基于MIKE-BASIN模型的壽縣地下水滲流模擬及水資源平衡配置研究

劉 波

(淮南壽縣水務(wù)局，安徽 淮南 232000)

1 研究背景

水資源是居民賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民日常生活保障離不開(kāi)水資源的正常提供[1-2]。但由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致在發(fā)展的同時(shí)忽略了對(duì)環(huán)境的保護(hù)，對(duì)水資源的影響同樣十分巨大。水資源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，水質(zhì)污染、地區(qū)水分布不平衡、洪水旱澇等，也越來(lái)越成為限制我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[3-4]。為解決水資源存在的問(wèn)題，目前急需找出合理的措施解決水資源的供需平衡問(wèn)題，提高水資源的科學(xué)管理水平，因此，關(guān)于水資源供需平衡模擬的研究已成為了水文水資源管理部門(mén)研究的熱點(diǎn)[5]。

關(guān)于地下水、地表水、灌溉水等多種水資源聯(lián)合調(diào)配關(guān)鍵技術(shù)的研究，是解決水資源供需平衡問(wèn)題和水資源短缺問(wèn)題的關(guān)鍵，同時(shí)也是提高水資源利用率的關(guān)鍵[6]。MIKE-BASIN模型在2003年由丹麥水利研究院提出，該模型可基于區(qū)域DEM數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源進(jìn)行優(yōu)化配置，可有效解決水資源供需平衡問(wèn)題[7]。截至目前，Larsen等[8]在湄公河支流，肖志遠(yuǎn)等[9]在漢江流域均在MIKE-BASIN模型應(yīng)用方面取得了一定的研究進(jìn)展，指出了該模型應(yīng)用的科學(xué)性與合理性。

壽縣處于31°54′N(xiāo)～32°40′N(xiāo)、116°28′E～117°04′E之間，位于安徽省中部，隸屬淮南市、淮河中游南岸，是國(guó)家歷史文化名城。壽縣共有25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)藬?shù)超過(guò)140萬(wàn)。壽縣處于北亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡地帶，年平均降水885.9mm，年平均日照2337.2 h，年平均氣溫14.9℃，屬于淮河流域以農(nóng)業(yè)為主的大縣。該地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值較高，主要種植小麥、水稻、油菜等經(jīng)濟(jì)作物，是國(guó)家第一批商品糧基地縣，因此，水資源是影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一[10]。本文基于MIKE-BASIN模型對(duì)壽縣開(kāi)展水資源平衡模擬研究分析，為提高當(dāng)?shù)厮Y源優(yōu)化配置水平提高理論依據(jù)。

2 MIKE-BASIN模型構(gòu)建

本研究通過(guò)耦合MIKE-BASIN與NAM降雨徑流模型實(shí)現(xiàn)壽縣水資源模擬。MIKE-BASIN是對(duì)流域進(jìn)行單元格劃分、提取水資源空間分布結(jié)構(gòu)、供需參數(shù)和模型率定驗(yàn)證的前提條件。NAM模型根據(jù)圖1所示過(guò)程對(duì)水資源循環(huán)過(guò)程進(jìn)行模擬，方便MIKE-BASIN模型進(jìn)行水資源分配計(jì)算。

2.1 NAM模型計(jì)算原理

NAM模型計(jì)算主要分為4個(gè)部分，具體計(jì)算過(guò)程如下。

圖1 NAM模型模擬水資源循環(huán)過(guò)程示意圖

2.1.1坡面流量計(jì)算

(1)

式中，QOF—坡面流量；CQOF—坡面徑流系數(shù)，取值0～1；TOF—坡面流根區(qū)臨界值，取值0～1；L/Lmax—相對(duì)含水率；PN—降水-地表儲(chǔ)水層儲(chǔ)水量。

2.1.2壤中流計(jì)算

(2)

式中，QIF—壤中流量；TIF—壤中流根區(qū)臨界值，取值0～1；CKIF—壤中流時(shí)間常數(shù)；U—地表儲(chǔ)水層水量。

2.1.3基流量計(jì)算

(3)

式中，G—基流量；TG—地下水補(bǔ)給臨界值，取值0～1。

2.1.4蒸發(fā)量計(jì)算

(4)

式中，Ep—潛在蒸發(fā)量。

2.2 模型構(gòu)建及計(jì)算流域劃分

本研究結(jié)合壽縣的實(shí)際情況，將區(qū)域劃分10個(gè)計(jì)算單位，且各主要分區(qū)和參數(shù)特征見(jiàn)表1。本文結(jié)合供水節(jié)點(diǎn)和用水節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合NAM模型中的4個(gè)變量，構(gòu)建適用于壽縣的水資源配置模型。

表1 計(jì)算流域參數(shù)取值

3 模型模擬結(jié)果分析

3.1 模型參數(shù)率定結(jié)果及驗(yàn)證

為得出水資源平衡計(jì)算的結(jié)果，必須找出模型合理的參數(shù)取值范圍，本文通過(guò)調(diào)參手段，找出了NAM模型的最優(yōu)參數(shù)取值，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)NAM模型參數(shù)取值情況，結(jié)合MIKE-BASIN模型基本原理，模擬出徑流量與實(shí)測(cè)流量的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

表2 NAM模型參數(shù)取值

由圖2可知，以該模型進(jìn)行模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)值表現(xiàn)出了較高的擬合精度，在3個(gè)水庫(kù)中，模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，在安豐塘水庫(kù)，模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差僅為2.1%，而模型效率系數(shù)Ens為0.893，決定系數(shù)R2為0.901，且與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性通過(guò)了極顯著水平(P<0.01)，大井水庫(kù)的3個(gè)指標(biāo)分別為1.6%、0.913和0.934，花果水庫(kù)的3個(gè)指標(biāo)分別為3.4%、0.873和0.884，且Ens和R2通過(guò)了極顯著水平(P<0.01)，表明該模型具有一定的合理性和科學(xué)性。

3.2 地下水滲流模擬

圖3為壽縣地下水滲流流場(chǎng)及3個(gè)水庫(kù)的地下水入滲率模擬結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)?shù)貣|部地下水水頭較高，西部水頭較低，不同區(qū)域的水分下滲率隨時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)了先降低后平穩(wěn)的趨勢(shì)，與實(shí)際情況相符。

3.3 模型水庫(kù)下泄流量模擬

圖4為壽縣3個(gè)水庫(kù)下泄流量、流入流量和流出流量的模型模擬結(jié)果。由圖5可知，根據(jù)不同水庫(kù)的不同運(yùn)行過(guò)程，模型模擬出了在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)不同水庫(kù)的下泄水量、流入流量和流出流量等變化情況，用模型模擬出的結(jié)果變化趨勢(shì)符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，進(jìn)一步反映出了本文MIKE-BASIN模型和NAM模型所選的參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特征具有較強(qiáng)的可信度和可適用性，此模擬結(jié)果可為壽縣不同水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度和水資源的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)和參考。

圖2 模型模擬結(jié)果分析

圖3 模型模擬壽縣地下水滲流流場(chǎng)及水庫(kù)土壤下滲率比較

圖4 3個(gè)水庫(kù)下泄流量、流入流量和流出流量模擬結(jié)果

表3 水資源優(yōu)化配置結(jié)果 單位:m3

表4 較常規(guī)調(diào)度的節(jié)水量 單位:m3

3.4 水資源優(yōu)化配置結(jié)果

表3為基于該模型的水資源優(yōu)化配置結(jié)果，表4為基于該模型進(jìn)行優(yōu)化配置與常規(guī)調(diào)度結(jié)果的節(jié)水量。由表3—4可以看出，MIKE-BASIN模型模擬的水資源優(yōu)化配置方案，較原方案在不同水平年的用水量均有一定的減少，在一定程度上緩解了用水壓力。

4 結(jié)論

基于MIKE-BASIN模型對(duì)壽縣水資源進(jìn)行模擬和管理，首先模擬了壽縣地下水滲流流場(chǎng)情況，指出了當(dāng)?shù)氐叵滤^呈現(xiàn)東高西低的現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)?個(gè)水庫(kù)下泄流量進(jìn)行了模擬，指出模擬出的水庫(kù)下泄流量、流入流量和流出流量與實(shí)際情況相符，證明了該模型的模擬精度較高，同時(shí)以該模型進(jìn)行的水資源配置，較常規(guī)調(diào)度大幅度節(jié)約了用水，表明了該模型的合理性。

基于該模型可為水資源優(yōu)化配置及水資源模擬提供一定的科學(xué)依據(jù)，同時(shí)本文主要計(jì)算模擬了壽縣3個(gè)水庫(kù)的徑流量、下泄流量、流入流量和流出流量，在今后的研究中可針對(duì)壽縣流量的空間分布特征，進(jìn)一步研究該模型的合理性。