王祥偉

（東港市防汛抗旱指揮部辦公室，遼寧 東港118300）

1 研究區(qū)概況

青龍河是灤河重要支流，其干流總長度246km，發(fā)源于河北省平泉縣臺頭山鄉(xiāng)，流經(jīng)遼寧省凌源市，向南流入河北省青龍縣，最終在灤縣匯入灤河入渤海［1］。青龍河在凌源市境內(nèi)流經(jīng)劉杖子鄉(xiāng)、三道河子鄉(xiāng)、刀爾登本鄉(xiāng)及河坎子鄉(xiāng)等4個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，流域面積589km2。研究區(qū)處于遼西低山丘陵地帶，受到燕山構(gòu)造運動影響，地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜。凌源市青龍河流域?qū)儆谶|西半干旱地區(qū)，該地區(qū)屬于中溫帶內(nèi)陸地區(qū)，屬于溫帶大陸性季風氣候。流域內(nèi)年平均氣溫較低，降水量小但是蒸發(fā)量較大［2］。流域內(nèi)具有典型的大陸性氣候特征，春秋降水較少風力較大，夏季短促多短時強降雨、秋季干爽降雨較少，冬季漫長寒冷干燥。流域內(nèi)多年平均溫度為5.6 ℃，極端最低氣溫-42.4 ℃，極端最高氣溫39.2 ℃。降雨主要集中于夏季的7，8月份，約占全年降水量的60%～75%，流域最大年降雨量683mm，最小年降雨量221mm。流域內(nèi)的潛水主要是松散巖孔隙水和基巖裂隙水，承壓水主要為碎屑巖裂隙水與基巖裂隙水，在天然狀態(tài)下的補給主要依靠大氣降水和基巖裂隙水的側(cè)向補給，并主要表現(xiàn)為丘陵區(qū)向山谷流動。

2 地表水與地下水耦合模型的構(gòu)建

2.1 模型構(gòu)建思路

水循環(huán)是一個比較復(fù)雜的運動過程，地表水和地下水等不同類型水資源的賦存條件及運動狀態(tài)也存在諸多差異?；谒h(huán)的復(fù)雜性，當前對流域水循環(huán)的研究主要表現(xiàn)為不同類型水資源的單獨模擬，而這種研究方式容易導(dǎo)致水循環(huán)過程缺失，進而影響研究成果，因此應(yīng)該將地表水與地下水這兩種主要水資源形式進行綜合研究。本文利用寧吉才等人的研究成果［3-4］，對改進后的SWAT模型，結(jié)合研究區(qū)地表水文資料進行參數(shù)率定，在校驗準確并滿足模型精度要求的基礎(chǔ)上（限于篇幅這里不再詳述），將其輸出項作為Visual MODFLOW的輸入項對進行數(shù)值模擬，以凌源市青龍河流域地表水和地下水耦合模擬方法進行研究，通過考慮地表水影響提高對地下水的模擬精度。

2.2 Visual MODFLOW軟件與耦合原理

Visual MODFLOW軟件由加拿大開發(fā)的地下水流與溶質(zhì)運移模擬軟件，主要由MODFLOW、MODPATH、MT3D 3個地下水模塊組成。該軟件利用有限差分法實現(xiàn)對地下水流的數(shù)值模擬，同時可將不同模擬過程進行串聯(lián)，使模型輸入、運行和結(jié)果輸出過程比較便捷和清晰。

雖然利用Visual MODFLOW軟件對區(qū)域地下水運動規(guī)律進行建模分析具有諸多優(yōu)勢，但該軟件弱點十分明顯，因為模型需要依靠特定數(shù)據(jù)的輸入進行運行和模擬［5］，當模型通過參數(shù)輸入的方式進行數(shù)值模擬時，參數(shù)估值造成模擬計算精度降低。要實現(xiàn)地表水與地下水模型的耦合，首要問題是解決兩模型在最小單元上的空間差異。改進SWAT模型以HRU （水文響應(yīng)單元） 為最小計算單元，而Visual MODFLOW模型以CELL（有限差分網(wǎng)格）為最小計算單元。解決思路是在構(gòu)建起研究區(qū)的SWAT模型，并進行參數(shù)率定之后，輸入研究期（2016年6月～2018年6月）氣象數(shù)據(jù)進行徑流模擬，并基于模擬結(jié)果獲得土壤蒸發(fā)量和降雨入滲補給兩個主要參數(shù)。然后，利用Arcgis軟件將HRU轉(zhuǎn)化為ASCII格式的文件，在賦予其空間屬性后實現(xiàn)與Visual MODFLOW 模型的CELL的對應(yīng)關(guān)系，進而實現(xiàn)兩模型的耦合［6-7］。

2.3 模型離散

在模型構(gòu)建過程中，利用Arcgis軟件從研究區(qū)的DEM資料中提取到地表高程的數(shù)據(jù)，在對部分異常值進行剔除之后，對獲得數(shù)據(jù)利用Surfer軟件進行插值處理獲得地表高程高柵格數(shù)據(jù)，然后，利用隔水基巖的具體位置，確定隔水底板，最終將研究區(qū)在垂直方向上劃分為一層。在對研究區(qū)進行研究邊界導(dǎo)入后，將整個研究區(qū)劃分為縱橫各50行，共2500個網(wǎng)格單元，其中有效計算單元為1405個。此外，為了驗證模型的擬合度，在研究區(qū)內(nèi)選擇6個地下水位觀測孔，作為模型校準和驗證依據(jù)。

2.4 模型參數(shù)與初始條件

水文地質(zhì)參數(shù)可以對地下水含水層的儲水、輸水特征進行定量表征，是進行模型建構(gòu)和計算的重要指標［8］。鑒于本次研究的主要目的是通過模型計算對研究區(qū)內(nèi)的潛水含水層的地下水運動規(guī)律進行模擬，因此，不同地層滲透系數(shù)與給水度數(shù)值是否準確，將直接影響到模型表征地下水運動實際的契合度。另一方面，在耦合模型構(gòu)建中需要將SWAT模型的輸出數(shù)據(jù)輸入Visual MODFLOW，由于研究區(qū)的土

表1 水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)驗值 單位：m/d

表2 研究區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)初始值 單位：m/d

2.5 模型的匯源項處理

研究區(qū)主要地貌為丘陵低山，耕地不多且主要分布在河谷地帶，因此大氣降水入滲及側(cè)向流入是流域內(nèi)地下水補給的主要形式，潛水蒸發(fā)、側(cè)向排泄、河流排泄及人工開采則是地下水的主要排泄形式。在研究中，將利用SWAT模型模擬獲取的大氣降雨入滲補給與潛水蒸發(fā)進行基于HRU和CELL的空間耦合，并將結(jié)果作為補給和蒸發(fā)邊界輸入到Visual MODFLOW中。由于青龍河凌源段屬于丘陵河谷區(qū)，河流水位一般低于周邊的地下水位，屬于淺層地下水排泄區(qū)。因此，基于河流和周邊地區(qū)地下水水位之間的變化關(guān)系，就能對排泄量進行相應(yīng)計算。此外，研究區(qū)內(nèi)的地下水開采主要是居民生活用水，可根據(jù)統(tǒng)計資料對開采井進行日概化分配。最終得到研究區(qū)地下水匯源項統(tǒng)計結(jié)果，如表3。壤類型單一，在參數(shù)分區(qū)時可將青龍河凌源段的每個子流域作為一個水文地質(zhì)區(qū)，這樣共獲得7個水文地質(zhì)區(qū)。在參數(shù)初始值選取中，結(jié)合表1，相關(guān)領(lǐng)域的研究經(jīng)驗值，在通過抽水試驗獲取如表2所示的水文地質(zhì)參數(shù)初始值。

表3 研究區(qū)地下水匯源項統(tǒng)計結(jié)果 單位：106m3/a

3 模型識別和驗證

3.1 模型的識別

在模型構(gòu)建完成之后，選擇2016年6月1日的研究區(qū)地下水流場作為初始流場，將2017年5月30日作為末端時刻，將一個完整的水文年作為模擬期。在模型運行結(jié)束之后，對6個選定的地下水位觀測孔的實測值進行對比，結(jié)果顯示，2#觀測井的水位殘差最小，為0.88m，而4#觀測井的殘差最大，為30.16m，所有6個觀測孔的均值為13.27m。因此，模型的模擬結(jié)果與實測值之間存在較大差別，需要對水文地質(zhì)參數(shù)進行不優(yōu)化調(diào)整。

利用Visual Modflow 軟件自帶的校準程序進行自動擬合，并反復(fù)調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，直至獲得最佳擬合狀態(tài)，概化和優(yōu)化后水文地質(zhì)參數(shù)如表4。

表4 水文地質(zhì)參數(shù)識別結(jié)果 單位：m/d

3.2 模型驗證

研究中選取2017年6月1日至2018年5月30日這一水文年作為驗證期，將該水文年的地下水初始流場及匯源項等相關(guān)數(shù)據(jù)輸入和運行模型，并與6個觀測井的實測數(shù)據(jù)進行對比，進而對模型的模擬結(jié)果的精確度進行驗證。驗證期間，6個觀測井的實測與模擬計算結(jié)果的擬合效果如圖1～圖6。

圖1 A觀測井擬合結(jié)果

圖2 B觀測井擬合結(jié)果

圖3 C觀測井擬合結(jié)果

圖4 D觀測井擬合結(jié)果

圖5 E觀測井擬合結(jié)果

圖6 F觀測井擬合結(jié)果

由圖1～圖6擬合曲線可知，6個水位觀測井實測值和模擬值之間具有基本一致的變化趨勢，且兩者之間差別不大，擬合度良好。因此，模型符合凌源市青龍河流域的水文地質(zhì)條件，能夠用于研究區(qū)地下水運動變化特征的相關(guān)研究。

4 結(jié)語

（1）利用改進后的SWAT模型，將其輸出項作為Visual Modflow的輸入項對凌源市青龍河流域的地下水進行數(shù)值模擬，建立起地表水和地下水的耦合模型。

（2） 通過模擬期模型運行結(jié)果，利用Visual Modflow 軟件自帶的校準程序進行自動擬合，反復(fù)調(diào)整水文地質(zhì)參數(shù)，獲得符合流域地下水流運動特征的水文地質(zhì)參數(shù)。

（3）模型驗證結(jié)果顯示，模擬值和實測值之間存在良好的擬合度，耦合模型可用于研究區(qū)地下水運動變化特征的相關(guān)研究。