基于MIKE SHE模型在辽南地区地下水模拟验证的研究

王 鹏

（大洼区水利服务中心，辽宁 大洼 124200）

1 引言

MIKE SHE是一个具有强大的、基于物理的、完全集成的三维水文系统模拟模型[1]，MIKE SHE的水文过程见图1，图中的箭头显示了不同模块之间的水交换情况，而svat蒸发散模块没有可用商业版本。

MIKE SHE利用空间分布的连续天气数据模拟干湿地区的水文、水力和交通综合问题[2～3]，已广泛应用于与地表水、地下水及其动态相互作用有关的水资源和环境问题，这些问题包括流域规划、灌溉和排水、水资源管理、农业生产对农用化学品和肥料的影响、土地利用变化的影响、气候变化的影响和生态评估。

MIKE SHE可用MIKE 11来模拟明渠水流[4]，MIKE 11包括了河流网络、湖泊、水库和水工建筑(如闸门、堰等)的综合设置，MIKE SHE也可以连接到污水管网模型，以模拟城市雨水，生活污水管网，地下水及其相互作用[5]，也适用于空间尺度，从估算作物需水量的单一土壤剖面到包含几个分流域的更大区域，在许多气候和水文环境研究和咨询项目中具有重要价值[6～8]。

图1 MIKE SHE的水文过程示意图

2 研究区植被

研究区北起辽南的沙河，南至浮渡河，东到山前，西至渤海，属于山前平原，面积大约为190 km2，见图2，图中灰色区域即为本模型研究区域。

图2 研究区模型范围

2.1 植被类型

设置植被类型的空间分布、蒸散发参数以及植被生长阶段、植被生长表、灌溉参数等[9]。

2.2 植被类型的空间分布

本模型的植被类型空间分布资料是根据省局提供的土地利用分布图，利用arcgis为工具，参考《辽宁土地利用标准》，对其进行一定的合并加工，最后做成适合模型的shp格式的土地利用资料。本研究区共分7种土地利用类型，分别是树林、草地、水体、城市、水稻、玉米和葡萄，由于水稻只有零星的一点点，故在灌溉时给予忽略。图3中1为玉米，2为葡萄，3为城市，4为树林，5为水体，6为草地，7为水稻。

图3 土地利用示意图

2.3 蒸散发参数

植被冠层截留的水量由截留能力乘以LAI得到[10]。截留能力取决于不同植被类型的表面特征，取典型值0.05 mm。

双层水平衡法的ET参数：当非饱和带缺水比例低于某值（0～1）时植物根系滕发量减少，本模型设置为1。

重力流法和Richards公式法的ET参数：C1是LAI和Ea/Ep间线性关系的斜率，它确定了水量充分情况下当实际蒸散发等于潜在蒸散发时的LAI值[11]。粘土质、肥沃的土壤，C2取值0.2左右，该值越大，实际蒸散发中土壤蒸发的比例越大。当越靠近地表的上层土壤蒸发量在实际蒸散发量中占23%～61%时，C2取值为0～0.5之间。C3控制水应力对蒸腾过程的影响，根据土壤类型不同，轻质土取较大值，重质土取较小值，消减土壤干燥的影响通过增加C3值来实现。土壤的根系分布由Aroot参数调节，Aroot取值与土壤容重有关，土壤容重大即根系生长受限制时取较大值，容重小时取较小值。

2.4 植被生长阶段

植物随时间变化的特性通常由一系列特征长度的典型阶段来描述，这些变化通过植物生长阶段之间的一组线性变化表示[12]。天数是指从植物开始生长（如播种）至指定阶段期末的累积天数。本模型中各作物生长期资料是参照MIKE SHE作物生长属性数据库的设置来划分的。

2.5 植被生长

对于作物的各生长阶段，用叶片面积指数LAI，根系深度RD，作物系数Kc来描述。叶片面积指数LAI即叶片面积/地面面积，根据植被类型不同取值范围为0～7之间；根系深度RD通常随季节变化，还需要考虑土壤类型，因为某些作物的根系分布会因土壤特性的不同而各不相同；作物系数Kc用以调整与实际蒸散发相关的特定作物的参考蒸散发。

天数是指从植物开始生长（如播种）至指定阶段期末的累积天数[13]。叶片面积指数和根系深度应当定义在作物生长阶段末期。指定取值间LAI及根系深度的发展变化通过模型线性插值。表1所示为各种土地利用类型的叶片面积指数LAI、根系深度RD和作物系数Kc，各参数都是参照MIKE SHE的例子设置的。

表1 植被生长表

2.6 灌溉参数

如果在灌溉需水对话框中，定义植被属性文件用于需水量计算，那么需水量取值将从植被文件中读取[13]。植被属性文件的灌溉参数包括：缺水开始、缺水结束、参考、指定、应力系数、积水深度等。其中天数是指从植物开始生长（如播种）至指定阶段期末的累积天数。

2.7 灌溉区域

研究区内需要浇灌的主要作物为葡萄。在灌溉区域Irrigation command areas里设置灌溉面积分布的位置、灌溉取水水源类型、灌溉方式等[14]。由于浇灌葡萄园的农用井众多，且具体位置很难逐个定义，所以灌溉取水水源类型采用shallow well，就是一种概化到面上得取水类型。灌溉方式采用sprinkler，这样比较切合葡萄的实际灌溉方式。灌溉面积分布的位置见图4，其中灰色区域即为葡萄主产区。

图4 灌溉面积分布的位置

2.8 灌溉需水

本模型中葡萄的灌溉需水参考了《北方农业节水理论与技术研究》中关于葡萄日需水量的介绍，并结合2010年～2019年的年降水量，在模型中给了一个灌溉需水的时间序列。葡萄的日需水量见表2。

表2 葡萄的日需水量

3 模型验证

本模型以2010年1月1日地下水位作为识别的初始水位，以2014年～2019年的实测水位作为对比水位来进行模型的验证。模型验证阶段典型地下水站点实测水位与模拟水位对比关系见图5～图8。

图5 验证期文屯地下水位监测站实测水位与模拟水位对比图

图6 识别期红旗堡地下水位监测站实测水位与模拟水位对比图

图7 识别期大房身地下水位监测站实测水位与模拟水位对比图

图8 识别期兰东地下水位监测站实测水位与模拟水位对比图

4 结语

从以上模型验证结果看，模型识别阶段共取观测点4个，4个站点的平均误差ME的平均值为-0.206 m，平均绝对误差MAE的平均值为0.494 m；验证阶段共取观测点4个，4个站点的平均误差ME的平均值为-0.297 m，平均绝对误差MAE的平均值为0.608 m。由此可知该模型所验证的结论是正确可靠的。