基于HydroGeoSphere的遼河沈陽區(qū)域地下水安全風(fēng)險分析

王世界

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

遼河在遼寧省內(nèi)流域面積40988km2，河長554km，干流縱貫遼寧省的遼北康法丘陵區(qū)與下遼河平原區(qū)，其河谷開闊，地勢平坦，河道迂回曲折，河道比降小。遼河沈陽區(qū)域內(nèi)的石佛寺水庫是遼河干流上唯一的調(diào)蓄控制性水庫，該區(qū)域地表水地下水交互密切，將地表水、地下水看作統(tǒng)一整體，應(yīng)用HydroGeoSphere(HGS)軟件建立研究區(qū)地表水地下水水流耦合模擬模型。采取支持向量回歸方法預(yù)測研究區(qū)2017—2021年降水量，通過運轉(zhuǎn)模型，模擬預(yù)報未來研究區(qū)地下水水位，根據(jù)預(yù)報結(jié)果對地下水水位進行風(fēng)險評估，進而劃定地下水水位安全風(fēng)險限值，為今后地下水資源的管理與保護提供相關(guān)的科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

通過水文站匯水區(qū)及ArcGIS高程數(shù)據(jù)確定遼河沈陽區(qū)域匯水區(qū)為研究區(qū)，區(qū)內(nèi)河段從上游開原市至下游新民市新立屯村附近，地跨鐵嶺縣、調(diào)兵山市、沈北新區(qū)、法庫縣和新民市等區(qū)域。研究區(qū)位于遼河河谷平原區(qū)，面積約為2552km2，研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

研究區(qū)四季變化明顯，降水量年內(nèi)分配不均，一般6月份進入雨季，7—8月份為降雨高峰期，冬季寒冷雨少。地勢北高南低，地表高程為27～499m，區(qū)內(nèi)地貌類型可以劃分為山前沖洪積平原和沖洪積河谷階地，地表巖性主要為亞黏土、淤泥質(zhì)亞黏土、亞砂土和砂礫石。地下水較為豐富，廣泛分布有第四系松散巖類孔隙水，含水層巖性以礫卵石、砂礫石為主，其巖石滲透性好，地下水水力梯度大，徑流條件較好。地下水的補給來源主要為大氣降水入滲補給及河道滲漏補給，排泄方式主要為人工開采、潛水蒸發(fā)和側(cè)向徑流排泄。

2 理論與方法

HGS技術(shù)系統(tǒng)(軟件)是由加拿大Waterloo大學(xué)、Laval大學(xué)及Hydrogeologic公司聯(lián)合研制開發(fā)的。它能夠在流域尺度上，同時對地表水和地下水進行耦合數(shù)學(xué)模擬[1]。

將研究區(qū)地下水邊界條件、含水層結(jié)構(gòu)、含水層水利特征及源匯項等進行概化，建立研究區(qū)地下水概念模型。將研究區(qū)地表水邊界條件、土地利用類型、源匯項等進行概化，建立研究區(qū)地表水概念模型[2]。根據(jù)建立的地表水地下水概念模型，分別建立地表水、地下水水流數(shù)學(xué)模擬模型。數(shù)學(xué)模型主要包括兩部分：一是描述水流運動規(guī)律的偏微分方程；二是反應(yīng)系統(tǒng)邊界條件和初始條件的定解條件。

采用雙重節(jié)點方式耦合地表水模型與地下水模型。它將平面二維地表水模型疊置在地下水模型的頂部，對地下水、地表水模型進行相同的空間和時間離散[3]。表層的地表水模型節(jié)點與地下水模型頂部節(jié)點具有完全一致的空間坐標(biāo)，即耦合模型表層的節(jié)點同時具有地表水和地下水屬性，每個地表水節(jié)點與相應(yīng)的地下水節(jié)點進行水力聯(lián)系。

通過達西流關(guān)系來描述兩者之間的水流交換，數(shù)學(xué)表達式為：

dQSG=KroKso(h-hs)

(1)

式中，d—地表水與地下水的耦合長度；QSG—地下水與地表水交換通量；KrO—上游節(jié)點的相對滲透率；KSO—地下水表層介質(zhì)的滲透系數(shù)；h—地下水水頭；hs—地表水水頭[4]。

3 模型建立

當(dāng)?shù)乇硭叵滤詈夏M模型模擬計算結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果滿足如下條件時，認(rèn)為所建模型符合研究區(qū)實際情況：①模擬地下水水位同實際觀測水位的絕對誤差小于0.5m的地下水觀測井?dāng)?shù)量占總數(shù)量的75%以上；②觀測點河流月平均流量的模擬結(jié)果與實際檢測值之間的相對誤差要小于20%。

3.1 模型校正

模型模擬期的初始流場采用2014年1月1日研究區(qū)地表水水深和地下水流場，將模擬期內(nèi)各源匯項輸入模型后，運行至2015年12月31日。統(tǒng)計13個地下水水位觀測點水位計算結(jié)果，將2014年12月31日和2015年12月31日模型計算水位與實測水位進行對比，結(jié)果見表1。

對校正期觀測點地表水計算出的流量與實測流量誤差進行統(tǒng)計，統(tǒng)計表明觀測點河流月平均流量的模擬結(jié)果與實際檢測值之間的相對誤差小于20%，見表2。

表1 校正期研究區(qū)觀測井地下水水位

表2 校正期地表水觀測點(馬虎山水文站)月平均流量 單位：m3/s

綜上所述，所建立的地表水地下水耦合模擬模型符合研究區(qū)實際，反映研究區(qū)地表水和地下水系統(tǒng)的動態(tài)變化特征，可以將此時校正后的參數(shù)作為模型參數(shù)。

3.2 模型檢驗

設(shè)定模型檢驗?zāi)M期為2016年1月1日到2016年12月31日，利用2016年12月31日的研究區(qū)實際數(shù)據(jù)對校正后的非穩(wěn)定流模型進行檢驗，將模擬結(jié)果同2016年12月31日研究區(qū)地表水和地下水觀測數(shù)據(jù)進行對比分析，得到檢驗期末觀測井地下水水位見表3，河流月平均流量見表4。

表3 檢驗期研究區(qū)內(nèi)觀測井地下水水位

表4 檢驗期地表水觀測點(馬虎山水文站)月平均流量 單位：m3/s

校正后的非穩(wěn)定流模型計算出的月平均流量同實測值的相對誤差多小于20%，同時研究區(qū)內(nèi)計算水位同實際觀測水位之間絕對誤差小于0.5m的觀測井?dāng)?shù)占總數(shù)的80%以上。由此可知，模型的檢驗結(jié)果滿足誤差要求，所建立的地表水地下水水流耦合模擬模型能夠反映研究區(qū)的實際情況。

4 模擬預(yù)報及地下水位風(fēng)險分析

4.1 降水量預(yù)測

根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)及附近的降水量觀測點資料，采用泰森多邊形法確定區(qū)域降水量分布[5]。利用各降水量觀測點1956—2016年60年降水量數(shù)據(jù)，采用支持向量回歸法預(yù)報未來2017—2021年降水量情況。以前五年降水量推求后一年降水量，分別在各觀測點得到55組訓(xùn)練樣本，以前45組作為訓(xùn)練樣本，后10組作為檢驗樣本。在Matlab軟件平臺下運轉(zhuǎn)編寫的支持向量回歸法計算代碼，實測數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)對比情況如圖2所示，對比表明計算結(jié)果達到了預(yù)期精度要求。

圖2 觀測點降水量預(yù)報圖

4.2 地下水位變化趨勢預(yù)測

根據(jù)觀測點降水量預(yù)測數(shù)據(jù)，通過運轉(zhuǎn)研究區(qū)地表水地下水水流耦合模擬模型，預(yù)測未來五年(2017—2021年)地下水觀測井孔處地下水水位動態(tài)變化趨勢。地下水水位預(yù)報結(jié)果如圖3所示。

圖3 觀測點地下水動態(tài)變化趨勢

從年際上看，各地下水觀測孔地下水水位除個別情況均呈現(xiàn)一定的波動規(guī)律，在豐水期地下水水位升高，在枯水期地下水水位降低，符合一般水文規(guī)律。

4.3 地下水位安全風(fēng)險分析

對地下水觀測點水位埋深進行統(tǒng)計分析，設(shè)定在研究區(qū)內(nèi)地下水位埋深若保持80%的安全保證率，相對應(yīng)的風(fēng)險為0.2。根據(jù)各地下水觀測點水位統(tǒng)計結(jié)果，確定石佛寺站地下水水位埋深需要小于6.72m才能保證80%的觀測點處于安全狀態(tài)，其地下水水位埋深累積分布函數(shù)圖如圖4所示。

5 結(jié)語

以遼河沈陽區(qū)域為研究區(qū)建立了地表水地下水水流耦合模型，并應(yīng)用HGS軟件對其進行同步求解，綜合劃定遼河沈陽區(qū)域地下水水位安全風(fēng)險限值為控制代表站水位埋深不大于6.72m以保證80%的觀測點處于安全狀態(tài)。在當(dāng)今遼河流域全面推行河長制、實行最嚴(yán)格水資源管理制度的形勢下，對地下水未來情勢進行科學(xué)合理的分析預(yù)報，在合理開發(fā)利用地下水及維持河湖生態(tài)環(huán)境良好等方面均有著重大的現(xiàn)實意義。

圖4 石佛寺站地下水水位埋深累積分布函數(shù)圖