值(Global)。其中water content at saturation為土壤飽和含水量，取值0.3;water content at field capacity為田間持水量，取值0.15;water content at wilting point為凋萎持水量，取值0.05;saturated hydraulic conductivity為飽和導(dǎo)水率取值4e×10－6。這些數(shù)值的最終采用是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值及結(jié)合后面的參數(shù)率定而來。表面蒸發(fā)深設(shè)置為0.8 m。

1.2.2 飽和帶(Saturated Zone)

飽和帶中涉及到的最主要的數(shù)據(jù)為水平滲透系數(shù)、垂直滲透系數(shù)和給水度。

1.2.2.1 水平滲透系數(shù)

水力傳導(dǎo)是一個(gè)土壤粗密度的函數(shù)，與幫助水流穿過土壤的介質(zhì)相關(guān)。疏松、粗糙的均質(zhì)土比粒徑不一的緊實(shí)土傳導(dǎo)性更好。因此，疏松粗糙的均質(zhì)土最大的水平水力傳導(dǎo)性可達(dá)0.001 5 m/s。而緊實(shí)黏土的水平水力傳導(dǎo)性最低為1×10－8m/s，相差5個(gè)數(shù)量級(jí)。本模型的水平滲透系數(shù)是依據(jù)《營口市水文地質(zhì)圖說明書》中的第三章第三節(jié)的部分內(nèi)容并結(jié)合研究區(qū)的現(xiàn)狀實(shí)際情況，運(yùn)用gis繪成研究區(qū)域的水平滲透系數(shù)等值線圖，在模型率定階段對(duì)等值線圖做了一些調(diào)整。

1.2.2.2 垂直滲透系數(shù)

通常情況下，水平水力傳導(dǎo)性比垂直水力傳導(dǎo)性大5～10倍。但由于本區(qū)域巖性具有粗細(xì)相間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有8～10層褐、棕、黃色亞黏土、砂、砂礫石互層，所以垂直滲透系數(shù)比這個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系還要小很多。根據(jù)這個(gè)認(rèn)識(shí)繪制出了區(qū)域的垂直滲透系數(shù)等值線圖。與水平滲透系數(shù)等值線圖一樣，在模型率定階段也對(duì)垂直滲透系數(shù)圖作了一些調(diào)整。

1.2.2.3 給水度

在無壓含水層中，單位產(chǎn)水量為減小單位水頭時(shí)含水層單位表面積釋放的水量。本模型給水度的確定是采用含水層巖性、滲透系數(shù)與給水度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系并結(jié)合模型率定最終確定下來的。

2 模型識(shí)別和驗(yàn)證

為使模型具有足夠的精度，必須進(jìn)行模型識(shí)別。本模型以2001年1月1日地下水位作為識(shí)別的初始水位，以2001—2005年的實(shí)測(cè)水位作為對(duì)比水位來進(jìn)行模型的識(shí)別。在這個(gè)階段，要調(diào)整輸入量和邊界性質(zhì)，以驗(yàn)證模型的適用性和所求參數(shù)的準(zhǔn)確性。

本模型以2001年1月1日地下水位作為識(shí)別的初始水位，以2005—2010年的實(shí)測(cè)水位作為對(duì)比水位來進(jìn)行模型的驗(yàn)證。模型驗(yàn)證階段典型地下水站點(diǎn)實(shí)測(cè)水位與模擬水位對(duì)比關(guān)系見圖1。

圖1 驗(yàn)證期蘭東地下水位監(jiān)測(cè)站實(shí)測(cè)水位與模擬水位對(duì)比圖

模型識(shí)別和檢驗(yàn)結(jié)果證明所建立的數(shù)學(xué)模型、邊界條件及調(diào)定的水文地質(zhì)參數(shù)和源匯項(xiàng)基本都是正確可靠的。

3 項(xiàng)目分析

3.1 運(yùn)用模型對(duì)研究區(qū)地下水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)

前面已經(jīng)對(duì)模型建立和率定情況進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，下面將對(duì)研究區(qū)域內(nèi)的地下水資源量進(jìn)行評(píng)價(jià)。從模型中提取出的水平衡見圖2。

由圖2可見，總的水平衡誤差為15 mm，平均1.5 mm/a，精度較好。平原區(qū)地下水資源量采用補(bǔ)給量法計(jì)算，即多年平均地下水總補(bǔ)給量減去多年平均井灌回歸補(bǔ)給量，其差值即為多年平均地下水資源量。2000—2010年研究區(qū)飽和帶總補(bǔ)給量:邊界入流量+河道補(bǔ)給量+入滲總補(bǔ)給量=333+13+2 042=2 388 mm，研究區(qū)面積A=316 km2，總補(bǔ)給量(Q總補(bǔ))=2 388×316×10－1=75 460萬 m3，多年平均補(bǔ)給量為7 546萬m3。從圖2水平衡圖中獲知，多年平均灌溉補(bǔ)給量為44.4 mm，轉(zhuǎn)化為水量是1 400萬m3。由于研究區(qū)內(nèi)的灌溉基本上都是井灌，所以可以近似認(rèn)為這1 400萬m3水即為井灌回歸補(bǔ)給量。所以研究區(qū)多年平均地下水資源量為6 146萬m3。

圖2 研究區(qū)2001—2010年水平衡圖

3.2 利用遼寧省第二次水資源調(diào)查評(píng)價(jià)成果進(jìn)行檢驗(yàn)

通過查看《遼寧省水資源》，可了解到營口市山丘區(qū)中未劃為平原的河谷區(qū)面積為590 km2，其地下水資源量為1.15億m3，本模型研究區(qū)域正是屬于這種情況。于是采用水文地質(zhì)比擬法計(jì)算研究區(qū)地下水資源量如下:M=11 500/590=19.5萬 m3/km2，Q資=M × A=19.5 × 316=6 162萬m3。通過對(duì)比，模型計(jì)算出來的地下水資源量與利用二次評(píng)價(jià)計(jì)算出來的結(jié)果非常接近，只差16萬m3，不到水資源量的1%，由此可以證明模型評(píng)價(jià)出的結(jié)果是精確并可信的。

4 展望

本文運(yùn)用MIKE SHE模型對(duì)營口鲅魚圈地區(qū)進(jìn)行了地下水資源評(píng)價(jià)。在研究過程中發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)資料對(duì)于模型起著至關(guān)重要的作用。隨著科技的進(jìn)步，資料的收集途徑越來越多，這將為模型的普及打下良好的基礎(chǔ)。

[1]徐國忠.營口市水文地質(zhì)圖說明書[Z].1986.

[2]仲剛.遼寧省水資源[M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2006.