基于MIKE SHE 模型的地下水评价

赵琳琳，王海刚

（辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 111000）

0 前言

水资源是经济社会发展重要的、基础性的、战略性的资源[1～3]，地下水作为水资源的重要组成部分，是人类不可缺少的一种自然资源，对人类的生活、工农业生产和城市建设都起着重要作用。水资源、地下水资源的评价，及时掌握水资源动态，为水资源规划配置提供依据，保障水生态健康发展[4～9]。水系统不是对立存在的，地下水作为水系统的组成部分，亦参与水循环，与地表水等相互作用[10～12]。为更合理地分析评价地下水，建立地表—地下水耦合模拟分析。

辽阳县属于辽宁省辽阳市，地处下辽河平原区，被辽阳市市区一分为二，即东部山区与西部平原区，辽阳县平原区受太子河、浑河两大河流作用，属太子河冲积扇前沿与河间地块，地下水资源较丰富，年平均降水量为735.3 mm，多年平均蒸发量为508 mm，曾为辽阳、鞍山两地提供农业、生活生产等水源。本文依据辽阳县水文、气象、水资源开发利用现状、水文地质等资料，借助MIKE SHE 模型建立地表- 地下水耦合的分布式水文模型，模拟地下水补给、径流、排泄动态过程，进行均衡分析，分区评估地下水资源量。

1 研究方法

1.1 模型的基本原理

MIKE SHE 是一种基于水循环过程的联合地表、地下水模拟的多参数分布式水文模型，有植物截流、蒸散发、坡面漫流、河网汇流、包气带、饱和带水流等，各模块是独立的，各系统彼此间间接或直接相互联系，共同运行完成水文模拟[13～15]。

MIKE SHE 模型建立地下水三维运动，其主要物理过程数学化的偏微分方程为：

1.2 模型的搭建

（1）离散。将辽阳县平原区研究区剖分为500 m×500 m 计算栅格单元。模拟运行时段为2009 年1 月到2013 年12 月，时间步长12 h。

（2）边界。东侧为流量边界，根据辽阳市地下水流场，分为流量边界（2～3）和流量边界（3～4）；西侧以行政边界，即浑河为界，设给定水头边界（6～1）；依据地下水流场，南侧亦为流量边界，根据与流场线的关系分东侧零流量边界（4～5），负（流出）流量边界（5～6）；北部为流量边界（1～2），见图1。

图1 边界条件示意图

（3）初始条件。2009 年1 月1 日为初始时刻。

（4）参数。采用泰森多边形法进行降雨分区，最大降雨强度入渗0.1 mm/h，最大降雨深10 mm；最大下渗10 mm；坡面流子模块中取曼宁系数M 为50，均匀分布；地表初始积水深0 m；农业土地利用为水田灌溉。水平渗透系数见图2，其中垂向渗透系数为水平渗透系数的1/15。

图2 渗透系数分布图

1.3 识别与验证

2009 年～2011 年为模型识别期，2012 年～2013 年为模型验证期，拟合模型模拟水位与实测水位，建立效率系数（E）和相关系数（R）来进行分析模型模拟效果，通过反复参数调试，得出：识别期，观测平均误差-0.09，相关系数0.83，模型效率系数-0.09；验证期，观测平均误差-0.11，相关系数0.83，模型效率系数-0.38。参数合理可靠，模型拟合效果比较好。

2 结果与讨论

2.1 开采分区

辽阳县平原区土地利用类型各有不同，用水产业各有不同，根据用水类型主次分为水源开采区（首山- 兴隆），农业开采区（黄泥洼- 小北河），工农开采区（唐马寨- 柳壕）。

2.2 均衡分析

通过MIKE SHE 进行辽阳县首山平原区2009 年～2013年水文模拟计算，得出辽阳县平原地区及各分区水均衡图（图3、4、5、6），从图中可以清晰地看出地下水补给、排泄各项。

研究区地下水以地面垂向补给为主，包括降雨入渗、灌溉入渗和河道渗漏，此外还包括含水层的侧向径流补给作用。在首山水源地，由于地下水的大规模集中开采，导致河道渗漏补给量大量增加。

地下水的排泄主要包括土壤蒸发和人工开采，此外还有河道排泄和侧向流出等。

图3 区域水平衡图

图4 水源开采区水平衡图

图5 农业开采区水平衡图

图6 工农开采区水平衡图

研究区面积为772.34 km2，辽阳县平原地下水补给项有入渗补给、河道渗漏补给、侧向径流流入补给，地下水各项总补给量为Q总补=22.34 亿m3；辽阳县平原地下水排泄项有向河道排泄、蒸发排泄、人类开采、侧向径流流出排泄，地下水各项总排泄量为Q总排=19.77 亿m3；地下水储存的变化量为ΔW=2.57 亿m3，地下水埋深有所减小。精度误差计算：

由计算结果可知，辽阳县平原地下水补给、排泄及储存的变化量计算误差小，成果精度高。

2.3 资源量分析

研究区为辽阳县西部平原区，采用补给法进行地下水资源分析计算。现状地下水补给包含地下水井灌回归补给量，为重复量，故总补给量剔除即为辽阳县平原区地下水资源量。

辽阳县平原区2009 年～2013 年的总补给量为22.34 亿m3，平均年补给量4.468 亿m3，辽阳县平原区井灌回归为90.5 mm，利用系数0.69，平均年地下水灌溉回归补给量Q回灌=0.699 亿m3。

辽阳县平原年平均地下水资源量Q=3.769 亿m3。

根据模型提取出的各分区水平衡图计算各分区多年平均地下水资源量。

水源开采区（面积85.26 km2）：Q水源资源量=0.48 亿m3；

农业开采区（面积218.96 km2）：Q水源资源量=1.30 亿m3；

工农开采区（面积468.96 km2）：Q水源资源量=2.12 亿m3。

2.4 可开采资源量分析

根据辽阳县平原区地下水水文地质特征及开发利用情况，采用开采系数法计算，取系数0.9，即：

3 结论

1）采用MIKE SHE 搭建辽阳县平原地区地表- 地下耦合水动力模型，模拟计算辽阳县平原区地下水系统过程，相关系数0.83、效率系数-0.24，借助相关系数、效率系数分析出地表- 地下耦合模型的参数率定效果较好，精度高。2009 年～2013 年多年平均地下水资源量3.769 亿m3，可开采量3.392 亿m3。水源开采区地下水资源量0.48 亿m3，农业开采区地下水资源量1.30 亿m3，工农开采区地下水资源量2.12 亿m3。

2）辽阳县平原地区小区域MIKE SHE 地表- 地下耦合模型仿真能力好，清晰地、直观地展示出水文补排过程，显示各项水量，展现各分区水平衡过程，有可行性，具有一定的应用潜力。