基于MIKE SHE的地下水“双控”指标分析

赵琳琳，王海刚

(辽宁省辽阳水文局，辽宁 辽阳 11000)

水资源是社会经济发展的基础战略资源，地下水作为重要组成部分，对人类生存及城市发展起着至关重要的作用。但由于地下水的不合理开采，地下水位下降，地下水漏斗形成，海水倒灌、地面沉降、地下水生态破坏等环境问题，灾害随之发生，因此在地下水开发利用的同时，对地下水的监管、保护及规划利用等是重要且必要的。[1- 5]《水法》等法律法规对地下水开发做出明确规定，迫切需要对地下水开发实行总量控制和维持地下水合理水位。2012年《国务院关于实行最严格水资源管理制度的意见》明确要求，实行地下水取用水总量控制和水位控制的“双控”管理。谢新民等提出了关于地下水水位控制概念，提出红、黄、蓝水位控制区域划分的原则。[6- 8]孙思宇对吉林市区进行地下水水位、水量双重指标控制管理研究，提出与之适应的地下水管理方案[9]，方樟等对河南安阳市进行地下水控制水位研究[10]。

辽阳县属辽宁省辽阳市，地处辽东半岛中部，东部为丘陵山区，西部为沿河平原，地势平坦，温带大陆性季风气候，年平均降水量为735.3mm，多年平均蒸发量为508mm。辽阳县平原区受地下水资源开采影响，地下水位下降、超采区形成，生态环境受到威胁。地下水“双控”指标分析对水资源保护、地下水管理、生态恢复等具有重要意义，地下水管理研究亟待进行。

1 研究方法

1.1 基本原理

MIKE SHE是一种基于过程的联合地表、地下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。[11- 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 模型搭建

1.2.1离散

剖分为500m×500m计算栅格单元。

1.2.2边界

东侧为流量边界，根据地下水流场，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)，如图1所示。

1.2.3参数

图1 边界条件示意

采用泰森多边形法进行降雨分区，最大降雨强度入渗0.1mm/h，单位时间最大积水深度10mm；单位时间最大下渗10mm；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0m；农业土地利用为水田灌溉。水平渗透系数如图2所示，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 识别验证

2009—2012年为模型识别期，2013—2017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。从计算与实测水位拟合图，如图3所示，水位等值线趋势基本一致，模型拟合效果好。因此模型参数合理可靠，模型拟合效果比较好。

2 双控指标分析

2.1 取水总量指标分析

图3 计算与实测水位拟合图

图4 2009—2017年水均衡量图

从模型中提取2009—2017年水量平衡图进行分析，如图4所示。从图4中看出2009—2017年水平衡误差为-1mm，精度较好。饱和带作为地下水的储存区域是研究的重点。研究区面积772.34km2，总补给量Q总补为35.57亿m3，总排泄量Q总排为33.20亿m3，储存量变化量ΔW为2.37亿m3。Χ=Q总补-Q总排±ΔW=0。

多年平均地下水总补给量减去多年平均井灌回归补给量即为多年平均地下水资源量。辽阳县灌溉水利用系数为0.69，辽阳县井灌回归为90.5mm，多年平均地下水灌溉补给量为0.699亿m3。研究区多年平均补给量为3.952亿m3，研究区多年平均地下水资源量为3.253亿m3。取可开采系数为0.9，研究区多年平均可开采量为2.928亿m3。

从地下水资源保护及环境问题等因素综合考虑出发，建立两级取水总量控制指标，即禁采水量与限制水量。为了不引起地下水环境地质问题将地下水多年平均可开采量其定为研究区地下水总量控制的禁采水量；从最严格水资源管理制度出发，《辽宁省实行最严格水资源管理制度“十二五”指标分解表》辽阳县地下用水量控制为1.90亿m3，研究区为辽阳县西部平原区，确定取水总量限制水量为水资源管理制度指标分解数，折算东部山区用水量，现状限制指标为1.88亿m3。

2.2 水位指标分析

研究区受土地利用类型、开发利用程度等影响，地下水水位差较大，从水资源管理、生态恢复出发，对研究区不同开采强度区域采用不同指标控制。研究区受地下水开采历史影响，已形成地下水超采，故综合考虑地下水动态、地下水开发利用程度及土地利用类型等，建立首山超采开采区、唐马灌溉开采区及黄泥洼综合开采区，如图5—7所示。对不同分区建立二级水位控制指标。超采区包括限制开采水位和禁止开采水位；非超采区包括警示水位和警戒水位

根据前文对2009—2017年开采量及地下水均衡的分析，在根据分区面积大小，在建立的模型中分别选择数个地点作为水位模拟站点进行模拟分析，如图5—12所示。

图5 首山超采开采区代表井动态水位曲线图1

图6 首山超采开采区代表井动态水位曲线图2

图7 首山超采开采区代表井动态水位曲线图3

从图5—7中可以看出2010年区域平均水位为历年最低，从动态曲线看出水位趋势为上升型，故将其最低水位算数平均值设定为区域限制开采水位，水位为4.53m，将最低水位值设定为区域禁止开采水位，水位为3.15m。

图8 黄泥洼综合开采区代表井动态水位曲线图1

图9 黄泥洼综合开采区代表井动态水位曲线图2

从图8—9中可以看出2009年区域平均水位为历年最低，从动态曲线看出水位趋势为上升型，故将其最低水位算数平均值设定为区域警示水位，水位为7.65m，将最低水位值设定为区域禁止开采水位，水位为7.31m。

从图10—12中可以看出2009年区域平均水位为历年最低，从动态曲线看出水位趋势2009—2013年为上升型，2014—2017为年下降型，故将其最低水位算数平均值设定为区域警示水位，水位为5.77m，将最低水位值设定为区域警戒开采水位，水位为5.13m。

图10 唐马灌溉开采区代表井动态水位曲线图1

根据水平衡原理，计算保证率在25%丰水年、50%平水年和75%枯水年的降雨量分别为：750.5mm、621.4mm、546.9mm，计算地下水水位开采降深分别为：0.56m，0.76m，0.87m。

图11 唐马灌溉开采区代表井动态水位曲线图2

图12 唐马灌溉开采区代表井动态水位曲线图3

根据实际情况，辽阳县地下水年际间变化远大于水平衡方法计算的理论开采降深0.87m，无法将其降深作为临界水位指标。

3 结语

采用MIKE SHE建立辽阳县平原区地表水-地下水耦合水动力模型，通过模型对研究区进行水量平衡分析计算，结合辽阳县“三条红线”管理的控制指标，综合分析确定了辽阳县平原区现状地下水取水总量控制指标为1.88亿m3。

通过对研究区地下水流场、地下水开采特征及土地利用情况等综合分析建立了地下水水位管理的分区，依据模型的模拟，对不同分区分析地下水动态变化情况，进而对不同分区提出地下水管理的超采中心区的限采水位及禁采水位、其它地区的警示水位、警戒水位、禁采水位。

研究区地下水“双控”指标分别为：地下水开采量限制开采指标为1.88亿m3，地下水禁止开采量指标为2.928亿m3；首山水源地集中开采区限制开采水位为4.53m、禁止开采水位为3.15m，黄泥洼开采区限制开采水位为7.65m，唐马寨开采区警示水位为5.77m、