基于MIKE SHE 模型的地下水評價

趙琳琳，王海剛

（遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 111000）

0 前言

水資源是經濟社會發展重要的、基礎性的、戰略性的資源[1～3]，地下水作為水資源的重要組成部分，是人類不可缺少的一種自然資源，對人類的生活、工農業生產和城市建設都起著重要作用。水資源、地下水資源的評價，及時掌握水資源動態，為水資源規劃配置提供依據，保障水生態健康發展[4～9]。水系統不是對立存在的，地下水作為水系統的組成部分，亦參與水循環，與地表水等相互作用[10～12]。為更合理地分析評價地下水，建立地表—地下水耦合模擬分析。

遼陽縣屬于遼寧省遼陽市，地處下遼河平原區，被遼陽市市區一分為二，即東部山區與西部平原區，遼陽縣平原區受太子河、渾河兩大河流作用，屬太子河沖積扇前沿與河間地塊，地下水資源較豐富，年平均降水量為735.3 mm，多年平均蒸發量為508 mm，曾為遼陽、鞍山兩地提供農業、生活生產等水源。本文依據遼陽縣水文、氣象、水資源開發利用現狀、水文地質等資料，借助MIKE SHE 模型建立地表- 地下水耦合的分布式水文模型，模擬地下水補給、徑流、排泄動態過程，進行均衡分析，分區評估地下水資源量。

1 研究方法

1.1 模型的基本原理

MIKE SHE 是一種基于水循環過程的聯合地表、地下水模擬的多參數分布式水文模型，有植物截流、蒸散發、坡面漫流、河網匯流、包氣帶、飽和帶水流等，各模塊是獨立的，各系統彼此間間接或直接相互聯系，共同運行完成水文模擬[13～15]。

MIKE SHE 模型建立地下水三維運動，其主要物理過程數學化的偏微分方程為：

1.2 模型的搭建

（1）離散。將遼陽縣平原區研究區剖分為500 m×500 m 計算柵格單元。模擬運行時段為2009 年1 月到2013 年12 月，時間步長12 h。

（2）邊界。東側為流量邊界，根據遼陽市地下水流場，分為流量邊界（2～3）和流量邊界（3～4）；西側以行政邊界，即渾河為界，設給定水頭邊界（6～1）；依據地下水流場，南側亦為流量邊界，根據與流場線的關系分東側零流量邊界（4～5），負（流出）流量邊界（5～6）；北部為流量邊界（1～2），見圖1。

圖1 邊界條件示意圖

（3）初始條件。2009 年1 月1 日為初始時刻。

（4）參數。采用泰森多邊形法進行降雨分區，最大降雨強度入滲0.1 mm/h，最大降雨深10 mm；最大下滲10 mm；坡面流子模塊中取曼寧系數M 為50，均勻分布；地表初始積水深0 m；農業土地利用為水田灌溉。水平滲透系數見圖2，其中垂向滲透系數為水平滲透系數的1/15。

圖2 滲透系數分布圖

1.3 識別與驗證

2009 年～2011 年為模型識別期，2012 年～2013 年為模型驗證期，擬合模型模擬水位與實測水位，建立效率系數（E）和相關系數（R）來進行分析模型模擬效果，通過反復參數調試，得出：識別期，觀測平均誤差-0.09，相關系數0.83，模型效率系數-0.09；驗證期，觀測平均誤差-0.11，相關系數0.83，模型效率系數-0.38。參數合理可靠，模型擬合效果比較好。

2 結果與討論

2.1 開采分區

遼陽縣平原區土地利用類型各有不同，用水產業各有不同，根據用水類型主次分為水源開采區（首山- 興隆），農業開采區（黃泥洼- 小北河），工農開采區（唐馬寨- 柳壕）。

2.2 均衡分析

通過MIKE SHE 進行遼陽縣首山平原區2009 年～2013年水文模擬計算，得出遼陽縣平原地區及各分區水均衡圖（圖3、4、5、6），從圖中可以清晰地看出地下水補給、排泄各項。

研究區地下水以地面垂向補給為主，包括降雨入滲、灌溉入滲和河道滲漏，此外還包括含水層的側向徑流補給作用。在首山水源地，由于地下水的大規模集中開采，導致河道滲漏補給量大量增加。

地下水的排泄主要包括土壤蒸發和人工開采，此外還有河道排泄和側向流出等。

圖3 區域水平衡圖

圖4 水源開采區水平衡圖

圖5 農業開采區水平衡圖

圖6 工農開采區水平衡圖

研究區面積為772.34 km2，遼陽縣平原地下水補給項有入滲補給、河道滲漏補給、側向徑流流入補給，地下水各項總補給量為Q總補=22.34 億m3；遼陽縣平原地下水排泄項有向河道排泄、蒸發排泄、人類開采、側向徑流流出排泄，地下水各項總排泄量為Q總排=19.77 億m3；地下水儲存的變化量為ΔW=2.57 億m3，地下水埋深有所減小。精度誤差計算：

由計算結果可知，遼陽縣平原地下水補給、排泄及儲存的變化量計算誤差小，成果精度高。

2.3 資源量分析

研究區為遼陽縣西部平原區，采用補給法進行地下水資源分析計算。現狀地下水補給包含地下水井灌回歸補給量，為重復量，故總補給量剔除即為遼陽縣平原區地下水資源量。

遼陽縣平原區2009 年～2013 年的總補給量為22.34 億m3，平均年補給量4.468 億m3，遼陽縣平原區井灌回歸為90.5 mm，利用系數0.69，平均年地下水灌溉回歸補給量Q回灌=0.699 億m3。

遼陽縣平原年平均地下水資源量Q=3.769 億m3。

根據模型提取出的各分區水平衡圖計算各分區多年平均地下水資源量。

水源開采區（面積85.26 km2）：Q水源資源量=0.48 億m3；

農業開采區（面積218.96 km2）：Q水源資源量=1.30 億m3；

工農開采區（面積468.96 km2）：Q水源資源量=2.12 億m3。

2.4 可開采資源量分析

根據遼陽縣平原區地下水水文地質特征及開發利用情況，采用開采系數法計算，取系數0.9，即：

3 結論

1）采用MIKE SHE 搭建遼陽縣平原地區地表- 地下耦合水動力模型，模擬計算遼陽縣平原區地下水系統過程，相關系數0.83、效率系數-0.24，借助相關系數、效率系數分析出地表- 地下耦合模型的參數率定效果較好，精度高。2009 年～2013 年多年平均地下水資源量3.769 億m3，可開采量3.392 億m3。水源開采區地下水資源量0.48 億m3，農業開采區地下水資源量1.30 億m3，工農開采區地下水資源量2.12 億m3。

2）遼陽縣平原地區小區域MIKE SHE 地表- 地下耦合模型仿真能力好，清晰地、直觀地展示出水文補排過程，顯示各項水量，展現各分區水平衡過程，有可行性，具有一定的應用潛力。