基于WHI UnSat Suite的東營市降雨入滲補給量分析與預測

黎奕宏，劉汝學，黃少文,刁艷芳,王 剛

(1.山東農業(yè)大學水利土木工程學院,山東 泰安 271000;2.國家海洋局第三研究所,福建 廈門 361000)

基于WHI UnSat Suite的東營市降雨入滲補給量分析與預測

黎奕宏1,2，劉汝學1，黃少文1,刁艷芳1,王 剛1

(1.山東農業(yè)大學水利土木工程學院,山東 泰安 271000;2.國家海洋局第三研究所,福建 廈門 361000)

通過對東營市1966—2012年長系列降雨資料及水文地質單元的分析，基于水量平衡原理，運用WHI UnSat Suite分別預測了黃泛平原與山前平原在不同降雨水平年，降雨入滲對地下水的補給量。研究結果表明：豐水年(25%)、平水年(50%)、枯水年(75%)降雨頻率下，黃泛平原區(qū)地下水補給量分別為142.02 mm，99.47 mm，64.21 mm；山前平原區(qū)地下水補給量分別為109.32 mm，51.34 mm，33.87 mm。

地下水；黃泛平原；山前平原；入滲補給量

東營市位于山東省東北部，是黃河三角洲的中心城市，也是黃河三角洲高效生態(tài)經濟區(qū)和山東半島藍色經濟區(qū)兩大國家戰(zhàn)略區(qū)的核心區(qū)，同時又是著名的濕地之城、生態(tài)之城。

如何結合自身的濕地資源優(yōu)勢，合理開發(fā)、高效利用、有效保護地下水資源，成為東營市經濟社會發(fā)展的關鍵問題。

在過去很長一段時期內，由于社會經濟快速發(fā)展對水資源的需求量越來越大[1]，對地下水資源不合理的開發(fā)利用，引起了一系列生態(tài)環(huán)境問題[2-3]，如土壤鹽漬化、海水(咸水)入侵等。

在分析概化東營市水文地質條件[4]基礎上，通過對東營市1966—2012年長系列降雨資料的分析，基于水量平衡原理[5]，運用WHI UnSat Suite分別預測了黃泛平原與山前平原不同降雨水平年降雨入滲對地下水的補給量，對指導地下水資源的合理開發(fā)具有重要的意義。

1 研究區(qū)概況

1.1 降雨量

根據(jù)東營市雨量站觀測記錄，分析降雨資料，

其中1966—2012年年降雨量見表1。從表1中可以看出：年降雨量最大的年份為1990年，年降雨量為968 mm；年降雨量最小的年份為2000年，年降雨量僅為327 mm，兩者相差641 mm，最大年降雨量為最小年降雨量的2.96倍。

東營市多年平均降雨量為548.61 mm，年平均降雨量偏多的年份為16 a，占總年數(shù)的34%；年平均降雨量偏少的年份為18 a，占總年數(shù)的38%；年平均降雨量正常年份為13 a，占總年數(shù)的28%。年平均降雨量偏多和偏少的異常年份所占比例達到了70%以上，但其中偏旱年份8 a，偏澇年份7 a，分別占總年數(shù)的17%和15%，這說明近47 a來東營市降雨異常年份雖然偏多，但是洪澇年份并不多見，降雨量相對比較穩(wěn)定[6-8]。

對降雨量進行頻率分析，其頻率曲線分布如圖1所示。從圖1中可以看出：東營市1966—2012年多年平均降雨量為548.61 mm，變差系數(shù)Cv為0.25，偏態(tài)系數(shù)Cs為0.65，當倍比系數(shù)Cs/Cv為2.6時，不同保證率下的年降雨量如表2所示。

表1 1966—2012年東營市年降雨量統(tǒng)計表

圖1 東營市降雨量頻率分布圖

表2 東營市不同頻率下的年降雨量統(tǒng)計表

從表2可以看出：東營市在豐水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)不同頻率條件下，年降雨量分別為631.31 mm、533.85 mm和449.86 mm。

1.2 水文地質單元及其概化

東營市是魯北平原的重要組成部分，依據(jù)地層構造、成因類型、地層巖性和沉積物來源，區(qū)域內總體上可劃分為黃泛平原區(qū)和山前平原區(qū)兩個大的水文地質單元。

1.2.1 黃泛平原區(qū)

黃泛平原區(qū)主要位于小清河以北，面積為7414 km2。沉積物的巖性主要以粉砂、細砂、黏土、亞黏土為主，沿海地帶常見有海相貝殼，屬咸淡水混合區(qū)和咸水區(qū)。灌溉形式主要為引黃、引小清河灌溉，淺層地下水礦化度較高，不宜采用。

黃泛平原區(qū)地下水埋深普遍較淺，據(jù)地下水位觀測資料[9]，2008年地下水埋深在0.01～3.66 m之間，平均埋深為1.66 m；2000年黃泛平原區(qū)地下水平均埋深為2.21 m，至2008年地下水位累計上升0.55 m，年均變幅0.06 m，多年平均地下水埋深約為1.85 m。

根據(jù)地層分布及計算目的要求，黃泛平原區(qū)包氣帶在垂向上可概化為由兩層不同巖性構成的厚度約為1.2 m的包氣帶層。其中，上層巖性主要以淤泥質黏土、亞黏土為主，厚度約0.4 m；下層巖性主要以細砂、粉砂為主，厚度約為0.8 m。其概化示意圖如圖2所示。

1.2.2 山前平原區(qū)

東營市山前平原區(qū)主要位于廣饒縣境內小清河以南，面積636 km2。沉積物主要來源于泰沂山區(qū)由淄河等河流搬運來的沖積物，地下水埋深相對較深，水質較好，是當?shù)氐闹匾础?/p>

根據(jù)地下水位觀測資料[10]，2008年山前平原區(qū)淺層地下水平均埋深為22.13 m，較上年同期上升了0.15 m，多年平均地下水埋深約為22.25 m。山前平原區(qū)地面150 m以下的沉積物為第四紀沖積海積物，多為黃土—灰黃—灰黑色粉土、淤泥質粉質黏土及粉細砂。

根據(jù)地層分布及計算目的要求，山前平原區(qū)包氣帶在垂向上可概化為由三層不同巖性構成的厚度約為21.0 m的包氣帶層。其中，上層巖性主要以粉土為主，厚度約4.0 m；中層巖性主要以粉質黏土為主，厚度約為5.0 m，下層巖性主要以淤泥質黏土為主，厚度約為12.0 m。其概化示意圖見圖3所示。

圖2 黃泛平原區(qū)包氣帶剖面概化示意圖

圖3 山前平原區(qū)包氣帶剖面概化示意圖

2 降雨入滲補給量預測

2.1 基本原理

運用水量平衡方法預測區(qū)域內不同水平年降雨入滲補給量。水量平衡方程表示如下：

R=P-D-ETα-ΔW

(1)

式中：R為降雨入滲補給量，mm；P為降雨量，mm；D為徑流量，mm；ETα為實際蒸散發(fā)量，mm；ΔW為土壤水分變化量，mm。

2.2 入滲補給量的預測

根據(jù)上述概化的條件，基于水量平衡原理，運用WHI UnSat Suite分別預測黃泛平原區(qū)與山前平原區(qū)不同降雨水平年，降雨入滲對地下水的補給量。

WHI UnSat Suite是由滑鐵盧水文地質公司研發(fā)的軟件，包含SESOIL、HELP、PESTAN、VLEACH和VS2DT五個模塊，專門用于模擬非飽和帶中地下水流動和污染物運移等問題。本文運用HELP模塊，在概化當?shù)匕鼩鈳拭娴幕A上，利用模塊中水量平衡原理以及模擬土壤水分運動的相關內容，預測黃泛平原區(qū)和山前平原區(qū)地下水入滲補給量。

2.2.1 黃泛平原區(qū)入滲補給量的預測

黃泛平原區(qū)不同水平年地下水降雨入滲補給量的預測結果如表3所示。黃泛平原區(qū)在豐水年進入第一層土壤剖面的入滲補給量為183.78 mm，進入地下水中的入滲補給量為142.02 mm；平水年進入第一層土壤剖面的入滲補給量為109.08 mm，進入地下水中的入滲補給量為99.47 mm；枯水年進入第一層土壤剖面的入滲補給量為73.05 mm，進入地下水中的入滲補給量為64.21 mm。

2.2.2 山前平原區(qū)入滲補給量的預測

山前平原區(qū)不同水平年地下水降雨入滲補給量的預測結果如表4所示。山前平原在豐水年進入第一層土壤剖面的入滲補給量為179.98 mm，進入第二層土壤剖面的入滲補給量為154.64 mm，進入地下水中的入滲補給量為109.32 mm；平水年進入第一層土壤剖面的入滲補給量為120.46 mm，進入第二層土壤剖面的入滲補給量為98.23 mm，進入地下水中的入滲補給量為51.34 mm；枯水年進入第一層土壤剖面的入滲補給量為78.65 mm，進入第二層土壤剖面的入滲補給量為54.23 mm，進入地下水中的入滲補給量為33.87 mm。

表3 黃泛平原區(qū)不同降雨水平年入滲補給量預測 mm

表4 山前平原區(qū)不同降雨水平年入滲補給量預測 mm

3 結 論

(1)通過降雨頻率分析，東營市多年平均降雨量變差系數(shù)Cv為0.25，當倍比系數(shù)Cs/Cv為2.6，即偏態(tài)系數(shù)Cs為0.65時理論頻率曲線與經驗頻率點擬合度最高。豐水年(25%)年降雨量通常為631.31 mm；平水年(50%)年降雨量通常為533.85 mm；枯水年(75%)年降雨量通常為449.86 mm。

(2)預測結果表明，東營市在豐水年(25%)、平水年(50%)、枯水年(75%)降雨頻率條件下，黃泛平原區(qū)地下水補給量分別為142.02 mm，99.47 mm，64.21 mm；山前平原區(qū)地下水補給量分別為109.32 mm，51.34 mm，33.87 mm。

(3)黃泛平原區(qū)區(qū)域面積遠大于山前平原區(qū)，不同降雨水平年降雨入滲補給淺層地下水量亦多于山前平原區(qū)，但由于東營市地層由南向北緩傾，具有典型的山前沖擊平原水文地質特征，致使黃泛平原區(qū)地下水礦化度高，多為微咸水、咸水。與之相比，山前平原區(qū)地下水埋深較深，雖儲量相對較少，但水質較好。因此對兩地地下水資源進行開發(fā)利用時應注意因地制宜，黃泛平原區(qū)可適當將地下水資源利用于工業(yè)用水、景觀用水等方面，而山前平原區(qū)則更應該側重于如何合理保護地下水資源。

[1] 李英,張偉,李愛貞.東營市可持續(xù)工業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國人口資源與環(huán)境，2001，11(51):144-145.

[2] 東營市環(huán)境監(jiān)測站.2006年度東營市環(huán)境質量報告書[R].東營:東營市環(huán)境監(jiān)測站,2007.

[3] 東營市環(huán)境保護局.東營市2006年環(huán)境統(tǒng)計年報資料匯編[G].東營：東營市環(huán)境保護局，2007.

[4] 王大純,張人權.水文地質學基礎(第六版)[M].北京:地質出版社,1995.

[5] 沈冰,黃紅虎.水文學原理[M].北京：中國水利水電出版社,2008.

[6] 馬曉波.華北地區(qū)水資源的氣候特征[J].高原氣象,1999,18(4):520-524.

[7] 朝軍彩,周順武,王傳輝,等.華北地區(qū)近30年降水變化特征分析[J].安徽農業(yè)科學,2010,38(34):19 644-19 680.

[8] 孫振華,馮紹元,楊忠山,等.1950—2005年北京市降水特征初步分析[J].灌溉排水學報,2007,26(2):12-16.

[9] 李海燕,趙霞則,張麗華.東營市地下水動態(tài)分析及對策[J].山東水利，2011(7):51-52.

[10] 張美英,陳瑩,趙霞則.東營市2008年地下水動態(tài)分析[J].山東水利，2010(Z1):40-42.

Analysis and forecast of precipitation recharge into groundwater of Dongying based on WHI UnSat Suite

LI Yihong1,2, LIU Ruxue1, HUANG Shaowen1, DIAO Yanfang1，WANG Gang1

(1.WaterConservancy&CivilEngineeringInstitute,SDAU,Taian271000,China;2.ThirdInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Xiamen361000,China)

The series of rainfall data from 1966 to 2012 and the hydrogeological unit of Dongying is analyzed. And the software WHI UnSat Suite is used to forecast that the precipitation recharge into groundwater at different rainfall frequencies of Huangfan plain and Shanqian plain, based on the principle of water balance. Conclusions: under different rainfall frequency conditions of 25% (wet year), 50% (medium water year) and 75% (dry year), the recharge into groundwater in Huangfan plain is 142.02 mm, 99.47 mm and 64.21 mm respectively, and wich in Shanqian plain is 109.32 mm, 51.34 mm and 33.87 mm respectively.

groundwater; Huangfan plain; Shanqian plain; recharge into groundwater

國家自然科學基金(41202174)；教育部博士點基金(20123702120020，20133702120014)

黎奕宏(1991-)，女，碩士研究生，主要從事水文水資源、海岸地質方面的研究。E-mail:woshiliyihonga@163.com

王 剛(1979-)，男，副教授，主要從事水文地質、水文地球物理方面的研究。E-mail:gwang@sdau.edu.cn

P641.2

A

2096-0506(2015)06-0001-04