MIKE SHE 模型在杭錦旗引黃灌區(qū)的應(yīng)用研究

韓金旭，張翔宇，劉姝芳，李 舒，張 丹，谷曉偉

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450003）

杭錦旗引黃灌區(qū)為自流灌區(qū)，灌區(qū)受南部鄂爾多斯臺地補(bǔ)給和北側(cè)黃河影響，地下水水位較高，加之當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)習(xí)慣重灌輕排，灌區(qū)排水不暢，灌區(qū)土壤飽受鹽漬化危害。 鹽漬化土壤要靠大水漫灌壓鹽，漫灌又進(jìn)一步抬高地下水水位，加劇土壤鹽漬化，從而形成惡性循環(huán)。 因此，科學(xué)排水是灌區(qū)除澇、防漬、防止土壤鹽漬化以及改善耕作條件的有效途徑［1-2］。 目前，已有一些關(guān)于引黃灌區(qū)灌溉排水退水規(guī)律的研究，如河套灌區(qū)農(nóng)田排水過程模擬［3］、甘肅景電引黃灌區(qū)退水規(guī)律與模擬［4］等，但有關(guān)內(nèi)蒙古黃河南岸灌區(qū)灌溉排水過程的研究較少，缺少水文參數(shù)的確定研究，同時限制了水文模型的模擬應(yīng)用［5］。 本文以杭錦旗引黃灌區(qū)為研究對象，采用MIKE SHE 模型建立符合灌區(qū)實(shí)際的水文模型，旨在為灌區(qū)排水規(guī)律研究提供模型基礎(chǔ)支撐，為灌區(qū)水文參數(shù)的確定提供參考依據(jù)。

1 概 況

杭錦旗位于鄂爾多斯高原西北部，東鄰達(dá)拉特旗、東勝區(qū)，西南與烏審旗、鄂托克旗接壤，北靠黃河與巴彥淖爾市隔河相望，屬中溫帶半干旱高原大陸性氣候區(qū)，長年干旱少雨，冬季漫長而寒冷，夏季溫和而短促［6］。 杭錦旗引黃灌區(qū)西起三盛公水利樞紐，東至毛不拉孔兌，北臨黃河右岸防洪大堤，南接庫布其沙漠邊緣，沿黃河呈狹長帶狀分布，東西長約170 km，南北寬5～10 km，總灌溉面積2.79 萬hm2。 該灌區(qū)從三盛公水利樞紐上游南岸2.7 km 總干渠進(jìn)水閘引水自流灌溉，總干渠全長204.67 km。

灌區(qū)受南部鄂爾多斯臺地補(bǔ)給和北側(cè)黃河影響，地下水水位較高，埋深為0.5 ～4.0 m，地下水總體運(yùn)動方向由西南向東北。 為解決灌區(qū)排水及地下水位過高的問題，灌區(qū)建設(shè)了總排干溝，全長195.768 km，貫通全灌區(qū)。 由于灌區(qū)總體地勢較低，排水無法順利排出，因此灌區(qū)配備了6 座常規(guī)排水泵站和2 座臨時排水泵站，將排水及時抽排灌區(qū)。 在歷次續(xù)建配套與節(jié)水改造中由于建設(shè)資金投入不足等，因此排水系統(tǒng)普遍存在建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)偏低、配套程度低、抗御自然水旱災(zāi)害能力不強(qiáng)等問題，排水不能及時快速排除，影響了農(nóng)田排水的正常抽排。 根據(jù)杭錦旗引黃灌區(qū)多年灌水?dāng)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2010—2019 年年均灌溉引水量22 574 萬m3，年均排水量3 653 萬m3，排水量總體呈上升趨勢（見圖1），其中2018 年排水量最大，達(dá)到4 450 萬m3。

圖1 灌區(qū)多年排水量變化情況

2 模型構(gòu)建

2.1 模型結(jié)構(gòu)

MIKE SHE 是一款較為全面的分布式水文模型，它可以模擬陸相水循環(huán)中主要的水文過程，包括降雨、蒸散發(fā)、地表坡面流、地表河道流、地下徑流以及各個水文過程之間的交互作用［7］。 MIKE SHE 模型由數(shù)個獨(dú)立的、相互聯(lián)系的、基于過程的模塊構(gòu)成，主要有坡面流（OL）、河流和湖泊（OC）、非飽和帶／包氣帶（UZ）、蒸散發(fā)（ET）與飽和帶（SZ）等5 個子模塊。 每個子模塊用于一個主要水文過程的描述，根據(jù)不同的模擬要求，這些子模塊可以互相分離開來也可以綜合起來應(yīng)用，分離開來可分別描述流域水文循環(huán)的各個過程，綜合起來可描述整個流域的水文循環(huán)過程［8］。模型中坡面流模擬采用二維圣維南方程組，河流和湖泊模塊為MIKE 11 圣維南一維水動力學(xué)模型，飽和帶即地下水的模擬采用集總式的線性水庫法，非飽和帶模擬采用水量平衡法或理査德方程［9］。 MIKE SHE 相較于其他水文模型具有明顯的優(yōu)勢，可以靈活地選用必要的模塊以匹配灌區(qū)特點(diǎn)，能夠清晰地模擬灌區(qū)水分的運(yùn)動和轉(zhuǎn)化過程，在此基礎(chǔ)上建立灌區(qū)水文循環(huán)模型，進(jìn)而研究灌區(qū)排水形成過程是切實(shí)可行的。

2.2 數(shù)據(jù)庫搭建

灌區(qū)排水過程影響因素繁多，受氣象因素、地下水運(yùn)動條件、土壤屬性、地形地貌等自然因素和引水量、灌溉制度、作物種植結(jié)構(gòu)、渠系構(gòu)造等人為因素共同影響，其形成過程及變化規(guī)律較為復(fù)雜［10-11］。 結(jié)合杭錦旗引黃灌區(qū)水循環(huán)特點(diǎn)，搭建灌區(qū)水文模型數(shù)據(jù)庫，主要包括模型范圍及地表高程、氣象數(shù)據(jù)、土地利用分布、灌溉數(shù)據(jù)、排干溝設(shè)置、坡面流數(shù)據(jù)、土壤數(shù)據(jù)、地下水條件等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及參數(shù)。 因文章篇幅有限，在此選擇模型范圍及地表高程、土地利用類型分布、土壤數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)說明，其他數(shù)據(jù)僅簡要介紹。

本次研究收集到灌區(qū)2017—2019 年實(shí)測逐日排水資料，在此確定模型的模擬時段為2017—2019 年，其中2017—2018 年為模型數(shù)據(jù)率定校準(zhǔn)階段、2019年為模型數(shù)據(jù)驗(yàn)證階段。

2.2.1 模型范圍及地表高程

根據(jù)灌區(qū)分布狀況，在ArcGIS 中確定灌區(qū)范圍shp 面文件，并利用ArcGIS 中投影轉(zhuǎn)換工具將坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為CGCS2000_3_Degree_GK_CM_108E，模型范圍總面積為1 620 km2。 灌區(qū)高程采用30 m 分辨率數(shù)字高程數(shù)據(jù)集。 根據(jù)模型運(yùn)行精度需求及現(xiàn)實(shí)情況，模型計(jì)算空間網(wǎng)格大小選取500 m×500 m，模型范圍起始x、y坐標(biāo)點(diǎn)為（416 000，4 460 000），將模型范圍沿x和y方向劃分為350×140 個網(wǎng)格。

2.2.2 土地利用類型分布

根據(jù)國家土地資源分類標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況，將模型范圍內(nèi)土地資源分為耕地、草地、林地、裸地、居民區(qū)、水體及其他用地。 模型范圍內(nèi)的各土地利用類型占地面積統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 土地利用類型統(tǒng)計(jì)

土地利用模塊植被屬性子項(xiàng)中需要在植被屬性文件中輸入各類用地的葉面積指數(shù)（LAI）及根系深度（RD）時間序列。 根據(jù)FAO 文件及查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料確定不同土地類型植被根系、葉面積指數(shù)隨時間變化規(guī)律，得到研究區(qū)域的作物參數(shù)值，作為模型的輸入項(xiàng)。 灌區(qū)播種作物主要為玉米、葵花，2019 年兩種作物種植面積占總耕地面積的90%，此外還種植有少量小麥、雜糧、牧草等。 模型中按玉米、葵花兩種作物考慮，玉米、葵花種植面積比為4 ∶6。 查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料得到作物生育期及對應(yīng)的LAI、Kc（作物系數(shù)）與RD時間序列［12］，并根據(jù)兩種作物種植面積權(quán)重比得到耕地類型對應(yīng)的植被屬性參數(shù)，時間序列見圖2。

2.2.3 土壤數(shù)據(jù)

非飽和帶即包氣帶是指以地表為上邊界、地下水位為下邊界的非飽和水流區(qū)域。 非飽和帶土壤含水量和土壤水勢的變化受非飽和水流運(yùn)動過程的影響，此外，地表水下滲至非飽和帶土壤中的水量以及非飽和帶與飽和帶之間的水量交換過程也受到非飽和帶水流運(yùn)動過程的控制。 非飽和帶上部受降水、蒸發(fā)和下滲的影響，土壤含水量波動較大，下邊界受地下水位的波動發(fā)生相應(yīng)的改變。 本次模擬采用兩層水量平衡法（2 Layer UZ），根據(jù)國家土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，將模型范圍內(nèi)的土壤類型分為砂質(zhì)壤土、砂質(zhì)黏壤土、黏壤土3種類型（見表2），主要類型為砂質(zhì)壤土。

表2 不同土壤質(zhì)地顆粒含量 %

2.2.4 其他數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)采用臨河國家氣象站2017—2019 年數(shù)據(jù)，主要包括風(fēng)速、降水量、氣溫、日照時數(shù)和相對濕度等數(shù)據(jù)，用Penman-Monteith 公式，計(jì)算參考作物蒸散發(fā)量ET0。 該灌區(qū)采用地面灌溉方式，灌溉水源為黃河，因此在模型中灌溉水源設(shè)定為外部水源，灌溉過程采用2017—2019 年灌區(qū)實(shí)際引水?dāng)?shù)據(jù)。 灌區(qū)總排干溝全長195.768 km，溝深2 m，內(nèi)邊坡按1 ∶3 考慮，縱比降為1／4 500～1／7 500，排干采用一維河道模型MIKE 11模擬，將MIKE 11 模型與MIKE SHE 耦合形成完整的地表-地下水循環(huán)模擬模型。 坡面流是地表積水的運(yùn)動，一般采用有限差分法模擬坡面流，需要輸入3 個參數(shù)，即曼寧系數(shù)作為率定參數(shù)、滯蓄水深設(shè)置為田埂高度500 mm、初始地表水深為0。

2.3 模型輸入

在輸入數(shù)據(jù)之前，需先對模型進(jìn)行初始設(shè)置。 首先，根據(jù)研究目的以及灌區(qū)實(shí)際情況選定模型的子模塊，選定MIKE 模型中的坡面流（OL）、河流和湖泊（OC）、非飽和帶／包氣帶（UZ）、蒸散發(fā)（ET）、飽和帶（SZ）5 個子模塊；然后，對模擬的時段進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)詳細(xì)程度，本次模擬時段為2017-01-01 至2019-12-31，以a 為單位，分別進(jìn)行模擬，MIKE SHE模型的模擬時間步長為24 h，MIKE 11 河道模擬時間步長為10 min，其他模擬參數(shù)的設(shè)置采用模型默認(rèn)參數(shù)；最后，在相關(guān)設(shè)置完成后，導(dǎo)入已生成的地表高程、氣象數(shù)據(jù)、土地利用類型分布、灌溉數(shù)據(jù)、坡面流參數(shù)、土壤參數(shù)、地下水分布條件等相關(guān)文件并設(shè)置相關(guān)參數(shù)。

3 結(jié)果分析

3.1 參數(shù)率定及驗(yàn)證

模型中許多參數(shù)由于缺乏實(shí)測數(shù)據(jù)，因此基于理論參考范圍和經(jīng)驗(yàn)賦予了初始值，需要根據(jù)模擬值與實(shí)測值的擬合程度進(jìn)行參數(shù)調(diào)整率定。 在此選取對模型模擬結(jié)果有較大影響的參數(shù)作為率定參數(shù)，主要包括河道水動力、坡面流、非飽和帶土壤屬性、含水層水文地質(zhì)等參數(shù)，并選取相關(guān)系數(shù)（R）、均方差（RMSE）、納什效率系數(shù)（E）3 個逐日排水過程指標(biāo)及年排水量相對誤差評價模擬結(jié)果的準(zhǔn)確程度［13］。 模型率定選取的參數(shù)及率定結(jié)果見表3。

表3 模型率定選取的參數(shù)及率定結(jié)果

3.2 模擬結(jié)果分析

根據(jù)以上參數(shù)率定結(jié)果，對2019 年排水過程進(jìn)行驗(yàn)證模擬。 最終率定期及驗(yàn)證期的模擬結(jié)果評價見表4，驗(yàn)證期2019 年排水流量模擬結(jié)果見圖3。

圖3 2019 年排水流量模擬結(jié)果

表4 模型模擬結(jié)果評價

可以看出，模擬結(jié)果存在兩個問題：一是平均誤差較大，總體評價指標(biāo)不夠優(yōu)化；二是2019 年作為驗(yàn)證期，模擬結(jié)果明顯優(yōu)于率定期。 下面針對這兩個問題進(jìn)行分析討論。

（1）模型率定驗(yàn)證所采用實(shí)測值為灌區(qū)實(shí)際抽排量，排水閘門及泵站需人工開啟關(guān)閉，實(shí)測排水量受到監(jiān)測手段及人為因素影響；模型模擬值為受降水、灌溉及地下水側(cè)向徑流影響的天然排水量。 本次模擬值與實(shí)測值本質(zhì)上有一定差別，模擬值均大于實(shí)測值，因此平均誤差較大，評價指標(biāo)看似不夠優(yōu)化。

（2）與2017 年、2018 年相比，2019 年排水設(shè)備相對完善，人員配備到位，具有較好的監(jiān)測計(jì)量條件，且增加了臨時排水站，排水能及時地抽出溝道，受人為因素影響較小，因此驗(yàn)證期2019 年模擬效果相對較好，相關(guān)性較高、誤差較小。

4 結(jié) 語

（1）對于水文模型來說，所需基礎(chǔ)資料多且復(fù)雜，部分?jǐn)?shù)據(jù)又受到人為因素影響，給模型模擬帶來了不確定性，因此模型有一定誤差是允許的；同時2019 年的模擬結(jié)果表明，在實(shí)測數(shù)據(jù)受干擾影響較小的情況下，模擬值與實(shí)測值擬合程度較高，模型可以較好地模擬灌區(qū)天然排水過程，認(rèn)為模型模擬結(jié)果是較為合理的，近3 a 天然排水量應(yīng)接近4 961 萬m3。

（2）本次模型以2017—2018 年為參數(shù)率定期、2019 年為驗(yàn)證期，主要依據(jù)杭錦旗引黃灌區(qū)實(shí)測排水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，率定參數(shù)具有參考性，但在時間、空間及率定要素選取上也有一定片面性，相關(guān)模型研究可以在本次模擬結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷率定修正，以期不斷完善相關(guān)水文模型及參數(shù)研究。

（3）灌區(qū)現(xiàn)狀排水直接排入黃河干流，由于水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，該部分水量不被算作退水量，即仍然占用黃河耗水指標(biāo)，若將灌區(qū)排水納入?yún)^(qū)域水資源統(tǒng)一配置，則既可以減少向黃河排污、又能夠?yàn)閰^(qū)域經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展開源。 在灌區(qū)節(jié)水及渠系改造的背景下，下一步可以針對不同模擬情景預(yù)測未來排水量，為灌區(qū)排水資源化利用提供支撐。