基于MIKE SHE的地下水“雙控”指標(biāo)分析

趙琳琳，王海剛

(遼寧省遼陽(yáng)水文局，遼寧 遼陽(yáng) 11000)

水資源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)戰(zhàn)略資源，地下水作為重要組成部分，對(duì)人類(lèi)生存及城市發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。但由于地下水的不合理開(kāi)采，地下水位下降，地下水漏斗形成，海水倒灌、地面沉降、地下水生態(tài)破壞等環(huán)境問(wèn)題，災(zāi)害隨之發(fā)生，因此在地下水開(kāi)發(fā)利用的同時(shí)，對(duì)地下水的監(jiān)管、保護(hù)及規(guī)劃利用等是重要且必要的。[1- 5]《水法》等法律法規(guī)對(duì)地下水開(kāi)發(fā)做出明確規(guī)定，迫切需要對(duì)地下水開(kāi)發(fā)實(shí)行總量控制和維持地下水合理水位。2012年《國(guó)務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見(jiàn)》明確要求，實(shí)行地下水取用水總量控制和水位控制的“雙控”管理。謝新民等提出了關(guān)于地下水水位控制概念，提出紅、黃、藍(lán)水位控制區(qū)域劃分的原則。[6- 8]孫思宇對(duì)吉林市區(qū)進(jìn)行地下水水位、水量雙重指標(biāo)控制管理研究，提出與之適應(yīng)的地下水管理方案[9]，方樟等對(duì)河南安陽(yáng)市進(jìn)行地下水控制水位研究[10]。

遼陽(yáng)縣屬遼寧省遼陽(yáng)市，地處遼東半島中部，東部為丘陵山區(qū)，西部為沿河平原，地勢(shì)平坦，溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量為735.3mm，多年平均蒸發(fā)量為508mm。遼陽(yáng)縣平原區(qū)受地下水資源開(kāi)采影響，地下水位下降、超采區(qū)形成，生態(tài)環(huán)境受到威脅。地下水“雙控”指標(biāo)分析對(duì)水資源保護(hù)、地下水管理、生態(tài)恢復(fù)等具有重要意義，地下水管理研究亟待進(jìn)行。

1 研究方法

1.1 基本原理

MIKE SHE是一種基于過(guò)程的聯(lián)合地表、地下模擬的多參數(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。[11- 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 模型搭建

1.2.1離散

剖分為500m×500m計(jì)算柵格單元。

1.2.2邊界

東側(cè)為流量邊界，根據(jù)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(xiàn)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)，如圖1所示。

1.2.3參數(shù)

圖1 邊界條件示意

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0.1mm/h，單位時(shí)間最大積水深度10mm；單位時(shí)間最大下滲10mm；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0m；農(nóng)業(yè)土地利用為水田灌溉。水平滲透系數(shù)如圖2所示，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)別驗(yàn)證

2009—2012年為模型識(shí)別期，2013—2017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。從計(jì)算與實(shí)測(cè)水位擬合圖，如圖3所示，水位等值線(xiàn)趨勢(shì)基本一致，模型擬合效果好。因此模型參數(shù)合理可靠，模型擬合效果比較好。

2 雙控指標(biāo)分析

2.1 取水總量指標(biāo)分析

圖3 計(jì)算與實(shí)測(cè)水位擬合圖

圖4 2009—2017年水均衡量圖

從模型中提取2009—2017年水量平衡圖進(jìn)行分析，如圖4所示。從圖4中看出2009—2017年水平衡誤差為-1mm，精度較好。飽和帶作為地下水的儲(chǔ)存區(qū)域是研究的重點(diǎn)。研究區(qū)面積772.34km2，總補(bǔ)給量Q總補(bǔ)為35.57億m3，總排泄量Q總排為33.20億m3，儲(chǔ)存量變化量ΔW為2.37億m3。Χ=Q總補(bǔ)-Q總排±ΔW=0。

多年平均地下水總補(bǔ)給量減去多年平均井灌回歸補(bǔ)給量即為多年平均地下水資源量。遼陽(yáng)縣灌溉水利用系數(shù)為0.69，遼陽(yáng)縣井灌回歸為90.5mm，多年平均地下水灌溉補(bǔ)給量為0.699億m3。研究區(qū)多年平均補(bǔ)給量為3.952億m3，研究區(qū)多年平均地下水資源量為3.253億m3。取可開(kāi)采系數(shù)為0.9，研究區(qū)多年平均可開(kāi)采量為2.928億m3。

從地下水資源保護(hù)及環(huán)境問(wèn)題等因素綜合考慮出發(fā)，建立兩級(jí)取水總量控制指標(biāo)，即禁采水量與限制水量。為了不引起地下水環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題將地下水多年平均可開(kāi)采量其定為研究區(qū)地下水總量控制的禁采水量；從最嚴(yán)格水資源管理制度出發(fā)，《遼寧省實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度“十二五”指標(biāo)分解表》遼陽(yáng)縣地下用水量控制為1.90億m3，研究區(qū)為遼陽(yáng)縣西部平原區(qū)，確定取水總量限制水量為水資源管理制度指標(biāo)分解數(shù)，折算東部山區(qū)用水量，現(xiàn)狀限制指標(biāo)為1.88億m3。

2.2 水位指標(biāo)分析

研究區(qū)受土地利用類(lèi)型、開(kāi)發(fā)利用程度等影響，地下水水位差較大，從水資源管理、生態(tài)恢復(fù)出發(fā)，對(duì)研究區(qū)不同開(kāi)采強(qiáng)度區(qū)域采用不同指標(biāo)控制。研究區(qū)受地下水開(kāi)采歷史影響，已形成地下水超采，故綜合考慮地下水動(dòng)態(tài)、地下水開(kāi)發(fā)利用程度及土地利用類(lèi)型等，建立首山超采開(kāi)采區(qū)、唐馬灌溉開(kāi)采區(qū)及黃泥洼綜合開(kāi)采區(qū)，如圖5—7所示。對(duì)不同分區(qū)建立二級(jí)水位控制指標(biāo)。超采區(qū)包括限制開(kāi)采水位和禁止開(kāi)采水位；非超采區(qū)包括警示水位和警戒水位

根據(jù)前文對(duì)2009—2017年開(kāi)采量及地下水均衡的分析，在根據(jù)分區(qū)面積大小，在建立的模型中分別選擇數(shù)個(gè)地點(diǎn)作為水位模擬站點(diǎn)進(jìn)行模擬分析，如圖5—12所示。

圖5 首山超采開(kāi)采區(qū)代表井動(dòng)態(tài)水位曲線(xiàn)圖1

圖6 首山超采開(kāi)采區(qū)代表井動(dòng)態(tài)水位曲線(xiàn)圖2

圖7 首山超采開(kāi)采區(qū)代表井動(dòng)態(tài)水位曲線(xiàn)圖3

從圖5—7中可以看出2010年區(qū)域平均水位為歷年最低，從動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)看出水位趨勢(shì)為上升型，故將其最低水位算數(shù)平均值設(shè)定為區(qū)域限制開(kāi)采水位，水位為4.53m，將最低水位值設(shè)定為區(qū)域禁止開(kāi)采水位，水位為3.15m。

圖8 黃泥洼綜合開(kāi)采區(qū)代表井動(dòng)態(tài)水位曲線(xiàn)圖1

圖9 黃泥洼綜合開(kāi)采區(qū)代表井動(dòng)態(tài)水位曲線(xiàn)圖2

從圖8—9中可以看出2009年區(qū)域平均水位為歷年最低，從動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)看出水位趨勢(shì)為上升型，故將其最低水位算數(shù)平均值設(shè)定為區(qū)域警示水位，水位為7.65m，將最低水位值設(shè)定為區(qū)域禁止開(kāi)采水位，水位為7.31m。

從圖10—12中可以看出2009年區(qū)域平均水位為歷年最低，從動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)看出水位趨勢(shì)2009—2013年為上升型，2014—2017為年下降型，故將其最低水位算數(shù)平均值設(shè)定為區(qū)域警示水位，水位為5.77m，將最低水位值設(shè)定為區(qū)域警戒開(kāi)采水位，水位為5.13m。

圖10 唐馬灌溉開(kāi)采區(qū)代表井動(dòng)態(tài)水位曲線(xiàn)圖1

根據(jù)水平衡原理，計(jì)算保證率在25%豐水年、50%平水年和75%枯水年的降雨量分別為：750.5mm、621.4mm、546.9mm，計(jì)算地下水水位開(kāi)采降深分別為：0.56m，0.76m，0.87m。

圖11 唐馬灌溉開(kāi)采區(qū)代表井動(dòng)態(tài)水位曲線(xiàn)圖2

圖12 唐馬灌溉開(kāi)采區(qū)代表井動(dòng)態(tài)水位曲線(xiàn)圖3

根據(jù)實(shí)際情況，遼陽(yáng)縣地下水年際間變化遠(yuǎn)大于水平衡方法計(jì)算的理論開(kāi)采降深0.87m，無(wú)法將其降深作為臨界水位指標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

采用MIKE SHE建立遼陽(yáng)縣平原區(qū)地表水-地下水耦合水動(dòng)力模型，通過(guò)模型對(duì)研究區(qū)進(jìn)行水量平衡分析計(jì)算，結(jié)合遼陽(yáng)縣“三條紅線(xiàn)”管理的控制指標(biāo)，綜合分析確定了遼陽(yáng)縣平原區(qū)現(xiàn)狀地下水取水總量控制指標(biāo)為1.88億m3。

通過(guò)對(duì)研究區(qū)地下水流場(chǎng)、地下水開(kāi)采特征及土地利用情況等綜合分析建立了地下水水位管理的分區(qū)，依據(jù)模型的模擬，對(duì)不同分區(qū)分析地下水動(dòng)態(tài)變化情況，進(jìn)而對(duì)不同分區(qū)提出地下水管理的超采中心區(qū)的限采水位及禁采水位、其它地區(qū)的警示水位、警戒水位、禁采水位。

研究區(qū)地下水“雙控”指標(biāo)分別為：地下水開(kāi)采量限制開(kāi)采指標(biāo)為1.88億m3，地下水禁止開(kāi)采量指標(biāo)為2.928億m3；首山水源地集中開(kāi)采區(qū)限制開(kāi)采水位為4.53m、禁止開(kāi)采水位為3.15m，黃泥洼開(kāi)采區(qū)限制開(kāi)采水位為7.65m，唐馬寨開(kāi)采區(qū)警示水位為5.77m、