基于WHI UnSat Suite的东营市降雨入渗补给量分析与预测

黎奕宏，刘汝学，黄少文,刁艳芳,王 刚

(1.山东农业大学水利土木工程学院,山东 泰安 271000;2.国家海洋局第三研究所,福建 厦门 361000)

基于WHI UnSat Suite的东营市降雨入渗补给量分析与预测

黎奕宏1,2，刘汝学1，黄少文1,刁艳芳1,王 刚1

(1.山东农业大学水利土木工程学院,山东 泰安 271000;2.国家海洋局第三研究所,福建 厦门 361000)

通过对东营市1966—2012年长系列降雨资料及水文地质单元的分析，基于水量平衡原理，运用WHI UnSat Suite分别预测了黄泛平原与山前平原在不同降雨水平年，降雨入渗对地下水的补给量。研究结果表明：丰水年(25%)、平水年(50%)、枯水年(75%)降雨频率下，黄泛平原区地下水补给量分别为142.02 mm，99.47 mm，64.21 mm；山前平原区地下水补给量分别为109.32 mm，51.34 mm，33.87 mm。

地下水；黄泛平原；山前平原；入渗补给量

东营市位于山东省东北部，是黄河三角洲的中心城市，也是黄河三角洲高效生态经济区和山东半岛蓝色经济区两大国家战略区的核心区，同时又是著名的湿地之城、生态之城。

如何结合自身的湿地资源优势，合理开发、高效利用、有效保护地下水资源，成为东营市经济社会发展的关键问题。

在过去很长一段时期内，由于社会经济快速发展对水资源的需求量越来越大[1]，对地下水资源不合理的开发利用，引起了一系列生态环境问题[2-3]，如土壤盐渍化、海水(咸水)入侵等。

在分析概化东营市水文地质条件[4]基础上，通过对东营市1966—2012年长系列降雨资料的分析，基于水量平衡原理[5]，运用WHI UnSat Suite分别预测了黄泛平原与山前平原不同降雨水平年降雨入渗对地下水的补给量，对指导地下水资源的合理开发具有重要的意义。

1 研究区概况

1.1 降雨量

根据东营市雨量站观测记录，分析降雨资料，

其中1966—2012年年降雨量见表1。从表1中可以看出：年降雨量最大的年份为1990年，年降雨量为968 mm；年降雨量最小的年份为2000年，年降雨量仅为327 mm，两者相差641 mm，最大年降雨量为最小年降雨量的2.96倍。

东营市多年平均降雨量为548.61 mm，年平均降雨量偏多的年份为16 a，占总年数的34%；年平均降雨量偏少的年份为18 a，占总年数的38%；年平均降雨量正常年份为13 a，占总年数的28%。年平均降雨量偏多和偏少的异常年份所占比例达到了70%以上，但其中偏旱年份8 a，偏涝年份7 a，分别占总年数的17%和15%，这说明近47 a来东营市降雨异常年份虽然偏多，但是洪涝年份并不多见，降雨量相对比较稳定[6-8]。

对降雨量进行频率分析，其频率曲线分布如图1所示。从图1中可以看出：东营市1966—2012年多年平均降雨量为548.61 mm，变差系数Cv为0.25，偏态系数Cs为0.65，当倍比系数Cs/Cv为2.6时，不同保证率下的年降雨量如表2所示。

表1 1966—2012年东营市年降雨量统计表

图1 东营市降雨量频率分布图

表2 东营市不同频率下的年降雨量统计表

从表2可以看出：东营市在丰水年(25%)、平水年(50%)和枯水年(75%)不同频率条件下，年降雨量分别为631.31 mm、533.85 mm和449.86 mm。

1.2 水文地质单元及其概化

东营市是鲁北平原的重要组成部分，依据地层构造、成因类型、地层岩性和沉积物来源，区域内总体上可划分为黄泛平原区和山前平原区两个大的水文地质单元。

1.2.1 黄泛平原区

黄泛平原区主要位于小清河以北，面积为7414 km2。沉积物的岩性主要以粉砂、细砂、黏土、亚黏土为主，沿海地带常见有海相贝壳，属咸淡水混合区和咸水区。灌溉形式主要为引黄、引小清河灌溉，浅层地下水矿化度较高，不宜采用。

黄泛平原区地下水埋深普遍较浅，据地下水位观测资料[9]，2008年地下水埋深在0.01～3.66 m之间，平均埋深为1.66 m；2000年黄泛平原区地下水平均埋深为2.21 m，至2008年地下水位累计上升0.55 m，年均变幅0.06 m，多年平均地下水埋深约为1.85 m。

根据地层分布及计算目的要求，黄泛平原区包气带在垂向上可概化为由两层不同岩性构成的厚度约为1.2 m的包气带层。其中，上层岩性主要以淤泥质黏土、亚黏土为主，厚度约0.4 m；下层岩性主要以细砂、粉砂为主，厚度约为0.8 m。其概化示意图如图2所示。

1.2.2 山前平原区

东营市山前平原区主要位于广饶县境内小清河以南，面积636 km2。沉积物主要来源于泰沂山区由淄河等河流搬运来的冲积物，地下水埋深相对较深，水质较好，是当地的重要水源。

根据地下水位观测资料[10]，2008年山前平原区浅层地下水平均埋深为22.13 m，较上年同期上升了0.15 m，多年平均地下水埋深约为22.25 m。山前平原区地面150 m以下的沉积物为第四纪冲积海积物，多为黄土—灰黄—灰黑色粉土、淤泥质粉质黏土及粉细砂。

根据地层分布及计算目的要求，山前平原区包气带在垂向上可概化为由三层不同岩性构成的厚度约为21.0 m的包气带层。其中，上层岩性主要以粉土为主，厚度约4.0 m；中层岩性主要以粉质黏土为主，厚度约为5.0 m，下层岩性主要以淤泥质黏土为主，厚度约为12.0 m。其概化示意图见图3所示。

图2 黄泛平原区包气带剖面概化示意图

图3 山前平原区包气带剖面概化示意图

2 降雨入渗补给量预测

2.1 基本原理

运用水量平衡方法预测区域内不同水平年降雨入渗补给量。水量平衡方程表示如下：

R=P-D-ETα-ΔW

(1)

式中：R为降雨入渗补给量，mm；P为降雨量，mm；D为径流量，mm；ETα为实际蒸散发量，mm；ΔW为土壤水分变化量，mm。

2.2 入渗补给量的预测

根据上述概化的条件，基于水量平衡原理，运用WHI UnSat Suite分别预测黄泛平原区与山前平原区不同降雨水平年，降雨入渗对地下水的补给量。

WHI UnSat Suite是由滑铁卢水文地质公司研发的软件，包含SESOIL、HELP、PESTAN、VLEACH和VS2DT五个模块，专门用于模拟非饱和带中地下水流动和污染物运移等问题。本文运用HELP模块，在概化当地包气带剖面的基础上，利用模块中水量平衡原理以及模拟土壤水分运动的相关内容，预测黄泛平原区和山前平原区地下水入渗补给量。

2.2.1 黄泛平原区入渗补给量的预测

黄泛平原区不同水平年地下水降雨入渗补给量的预测结果如表3所示。黄泛平原区在丰水年进入第一层土壤剖面的入渗补给量为183.78 mm，进入地下水中的入渗补给量为142.02 mm；平水年进入第一层土壤剖面的入渗补给量为109.08 mm，进入地下水中的入渗补给量为99.47 mm；枯水年进入第一层土壤剖面的入渗补给量为73.05 mm，进入地下水中的入渗补给量为64.21 mm。

2.2.2 山前平原区入渗补给量的预测

山前平原区不同水平年地下水降雨入渗补给量的预测结果如表4所示。山前平原在丰水年进入第一层土壤剖面的入渗补给量为179.98 mm，进入第二层土壤剖面的入渗补给量为154.64 mm，进入地下水中的入渗补给量为109.32 mm；平水年进入第一层土壤剖面的入渗补给量为120.46 mm，进入第二层土壤剖面的入渗补给量为98.23 mm，进入地下水中的入渗补给量为51.34 mm；枯水年进入第一层土壤剖面的入渗补给量为78.65 mm，进入第二层土壤剖面的入渗补给量为54.23 mm，进入地下水中的入渗补给量为33.87 mm。

表3 黄泛平原区不同降雨水平年入渗补给量预测 mm

表4 山前平原区不同降雨水平年入渗补给量预测 mm

3 结 论

(1)通过降雨频率分析，东营市多年平均降雨量变差系数Cv为0.25，当倍比系数Cs/Cv为2.6，即偏态系数Cs为0.65时理论频率曲线与经验频率点拟合度最高。丰水年(25%)年降雨量通常为631.31 mm；平水年(50%)年降雨量通常为533.85 mm；枯水年(75%)年降雨量通常为449.86 mm。

(2)预测结果表明，东营市在丰水年(25%)、平水年(50%)、枯水年(75%)降雨频率条件下，黄泛平原区地下水补给量分别为142.02 mm，99.47 mm，64.21 mm；山前平原区地下水补给量分别为109.32 mm，51.34 mm，33.87 mm。

(3)黄泛平原区区域面积远大于山前平原区，不同降雨水平年降雨入渗补给浅层地下水量亦多于山前平原区，但由于东营市地层由南向北缓倾，具有典型的山前冲击平原水文地质特征，致使黄泛平原区地下水矿化度高，多为微咸水、咸水。与之相比，山前平原区地下水埋深较深，虽储量相对较少，但水质较好。因此对两地地下水资源进行开发利用时应注意因地制宜，黄泛平原区可适当将地下水资源利用于工业用水、景观用水等方面，而山前平原区则更应该侧重于如何合理保护地下水资源。

[1] 李英,张伟,李爱贞.东营市可持续工业发展战略研究[J].中国人口资源与环境，2001，11(51):144-145.

[2] 东营市环境监测站.2006年度东营市环境质量报告书[R].东营:东营市环境监测站,2007.

[3] 东营市环境保护局.东营市2006年环境统计年报资料汇编[G].东营：东营市环境保护局，2007.

[4] 王大纯,张人权.水文地质学基础(第六版)[M].北京:地质出版社,1995.

[5] 沈冰,黄红虎.水文学原理[M].北京：中国水利水电出版社,2008.

[6] 马晓波.华北地区水资源的气候特征[J].高原气象,1999,18(4):520-524.

[7] 朝军彩,周顺武,王传辉,等.华北地区近30年降水变化特征分析[J].安徽农业科学,2010,38(34):19 644-19 680.

[8] 孙振华,冯绍元,杨忠山,等.1950—2005年北京市降水特征初步分析[J].灌溉排水学报,2007,26(2):12-16.

[9] 李海燕,赵霞则,张丽华.东营市地下水动态分析及对策[J].山东水利，2011(7):51-52.

[10] 张美英,陈莹,赵霞则.东营市2008年地下水动态分析[J].山东水利，2010(Z1):40-42.

Analysis and forecast of precipitation recharge into groundwater of Dongying based on WHI UnSat Suite

LI Yihong1,2, LIU Ruxue1, HUANG Shaowen1, DIAO Yanfang1，WANG Gang1

(1.WaterConservancy&CivilEngineeringInstitute,SDAU,Taian271000,China;2.ThirdInstituteofOceanography,StateOceanicAdministration,Xiamen361000,China)

The series of rainfall data from 1966 to 2012 and the hydrogeological unit of Dongying is analyzed. And the software WHI UnSat Suite is used to forecast that the precipitation recharge into groundwater at different rainfall frequencies of Huangfan plain and Shanqian plain, based on the principle of water balance. Conclusions: under different rainfall frequency conditions of 25% (wet year), 50% (medium water year) and 75% (dry year), the recharge into groundwater in Huangfan plain is 142.02 mm, 99.47 mm and 64.21 mm respectively, and wich in Shanqian plain is 109.32 mm, 51.34 mm and 33.87 mm respectively.

groundwater; Huangfan plain; Shanqian plain; recharge into groundwater

国家自然科学基金(41202174)；教育部博士点基金(20123702120020，20133702120014)

黎奕宏(1991-)，女，硕士研究生，主要从事水文水资源、海岸地质方面的研究。E-mail:woshiliyihonga@163.com

王 刚(1979-)，男，副教授，主要从事水文地质、水文地球物理方面的研究。E-mail:gwang@sdau.edu.cn

P641.2

A

2096-0506(2015)06-0001-04