基于MIKE SHE 模型的地下水評(píng)價(jià)

趙琳琳，王海剛

（遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 111000）

0 前言

水資源是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展重要的、基礎(chǔ)性的、戰(zhàn)略性的資源[1～3]，地下水作為水資源的重要組成部分，是人類不可缺少的一種自然資源，對(duì)人類的生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)都起著重要作用。水資源、地下水資源的評(píng)價(jià)，及時(shí)掌握水資源動(dòng)態(tài)，為水資源規(guī)劃配置提供依據(jù)，保障水生態(tài)健康發(fā)展[4～9]。水系統(tǒng)不是對(duì)立存在的，地下水作為水系統(tǒng)的組成部分，亦參與水循環(huán)，與地表水等相互作用[10～12]。為更合理地分析評(píng)價(jià)地下水，建立地表—地下水耦合模擬分析。

遼陽(yáng)縣屬于遼寧省遼陽(yáng)市，地處下遼河平原區(qū)，被遼陽(yáng)市市區(qū)一分為二，即東部山區(qū)與西部平原區(qū)，遼陽(yáng)縣平原區(qū)受太子河、渾河兩大河流作用，屬太子河沖積扇前沿與河間地塊，地下水資源較豐富，年平均降水量為735.3 mm，多年平均蒸發(fā)量為508 mm，曾為遼陽(yáng)、鞍山兩地提供農(nóng)業(yè)、生活生產(chǎn)等水源。本文依據(jù)遼陽(yáng)縣水文、氣象、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀、水文地質(zhì)等資料，借助MIKE SHE 模型建立地表- 地下水耦合的分布式水文模型，模擬地下水補(bǔ)給、徑流、排泄動(dòng)態(tài)過(guò)程，進(jìn)行均衡分析，分區(qū)評(píng)估地下水資源量。

1 研究方法

1.1 模型的基本原理

MIKE SHE 是一種基于水循環(huán)過(guò)程的聯(lián)合地表、地下水模擬的多參數(shù)分布式水文模型，有植物截流、蒸散發(fā)、坡面漫流、河網(wǎng)匯流、包氣帶、飽和帶水流等，各模塊是獨(dú)立的，各系統(tǒng)彼此間間接或直接相互聯(lián)系，共同運(yùn)行完成水文模擬[13～15]。

MIKE SHE 模型建立地下水三維運(yùn)動(dòng)，其主要物理過(guò)程數(shù)學(xué)化的偏微分方程為：

1.2 模型的搭建

（1）離散。將遼陽(yáng)縣平原區(qū)研究區(qū)剖分為500 m×500 m 計(jì)算柵格單元。模擬運(yùn)行時(shí)段為2009 年1 月到2013 年12 月，時(shí)間步長(zhǎng)12 h。

（2）邊界。東側(cè)為流量邊界，根據(jù)遼陽(yáng)市地下水流場(chǎng)，分為流量邊界（2～3）和流量邊界（3～4）；西側(cè)以行政邊界，即渾河為界，設(shè)給定水頭邊界（6～1）；依據(jù)地下水流場(chǎng)，南側(cè)亦為流量邊界，根據(jù)與流場(chǎng)線的關(guān)系分東側(cè)零流量邊界（4～5），負(fù)（流出）流量邊界（5～6）；北部為流量邊界（1～2），見圖1。

圖1 邊界條件示意圖

（3）初始條件。2009 年1 月1 日為初始時(shí)刻。

（4）參數(shù)。采用泰森多邊形法進(jìn)行降雨分區(qū)，最大降雨強(qiáng)度入滲0.1 mm/h，最大降雨深10 mm；最大下滲10 mm；坡面流子模塊中取曼寧系數(shù)M 為50，均勻分布；地表初始積水深0 m；農(nóng)業(yè)土地利用為水田灌溉。水平滲透系數(shù)見圖2，其中垂向滲透系數(shù)為水平滲透系數(shù)的1/15。

圖2 滲透系數(shù)分布圖

1.3 識(shí)別與驗(yàn)證

2009 年～2011 年為模型識(shí)別期，2012 年～2013 年為模型驗(yàn)證期，擬合模型模擬水位與實(shí)測(cè)水位，建立效率系數(shù)（E）和相關(guān)系數(shù)（R）來(lái)進(jìn)行分析模型模擬效果，通過(guò)反復(fù)參數(shù)調(diào)試，得出：識(shí)別期，觀測(cè)平均誤差-0.09，相關(guān)系數(shù)0.83，模型效率系數(shù)-0.09；驗(yàn)證期，觀測(cè)平均誤差-0.11，相關(guān)系數(shù)0.83，模型效率系數(shù)-0.38。參數(shù)合理可靠，模型擬合效果比較好。

2 結(jié)果與討論

2.1 開采分區(qū)

遼陽(yáng)縣平原區(qū)土地利用類型各有不同，用水產(chǎn)業(yè)各有不同，根據(jù)用水類型主次分為水源開采區(qū)（首山- 興?。?，農(nóng)業(yè)開采區(qū)（黃泥洼- 小北河），工農(nóng)開采區(qū)（唐馬寨- 柳壕）。

2.2 均衡分析

通過(guò)MIKE SHE 進(jìn)行遼陽(yáng)縣首山平原區(qū)2009 年～2013年水文模擬計(jì)算，得出遼陽(yáng)縣平原地區(qū)及各分區(qū)水均衡圖（圖3、4、5、6），從圖中可以清晰地看出地下水補(bǔ)給、排泄各項(xiàng)。

研究區(qū)地下水以地面垂向補(bǔ)給為主，包括降雨入滲、灌溉入滲和河道滲漏，此外還包括含水層的側(cè)向徑流補(bǔ)給作用。在首山水源地，由于地下水的大規(guī)模集中開采，導(dǎo)致河道滲漏補(bǔ)給量大量增加。

地下水的排泄主要包括土壤蒸發(fā)和人工開采，此外還有河道排泄和側(cè)向流出等。

圖3 區(qū)域水平衡圖

圖4 水源開采區(qū)水平衡圖

圖5 農(nóng)業(yè)開采區(qū)水平衡圖

圖6 工農(nóng)開采區(qū)水平衡圖

研究區(qū)面積為772.34 km2，遼陽(yáng)縣平原地下水補(bǔ)給項(xiàng)有入滲補(bǔ)給、河道滲漏補(bǔ)給、側(cè)向徑流流入補(bǔ)給，地下水各項(xiàng)總補(bǔ)給量為Q總補(bǔ)=22.34 億m3；遼陽(yáng)縣平原地下水排泄項(xiàng)有向河道排泄、蒸發(fā)排泄、人類開采、側(cè)向徑流流出排泄，地下水各項(xiàng)總排泄量為Q總排=19.77 億m3；地下水儲(chǔ)存的變化量為ΔW=2.57 億m3，地下水埋深有所減小。精度誤差計(jì)算：

由計(jì)算結(jié)果可知，遼陽(yáng)縣平原地下水補(bǔ)給、排泄及儲(chǔ)存的變化量計(jì)算誤差小，成果精度高。

2.3 資源量分析

研究區(qū)為遼陽(yáng)縣西部平原區(qū)，采用補(bǔ)給法進(jìn)行地下水資源分析計(jì)算?，F(xiàn)狀地下水補(bǔ)給包含地下水井灌回歸補(bǔ)給量，為重復(fù)量，故總補(bǔ)給量剔除即為遼陽(yáng)縣平原區(qū)地下水資源量。

遼陽(yáng)縣平原區(qū)2009 年～2013 年的總補(bǔ)給量為22.34 億m3，平均年補(bǔ)給量4.468 億m3，遼陽(yáng)縣平原區(qū)井灌回歸為90.5 mm，利用系數(shù)0.69，平均年地下水灌溉回歸補(bǔ)給量Q回灌=0.699 億m3。

遼陽(yáng)縣平原年平均地下水資源量Q=3.769 億m3。

根據(jù)模型提取出的各分區(qū)水平衡圖計(jì)算各分區(qū)多年平均地下水資源量。

水源開采區(qū)（面積85.26 km2）：Q水源資源量=0.48 億m3；

農(nóng)業(yè)開采區(qū)（面積218.96 km2）：Q水源資源量=1.30 億m3；

工農(nóng)開采區(qū)（面積468.96 km2）：Q水源資源量=2.12 億m3。

2.4 可開采資源量分析

根據(jù)遼陽(yáng)縣平原區(qū)地下水水文地質(zhì)特征及開發(fā)利用情況，采用開采系數(shù)法計(jì)算，取系數(shù)0.9，即：

3 結(jié)論

1）采用MIKE SHE 搭建遼陽(yáng)縣平原地區(qū)地表- 地下耦合水動(dòng)力模型，模擬計(jì)算遼陽(yáng)縣平原區(qū)地下水系統(tǒng)過(guò)程，相關(guān)系數(shù)0.83、效率系數(shù)-0.24，借助相關(guān)系數(shù)、效率系數(shù)分析出地表- 地下耦合模型的參數(shù)率定效果較好，精度高。2009 年～2013 年多年平均地下水資源量3.769 億m3，可開采量3.392 億m3。水源開采區(qū)地下水資源量0.48 億m3，農(nóng)業(yè)開采區(qū)地下水資源量1.30 億m3，工農(nóng)開采區(qū)地下水資源量2.12 億m3。

2）遼陽(yáng)縣平原地區(qū)小區(qū)域MIKE SHE 地表- 地下耦合模型仿真能力好，清晰地、直觀地展示出水文補(bǔ)排過(guò)程，顯示各項(xiàng)水量，展現(xiàn)各分區(qū)水平衡過(guò)程，有可行性，具有一定的應(yīng)用潛力。