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        基于MIKE SHE 模型的地下水評價

        2019-06-26 06:27:36趙琳琳王海剛
        陜西水利 2019年5期
        關(guān)鍵詞:遼陽縣開采區(qū)水平衡

        趙琳琳,王海剛

        (遼寧省遼陽水文局,遼寧 遼陽 111000)

        0 前言

        水資源是經(jīng)濟社會發(fā)展重要的、基礎(chǔ)性的、戰(zhàn)略性的資源[1~3],地下水作為水資源的重要組成部分,是人類不可缺少的一種自然資源,對人類的生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和城市建設(shè)都起著重要作用。水資源、地下水資源的評價,及時掌握水資源動態(tài),為水資源規(guī)劃配置提供依據(jù),保障水生態(tài)健康發(fā)展[4~9]。水系統(tǒng)不是對立存在的,地下水作為水系統(tǒng)的組成部分,亦參與水循環(huán),與地表水等相互作用[10~12]。為更合理地分析評價地下水,建立地表—地下水耦合模擬分析。

        遼陽縣屬于遼寧省遼陽市,地處下遼河平原區(qū),被遼陽市市區(qū)一分為二,即東部山區(qū)與西部平原區(qū),遼陽縣平原區(qū)受太子河、渾河兩大河流作用,屬太子河沖積扇前沿與河間地塊,地下水資源較豐富,年平均降水量為735.3 mm,多年平均蒸發(fā)量為508 mm,曾為遼陽、鞍山兩地提供農(nóng)業(yè)、生活生產(chǎn)等水源。本文依據(jù)遼陽縣水文、氣象、水資源開發(fā)利用現(xiàn)狀、水文地質(zhì)等資料,借助MIKE SHE 模型建立地表- 地下水耦合的分布式水文模型,模擬地下水補給、徑流、排泄動態(tài)過程,進行均衡分析,分區(qū)評估地下水資源量。

        1 研究方法

        1.1 模型的基本原理

        MIKE SHE 是一種基于水循環(huán)過程的聯(lián)合地表、地下水模擬的多參數(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,各模塊是獨立的,各系統(tǒng)彼此間間接或直接相互聯(lián)系,共同運行完成水文模擬[13~15]。

        MIKE SHE 模型建立地下水三維運動,其主要物理過程數(shù)學(xué)化的偏微分方程為:

        1.2 模型的搭建

        (1)離散。將遼陽縣平原區(qū)研究區(qū)剖分為500 m×500 m 計算柵格單元。模擬運行時段為2009 年1 月到2013 年12 月,時間步長12 h。

        (2)邊界。東側(cè)為流量邊界,根據(jù)遼陽市地下水流場,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,南側(cè)亦為流量邊界,根據(jù)與流場線的關(guān)系分東側(cè)零流量邊界(4~5),負(流出)流量邊界(5~6);北部為流量邊界(1~2),見圖1。

        圖1 邊界條件示意圖

        (3)初始條件。2009 年1 月1 日為初始時刻。

        (4)參數(shù)。采用泰森多邊形法進行降雨分區(qū),最大降雨強度入滲0.1 mm/h,最大降雨深10 mm;最大下滲10 mm;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0 m;農(nóng)業(yè)土地利用為水田灌溉。水平滲透系數(shù)見圖2,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 識別與驗證

        2009 年~2011 年為模型識別期,2012 年~2013 年為模型驗證期,擬合模型模擬水位與實測水位,建立效率系數(shù)(E)和相關(guān)系數(shù)(R)來進行分析模型模擬效果,通過反復(fù)參數(shù)調(diào)試,得出:識別期,觀測平均誤差-0.09,相關(guān)系數(shù)0.83,模型效率系數(shù)-0.09;驗證期,觀測平均誤差-0.11,相關(guān)系數(shù)0.83,模型效率系數(shù)-0.38。參數(shù)合理可靠,模型擬合效果比較好。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 開采分區(qū)

        遼陽縣平原區(qū)土地利用類型各有不同,用水產(chǎn)業(yè)各有不同,根據(jù)用水類型主次分為水源開采區(qū)(首山- 興?。?,農(nóng)業(yè)開采區(qū)(黃泥洼- 小北河),工農(nóng)開采區(qū)(唐馬寨- 柳壕)。

        2.2 均衡分析

        通過MIKE SHE 進行遼陽縣首山平原區(qū)2009 年~2013年水文模擬計算,得出遼陽縣平原地區(qū)及各分區(qū)水均衡圖(圖3、4、5、6),從圖中可以清晰地看出地下水補給、排泄各項。

        研究區(qū)地下水以地面垂向補給為主,包括降雨入滲、灌溉入滲和河道滲漏,此外還包括含水層的側(cè)向徑流補給作用。在首山水源地,由于地下水的大規(guī)模集中開采,導(dǎo)致河道滲漏補給量大量增加。

        地下水的排泄主要包括土壤蒸發(fā)和人工開采,此外還有河道排泄和側(cè)向流出等。

        圖3 區(qū)域水平衡圖

        圖4 水源開采區(qū)水平衡圖

        圖5 農(nóng)業(yè)開采區(qū)水平衡圖

        圖6 工農(nóng)開采區(qū)水平衡圖

        研究區(qū)面積為772.34 km2,遼陽縣平原地下水補給項有入滲補給、河道滲漏補給、側(cè)向徑流流入補給,地下水各項總補給量為Q總補=22.34 億m3;遼陽縣平原地下水排泄項有向河道排泄、蒸發(fā)排泄、人類開采、側(cè)向徑流流出排泄,地下水各項總排泄量為Q總排=19.77 億m3;地下水儲存的變化量為ΔW=2.57 億m3,地下水埋深有所減小。精度誤差計算:

        由計算結(jié)果可知,遼陽縣平原地下水補給、排泄及儲存的變化量計算誤差小,成果精度高。

        2.3 資源量分析

        研究區(qū)為遼陽縣西部平原區(qū),采用補給法進行地下水資源分析計算?,F(xiàn)狀地下水補給包含地下水井灌回歸補給量,為重復(fù)量,故總補給量剔除即為遼陽縣平原區(qū)地下水資源量。

        遼陽縣平原區(qū)2009 年~2013 年的總補給量為22.34 億m3,平均年補給量4.468 億m3,遼陽縣平原區(qū)井灌回歸為90.5 mm,利用系數(shù)0.69,平均年地下水灌溉回歸補給量Q回灌=0.699 億m3。

        遼陽縣平原年平均地下水資源量Q=3.769 億m3。

        根據(jù)模型提取出的各分區(qū)水平衡圖計算各分區(qū)多年平均地下水資源量。

        水源開采區(qū)(面積85.26 km2):Q水源資源量=0.48 億m3;

        農(nóng)業(yè)開采區(qū)(面積218.96 km2):Q水源資源量=1.30 億m3;

        工農(nóng)開采區(qū)(面積468.96 km2):Q水源資源量=2.12 億m3。

        2.4 可開采資源量分析

        根據(jù)遼陽縣平原區(qū)地下水水文地質(zhì)特征及開發(fā)利用情況,采用開采系數(shù)法計算,取系數(shù)0.9,即:

        3 結(jié)論

        1)采用MIKE SHE 搭建遼陽縣平原地區(qū)地表- 地下耦合水動力模型,模擬計算遼陽縣平原區(qū)地下水系統(tǒng)過程,相關(guān)系數(shù)0.83、效率系數(shù)-0.24,借助相關(guān)系數(shù)、效率系數(shù)分析出地表- 地下耦合模型的參數(shù)率定效果較好,精度高。2009 年~2013 年多年平均地下水資源量3.769 億m3,可開采量3.392 億m3。水源開采區(qū)地下水資源量0.48 億m3,農(nóng)業(yè)開采區(qū)地下水資源量1.30 億m3,工農(nóng)開采區(qū)地下水資源量2.12 億m3。

        2)遼陽縣平原地區(qū)小區(qū)域MIKE SHE 地表- 地下耦合模型仿真能力好,清晰地、直觀地展示出水文補排過程,顯示各項水量,展現(xiàn)各分區(qū)水平衡過程,有可行性,具有一定的應(yīng)用潛力。

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