王世界

(遼寧省沈陽(yáng)水文局，遼寧 沈陽(yáng) 110043)

遼河在遼寧省內(nèi)流域面積40988km2，河長(zhǎng)554km，干流縱貫遼寧省的遼北康法丘陵區(qū)與下遼河平原區(qū)，其河谷開(kāi)闊，地勢(shì)平坦，河道迂回曲折，河道比降小。遼河沈陽(yáng)區(qū)域內(nèi)的石佛寺水庫(kù)是遼河干流上唯一的調(diào)蓄控制性水庫(kù)，該區(qū)域地表水地下水交互密切，將地表水、地下水看作統(tǒng)一整體，應(yīng)用HydroGeoSphere(HGS)軟件建立研究區(qū)地表水地下水水流耦合模擬模型。采取支持向量回歸方法預(yù)測(cè)研究區(qū)2017—2021年降水量，通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)模型，模擬預(yù)報(bào)未來(lái)研究區(qū)地下水水位，根據(jù)預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)地下水水位進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，進(jìn)而劃定地下水水位安全風(fēng)險(xiǎn)限值，為今后地下水資源的管理與保護(hù)提供相關(guān)的科學(xué)支撐。

1 研究區(qū)概況

通過(guò)水文站匯水區(qū)及ArcGIS高程數(shù)據(jù)確定遼河沈陽(yáng)區(qū)域匯水區(qū)為研究區(qū)，區(qū)內(nèi)河段從上游開(kāi)原市至下游新民市新立屯村附近，地跨鐵嶺縣、調(diào)兵山市、沈北新區(qū)、法庫(kù)縣和新民市等區(qū)域。研究區(qū)位于遼河河谷平原區(qū)，面積約為2552km2，研究區(qū)地理位置如圖1所示。

圖1 研究區(qū)地理位置圖

研究區(qū)四季變化明顯，降水量年內(nèi)分配不均，一般6月份進(jìn)入雨季，7—8月份為降雨高峰期，冬季寒冷雨少。地勢(shì)北高南低，地表高程為27～499m，區(qū)內(nèi)地貌類型可以劃分為山前沖洪積平原和沖洪積河谷階地，地表巖性主要為亞黏土、淤泥質(zhì)亞黏土、亞砂土和砂礫石。地下水較為豐富，廣泛分布有第四系松散巖類孔隙水，含水層巖性以礫卵石、砂礫石為主，其巖石滲透性好，地下水水力梯度大，徑流條件較好。地下水的補(bǔ)給來(lái)源主要為大氣降水入滲補(bǔ)給及河道滲漏補(bǔ)給，排泄方式主要為人工開(kāi)采、潛水蒸發(fā)和側(cè)向徑流排泄。

2 理論與方法

HGS技術(shù)系統(tǒng)(軟件)是由加拿大Waterloo大學(xué)、Laval大學(xué)及Hydrogeologic公司聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)的。它能夠在流域尺度上，同時(shí)對(duì)地表水和地下水進(jìn)行耦合數(shù)學(xué)模擬[1]。

將研究區(qū)地下水邊界條件、含水層結(jié)構(gòu)、含水層水利特征及源匯項(xiàng)等進(jìn)行概化，建立研究區(qū)地下水概念模型。將研究區(qū)地表水邊界條件、土地利用類型、源匯項(xiàng)等進(jìn)行概化，建立研究區(qū)地表水概念模型[2]。根據(jù)建立的地表水地下水概念模型，分別建立地表水、地下水水流數(shù)學(xué)模擬模型。數(shù)學(xué)模型主要包括兩部分：一是描述水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律的偏微分方程；二是反應(yīng)系統(tǒng)邊界條件和初始條件的定解條件。

采用雙重節(jié)點(diǎn)方式耦合地表水模型與地下水模型。它將平面二維地表水模型疊置在地下水模型的頂部，對(duì)地下水、地表水模型進(jìn)行相同的空間和時(shí)間離散[3]。表層的地表水模型節(jié)點(diǎn)與地下水模型頂部節(jié)點(diǎn)具有完全一致的空間坐標(biāo)，即耦合模型表層的節(jié)點(diǎn)同時(shí)具有地表水和地下水屬性，每個(gè)地表水節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)的地下水節(jié)點(diǎn)進(jìn)行水力聯(lián)系。

通過(guò)達(dá)西流關(guān)系來(lái)描述兩者之間的水流交換，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

dQSG=KroKso(h-hs)

(1)

式中，d—地表水與地下水的耦合長(zhǎng)度；QSG—地下水與地表水交換通量；KrO—上游節(jié)點(diǎn)的相對(duì)滲透率；KSO—地下水表層介質(zhì)的滲透系數(shù)；h—地下水水頭；hs—地表水水頭[4]。

3 模型建立

當(dāng)?shù)乇硭叵滤詈夏M模型模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果滿足如下條件時(shí)，認(rèn)為所建模型符合研究區(qū)實(shí)際情況：①模擬地下水水位同實(shí)際觀測(cè)水位的絕對(duì)誤差小于0.5m的地下水觀測(cè)井?dāng)?shù)量占總數(shù)量的75%以上；②觀測(cè)點(diǎn)河流月平均流量的模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)值之間的相對(duì)誤差要小于20%。

3.1 模型校正

模型模擬期的初始流場(chǎng)采用2014年1月1日研究區(qū)地表水水深和地下水流場(chǎng)，將模擬期內(nèi)各源匯項(xiàng)輸入模型后，運(yùn)行至2015年12月31日。統(tǒng)計(jì)13個(gè)地下水水位觀測(cè)點(diǎn)水位計(jì)算結(jié)果，將2014年12月31日和2015年12月31日模型計(jì)算水位與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

對(duì)校正期觀測(cè)點(diǎn)地表水計(jì)算出的流量與實(shí)測(cè)流量誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)表明觀測(cè)點(diǎn)河流月平均流量的模擬結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)值之間的相對(duì)誤差小于20%，見(jiàn)表2。

表1 校正期研究區(qū)觀測(cè)井地下水水位

表2 校正期地表水觀測(cè)點(diǎn)(馬虎山水文站)月平均流量 單位：m3/s

綜上所述，所建立的地表水地下水耦合模擬模型符合研究區(qū)實(shí)際，反映研究區(qū)地表水和地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化特征，可以將此時(shí)校正后的參數(shù)作為模型參數(shù)。

3.2 模型檢驗(yàn)

設(shè)定模型檢驗(yàn)?zāi)M期為2016年1月1日到2016年12月31日，利用2016年12月31日的研究區(qū)實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)校正后的非穩(wěn)定流模型進(jìn)行檢驗(yàn)，將模擬結(jié)果同2016年12月31日研究區(qū)地表水和地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得到檢驗(yàn)期末觀測(cè)井地下水水位見(jiàn)表3，河流月平均流量見(jiàn)表4。

表3 檢驗(yàn)期研究區(qū)內(nèi)觀測(cè)井地下水水位

表4 檢驗(yàn)期地表水觀測(cè)點(diǎn)(馬虎山水文站)月平均流量 單位：m3/s

校正后的非穩(wěn)定流模型計(jì)算出的月平均流量同實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差多小于20%，同時(shí)研究區(qū)內(nèi)計(jì)算水位同實(shí)際觀測(cè)水位之間絕對(duì)誤差小于0.5m的觀測(cè)井?dāng)?shù)占總數(shù)的80%以上。由此可知，模型的檢驗(yàn)結(jié)果滿足誤差要求，所建立的地表水地下水水流耦合模擬模型能夠反映研究區(qū)的實(shí)際情況。

4 模擬預(yù)報(bào)及地下水位風(fēng)險(xiǎn)分析

4.1 降水量預(yù)測(cè)

根據(jù)研究區(qū)范圍內(nèi)及附近的降水量觀測(cè)點(diǎn)資料，采用泰森多邊形法確定區(qū)域降水量分布[5]。利用各降水量觀測(cè)點(diǎn)1956—2016年60年降水量數(shù)據(jù)，采用支持向量回歸法預(yù)報(bào)未來(lái)2017—2021年降水量情況。以前五年降水量推求后一年降水量，分別在各觀測(cè)點(diǎn)得到55組訓(xùn)練樣本，以前45組作為訓(xùn)練樣本，后10組作為檢驗(yàn)樣本。在Matlab軟件平臺(tái)下運(yùn)轉(zhuǎn)編寫(xiě)的支持向量回歸法計(jì)算代碼，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)對(duì)比情況如圖2所示，對(duì)比表明計(jì)算結(jié)果達(dá)到了預(yù)期精度要求。

圖2 觀測(cè)點(diǎn)降水量預(yù)報(bào)圖

4.2 地下水位變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

根據(jù)觀測(cè)點(diǎn)降水量預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)運(yùn)轉(zhuǎn)研究區(qū)地表水地下水水流耦合模擬模型，預(yù)測(cè)未來(lái)五年(2017—2021年)地下水觀測(cè)井孔處地下水水位動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。地下水水位預(yù)報(bào)結(jié)果如圖3所示。

圖3 觀測(cè)點(diǎn)地下水動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)

從年際上看，各地下水觀測(cè)孔地下水水位除個(gè)別情況均呈現(xiàn)一定的波動(dòng)規(guī)律，在豐水期地下水水位升高，在枯水期地下水水位降低，符合一般水文規(guī)律。

4.3 地下水位安全風(fēng)險(xiǎn)分析

對(duì)地下水觀測(cè)點(diǎn)水位埋深進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，設(shè)定在研究區(qū)內(nèi)地下水位埋深若保持80%的安全保證率，相對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)為0.2。根據(jù)各地下水觀測(cè)點(diǎn)水位統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定石佛寺站地下水水位埋深需要小于6.72m才能保證80%的觀測(cè)點(diǎn)處于安全狀態(tài)，其地下水水位埋深累積分布函數(shù)圖如圖4所示。

5 結(jié)語(yǔ)

以遼河沈陽(yáng)區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)建立了地表水地下水水流耦合模型，并應(yīng)用HGS軟件對(duì)其進(jìn)行同步求解，綜合劃定遼河沈陽(yáng)區(qū)域地下水水位安全風(fēng)險(xiǎn)限值為控制代表站水位埋深不大于6.72m以保證80%的觀測(cè)點(diǎn)處于安全狀態(tài)。在當(dāng)今遼河流域全面推行河長(zhǎng)制、實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的形勢(shì)下，對(duì)地下水未來(lái)情勢(shì)進(jìn)行科學(xué)合理的分析預(yù)報(bào)，在合理開(kāi)發(fā)利用地下水及維持河湖生態(tài)環(huán)境良好等方面均有著重大的現(xiàn)實(shí)意義。

圖4 石佛寺站地下水水位埋深累積分布函數(shù)圖