基于MIKE SHE模型在遼南地區(qū)地下水模擬驗證的研究

王 鵬

（大洼區(qū)水利服務(wù)中心，遼寧 大洼 124200）

1 引言

MIKE SHE是一個具有強大的、基于物理的、完全集成的三維水文系統(tǒng)模擬模型[1]，MIKE SHE的水文過程見圖1，圖中的箭頭顯示了不同模塊之間的水交換情況，而svat蒸發(fā)散模塊沒有可用商業(yè)版本。

MIKE SHE利用空間分布的連續(xù)天氣數(shù)據(jù)模擬干濕地區(qū)的水文、水力和交通綜合問題[2～3]，已廣泛應(yīng)用于與地表水、地下水及其動態(tài)相互作用有關(guān)的水資源和環(huán)境問題，這些問題包括流域規(guī)劃、灌溉和排水、水資源管理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對農(nóng)用化學(xué)品和肥料的影響、土地利用變化的影響、氣候變化的影響和生態(tài)評估。

MIKE SHE可用MIKE 11來模擬明渠水流[4]，MIKE 11包括了河流網(wǎng)絡(luò)、湖泊、水庫和水工建筑(如閘門、堰等)的綜合設(shè)置，MIKE SHE也可以連接到污水管網(wǎng)模型，以模擬城市雨水，生活污水管網(wǎng)，地下水及其相互作用[5]，也適用于空間尺度，從估算作物需水量的單一土壤剖面到包含幾個分流域的更大區(qū)域，在許多氣候和水文環(huán)境研究和咨詢項目中具有重要價值[6～8]。

圖1 MIKE SHE的水文過程示意圖

2 研究區(qū)植被

研究區(qū)北起遼南的沙河，南至浮渡河，東到山前，西至渤海，屬于山前平原，面積大約為190 km2，見圖2，圖中灰色區(qū)域即為本模型研究區(qū)域。

圖2 研究區(qū)模型范圍

2.1 植被類型

設(shè)置植被類型的空間分布、蒸散發(fā)參數(shù)以及植被生長階段、植被生長表、灌溉參數(shù)等[9]。

2.2 植被類型的空間分布

本模型的植被類型空間分布資料是根據(jù)省局提供的土地利用分布圖，利用arcgis為工具，參考《遼寧土地利用標(biāo)準(zhǔn)》，對其進行一定的合并加工，最后做成適合模型的shp格式的土地利用資料。本研究區(qū)共分7種土地利用類型，分別是樹林、草地、水體、城市、水稻、玉米和葡萄，由于水稻只有零星的一點點，故在灌溉時給予忽略。圖3中1為玉米，2為葡萄，3為城市，4為樹林，5為水體，6為草地，7為水稻。

圖3 土地利用示意圖

2.3 蒸散發(fā)參數(shù)

植被冠層截留的水量由截留能力乘以LAI得到[10]。截留能力取決于不同植被類型的表面特征，取典型值0.05 mm。

雙層水平衡法的ET參數(shù)：當(dāng)非飽和帶缺水比例低于某值（0～1）時植物根系滕發(fā)量減少，本模型設(shè)置為1。

重力流法和Richards公式法的ET參數(shù)：C1是LAI和Ea/Ep間線性關(guān)系的斜率，它確定了水量充分情況下當(dāng)實際蒸散發(fā)等于潛在蒸散發(fā)時的LAI值[11]。粘土質(zhì)、肥沃的土壤，C2取值0.2左右，該值越大，實際蒸散發(fā)中土壤蒸發(fā)的比例越大。當(dāng)越靠近地表的上層土壤蒸發(fā)量在實際蒸散發(fā)量中占23%～61%時，C2取值為0～0.5之間。C3控制水應(yīng)力對蒸騰過程的影響，根據(jù)土壤類型不同，輕質(zhì)土取較大值，重質(zhì)土取較小值，消減土壤干燥的影響通過增加C3值來實現(xiàn)。土壤的根系分布由Aroot參數(shù)調(diào)節(jié)，Aroot取值與土壤容重有關(guān)，土壤容重大即根系生長受限制時取較大值，容重小時取較小值。

2.4 植被生長階段

植物隨時間變化的特性通常由一系列特征長度的典型階段來描述，這些變化通過植物生長階段之間的一組線性變化表示[12]。天數(shù)是指從植物開始生長（如播種）至指定階段期末的累積天數(shù)。本模型中各作物生長期資料是參照MIKE SHE作物生長屬性數(shù)據(jù)庫的設(shè)置來劃分的。

2.5 植被生長

對于作物的各生長階段，用葉片面積指數(shù)LAI，根系深度RD，作物系數(shù)Kc來描述。葉片面積指數(shù)LAI即葉片面積/地面面積，根據(jù)植被類型不同取值范圍為0～7之間；根系深度RD通常隨季節(jié)變化，還需要考慮土壤類型，因為某些作物的根系分布會因土壤特性的不同而各不相同；作物系數(shù)Kc用以調(diào)整與實際蒸散發(fā)相關(guān)的特定作物的參考蒸散發(fā)。

天數(shù)是指從植物開始生長（如播種）至指定階段期末的累積天數(shù)[13]。葉片面積指數(shù)和根系深度應(yīng)當(dāng)定義在作物生長階段末期。指定取值間LAI及根系深度的發(fā)展變化通過模型線性插值。表1所示為各種土地利用類型的葉片面積指數(shù)LAI、根系深度RD和作物系數(shù)Kc，各參數(shù)都是參照MIKE SHE的例子設(shè)置的。

表1 植被生長表

2.6 灌溉參數(shù)

如果在灌溉需水對話框中，定義植被屬性文件用于需水量計算，那么需水量取值將從植被文件中讀取[13]。植被屬性文件的灌溉參數(shù)包括：缺水開始、缺水結(jié)束、參考、指定、應(yīng)力系數(shù)、積水深度等。其中天數(shù)是指從植物開始生長（如播種）至指定階段期末的累積天數(shù)。

2.7 灌溉區(qū)域

研究區(qū)內(nèi)需要澆灌的主要作物為葡萄。在灌溉區(qū)域Irrigation command areas里設(shè)置灌溉面積分布的位置、灌溉取水水源類型、灌溉方式等[14]。由于澆灌葡萄園的農(nóng)用井眾多，且具體位置很難逐個定義，所以灌溉取水水源類型采用shallow well，就是一種概化到面上得取水類型。灌溉方式采用sprinkler，這樣比較切合葡萄的實際灌溉方式。灌溉面積分布的位置見圖4，其中灰色區(qū)域即為葡萄主產(chǎn)區(qū)。

圖4 灌溉面積分布的位置

2.8 灌溉需水

本模型中葡萄的灌溉需水參考了《北方農(nóng)業(yè)節(jié)水理論與技術(shù)研究》中關(guān)于葡萄日需水量的介紹，并結(jié)合2010年～2019年的年降水量，在模型中給了一個灌溉需水的時間序列。葡萄的日需水量見表2。

表2 葡萄的日需水量

3 模型驗證

本模型以2010年1月1日地下水位作為識別的初始水位，以2014年～2019年的實測水位作為對比水位來進行模型的驗證。模型驗證階段典型地下水站點實測水位與模擬水位對比關(guān)系見圖5～圖8。

圖5 驗證期文屯地下水位監(jiān)測站實測水位與模擬水位對比圖

圖6 識別期紅旗堡地下水位監(jiān)測站實測水位與模擬水位對比圖

圖7 識別期大房身地下水位監(jiān)測站實測水位與模擬水位對比圖

圖8 識別期蘭東地下水位監(jiān)測站實測水位與模擬水位對比圖

4 結(jié)語

從以上模型驗證結(jié)果看，模型識別階段共取觀測點4個，4個站點的平均誤差ME的平均值為-0.206 m，平均絕對誤差MAE的平均值為0.494 m；驗證階段共取觀測點4個，4個站點的平均誤差ME的平均值為-0.297 m，平均絕對誤差MAE的平均值為0.608 m。由此可知該模型所驗證的結(jié)論是正確可靠的。