運用MIKE SHE對鲅魚圈地區地下水資源量進行評價

姚 建，張曉威

(遼寧省水文水資源勘測局營口分局，遼寧營口115003)

MIKE SHE是一個功能強大、以物理過程為基礎、充分集成的模型，用以水文系統的三維模擬。MIKE SHE利用空間分布的、連續的氣象水文數據模擬濕潤和較干旱地區的綜合水文學、水力學和運移的問題。本文運用MIKE SHE在營口鲅魚圈地區建立了一個模型。研究區北起沙河，南至浮渡河，東到山前，西至渤海，屬于山前平原，面積約為316 km2。模型將研究區剖分成205行，210列，柵格(計算單元格)大小為147 m×147 m。

1 模型總體介紹

1.1 模型各模塊及其計算方法

本模型主要模擬研究區內的潛水。整個模型主要包含5大部分，分別是坡面流、河流、非飽和帶、蒸散發和飽和帶。河流在MIKE11中單獨設立。根據研究區內的資料情況，坡面流采用有限差分法(Finite Difference)，非飽和帶采用雙層水平衡法(2 Layer UZ)，飽和帶采用有限差分法(Finite Difference)。

1.2 模型主要部分數據來源與分析情況

1.2.1 非飽和帶(Unsaturated Flow)

由于前面非飽和帶采用的算法是雙層水平衡法，所以在這里只需定義雙層非飽和土壤(2－Layer UZ Soil)屬性和表面蒸發深(ET Surface Depth)。由于沒有模型范圍內詳細的非飽和帶土壤屬性資料且考慮到模型范圍較小、非飽和帶土壤屬性相差不懸殊，所以采用總體值(Global)。其中water content at saturation為土壤飽和含水量，取值0.3;water content at field capacity為田間持水量，取值0.15;water content at wilting point為凋萎持水量，取值0.05;saturated hydraulic conductivity為飽和導水率取值4e×10－6。這些數值的最終采用是根據經驗值及結合后面的參數率定而來。表面蒸發深設置為0.8 m。

1.2.2 飽和帶(Saturated Zone)

飽和帶中涉及到的最主要的數據為水平滲透系數、垂直滲透系數和給水度。

1.2.2.1 水平滲透系數

水力傳導是一個土壤粗密度的函數，與幫助水流穿過土壤的介質相關。疏松、粗糙的均質土比粒徑不一的緊實土傳導性更好。因此，疏松粗糙的均質土最大的水平水力傳導性可達0.001 5 m/s。而緊實黏土的水平水力傳導性最低為1×10－8m/s，相差5個數量級。本模型的水平滲透系數是依據《營口市水文地質圖說明書》中的第三章第三節的部分內容并結合研究區的現狀實際情況，運用gis繪成研究區域的水平滲透系數等值線圖，在模型率定階段對等值線圖做了一些調整。

1.2.2.2 垂直滲透系數

通常情況下，水平水力傳導性比垂直水力傳導性大5～10倍。但由于本區域巖性具有粗細相間的結構特點，有8～10層褐、棕、黃色亞黏土、砂、砂礫石互層，所以垂直滲透系數比這個經驗關系還要小很多。根據這個認識繪制出了區域的垂直滲透系數等值線圖。與水平滲透系數等值線圖一樣，在模型率定階段也對垂直滲透系數圖作了一些調整。

1.2.2.3 給水度

在無壓含水層中，單位產水量為減小單位水頭時含水層單位表面積釋放的水量。本模型給水度的確定是采用含水層巖性、滲透系數與給水度的經驗關系并結合模型率定最終確定下來的。

2 模型識別和驗證

為使模型具有足夠的精度，必須進行模型識別。本模型以2001年1月1日地下水位作為識別的初始水位，以2001—2005年的實測水位作為對比水位來進行模型的識別。在這個階段，要調整輸入量和邊界性質，以驗證模型的適用性和所求參數的準確性。

本模型以2001年1月1日地下水位作為識別的初始水位，以2005—2010年的實測水位作為對比水位來進行模型的驗證。模型驗證階段典型地下水站點實測水位與模擬水位對比關系見圖1。

圖1 驗證期蘭東地下水位監測站實測水位與模擬水位對比圖

模型識別和檢驗結果證明所建立的數學模型、邊界條件及調定的水文地質參數和源匯項基本都是正確可靠的。

3 項目分析

3.1 運用模型對研究區地下水資源量進行評價

前面已經對模型建立和率定情況進行了簡要介紹，下面將對研究區域內的地下水資源量進行評價。從模型中提取出的水平衡見圖2。

由圖2可見，總的水平衡誤差為15 mm，平均1.5 mm/a，精度較好。平原區地下水資源量采用補給量法計算，即多年平均地下水總補給量減去多年平均井灌回歸補給量，其差值即為多年平均地下水資源量。2000—2010年研究區飽和帶總補給量:邊界入流量+河道補給量+入滲總補給量=333+13+2 042=2 388 mm，研究區面積A=316 km2，總補給量(Q總補)=2 388×316×10－1=75 460萬 m3，多年平均補給量為7 546萬m3。從圖2水平衡圖中獲知，多年平均灌溉補給量為44.4 mm，轉化為水量是1 400萬m3。由于研究區內的灌溉基本上都是井灌，所以可以近似認為這1 400萬m3水即為井灌回歸補給量。所以研究區多年平均地下水資源量為6 146萬m3。

圖2 研究區2001—2010年水平衡圖

3.2 利用遼寧省第二次水資源調查評價成果進行檢驗

通過查看《遼寧省水資源》，可了解到營口市山丘區中未劃為平原的河谷區面積為590 km2，其地下水資源量為1.15億m3，本模型研究區域正是屬于這種情況。于是采用水文地質比擬法計算研究區地下水資源量如下:M=11 500/590=19.5萬 m3/km2，Q資=M × A=19.5 × 316=6 162萬m3。通過對比，模型計算出來的地下水資源量與利用二次評價計算出來的結果非常接近，只差16萬m3，不到水資源量的1%，由此可以證明模型評價出的結果是精確并可信的。

4 展望

本文運用MIKE SHE模型對營口鲅魚圈地區進行了地下水資源評價。在研究過程中發現基礎資料對于模型起著至關重要的作用。隨著科技的進步，資料的收集途徑越來越多，這將為模型的普及打下良好的基礎。

[1]徐國忠.營口市水文地質圖說明書[Z].1986.

[2]仲剛.遼寧省水資源[M].沈陽:遼寧科學技術出版社，2006.