基于MIKE-BASIN模型的壽縣地下水滲流模擬及水資源平衡配置研究

劉 波

(淮南壽縣水務(wù)局，安徽 淮南 232000)

1 研究背景

水資源是居民賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)，城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民日常生活保障離不開水資源的正常提供[1-2]。但由于經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致在發(fā)展的同時(shí)忽略了對(duì)環(huán)境的保護(hù)，對(duì)水資源的影響同樣十分巨大。水資源問(wèn)題日益嚴(yán)峻，水質(zhì)污染、地區(qū)水分布不平衡、洪水旱澇等，也越來(lái)越成為限制我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[3-4]。為解決水資源存在的問(wèn)題，目前急需找出合理的措施解決水資源的供需平衡問(wèn)題，提高水資源的科學(xué)管理水平，因此，關(guān)于水資源供需平衡模擬的研究已成為了水文水資源管理部門研究的熱點(diǎn)[5]。

關(guān)于地下水、地表水、灌溉水等多種水資源聯(lián)合調(diào)配關(guān)鍵技術(shù)的研究，是解決水資源供需平衡問(wèn)題和水資源短缺問(wèn)題的關(guān)鍵，同時(shí)也是提高水資源利用率的關(guān)鍵[6]。MIKE-BASIN模型在2003年由丹麥水利研究院提出，該模型可基于區(qū)域DEM數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)?shù)厮Y源進(jìn)行優(yōu)化配置，可有效解決水資源供需平衡問(wèn)題[7]。截至目前，Larsen等[8]在湄公河支流，肖志遠(yuǎn)等[9]在漢江流域均在MIKE-BASIN模型應(yīng)用方面取得了一定的研究進(jìn)展，指出了該模型應(yīng)用的科學(xué)性與合理性。

壽縣處于31°54′N～32°40′N、116°28′E～117°04′E之間，位于安徽省中部，隸屬淮南市、淮河中游南岸，是國(guó)家歷史文化名城。壽縣共有25個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總?cè)藬?shù)超過(guò)140萬(wàn)。壽縣處于北亞熱帶與暖溫帶的過(guò)渡地帶，年平均降水885.9mm，年平均日照2337.2 h，年平均氣溫14.9℃，屬于淮河流域以農(nóng)業(yè)為主的大縣。該地區(qū)農(nóng)業(yè)產(chǎn)值較高，主要種植小麥、水稻、油菜等經(jīng)濟(jì)作物，是國(guó)家第一批商品糧基地縣，因此，水資源是影響當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素之一[10]。本文基于MIKE-BASIN模型對(duì)壽縣開展水資源平衡模擬研究分析，為提高當(dāng)?shù)厮Y源優(yōu)化配置水平提高理論依據(jù)。

2 MIKE-BASIN模型構(gòu)建

本研究通過(guò)耦合MIKE-BASIN與NAM降雨徑流模型實(shí)現(xiàn)壽縣水資源模擬。MIKE-BASIN是對(duì)流域進(jìn)行單元格劃分、提取水資源空間分布結(jié)構(gòu)、供需參數(shù)和模型率定驗(yàn)證的前提條件。NAM模型根據(jù)圖1所示過(guò)程對(duì)水資源循環(huán)過(guò)程進(jìn)行模擬，方便MIKE-BASIN模型進(jìn)行水資源分配計(jì)算。

2.1 NAM模型計(jì)算原理

NAM模型計(jì)算主要分為4個(gè)部分，具體計(jì)算過(guò)程如下。

圖1 NAM模型模擬水資源循環(huán)過(guò)程示意圖

2.1.1坡面流量計(jì)算

(1)

式中，QOF—坡面流量；CQOF—坡面徑流系數(shù)，取值0～1；TOF—坡面流根區(qū)臨界值，取值0～1；L/Lmax—相對(duì)含水率；PN—降水-地表儲(chǔ)水層儲(chǔ)水量。

2.1.2壤中流計(jì)算

(2)

式中，QIF—壤中流量；TIF—壤中流根區(qū)臨界值，取值0～1；CKIF—壤中流時(shí)間常數(shù)；U—地表儲(chǔ)水層水量。

2.1.3基流量計(jì)算

(3)

式中，G—基流量；TG—地下水補(bǔ)給臨界值，取值0～1。

2.1.4蒸發(fā)量計(jì)算

(4)

式中，Ep—潛在蒸發(fā)量。

2.2 模型構(gòu)建及計(jì)算流域劃分

本研究結(jié)合壽縣的實(shí)際情況，將區(qū)域劃分10個(gè)計(jì)算單位，且各主要分區(qū)和參數(shù)特征見表1。本文結(jié)合供水節(jié)點(diǎn)和用水節(jié)點(diǎn)的關(guān)系，同時(shí)結(jié)合NAM模型中的4個(gè)變量，構(gòu)建適用于壽縣的水資源配置模型。

表1 計(jì)算流域參數(shù)取值

3 模型模擬結(jié)果分析

3.1 模型參數(shù)率定結(jié)果及驗(yàn)證

為得出水資源平衡計(jì)算的結(jié)果，必須找出模型合理的參數(shù)取值范圍，本文通過(guò)調(diào)參手段，找出了NAM模型的最優(yōu)參數(shù)取值，結(jié)果見表2。根據(jù)NAM模型參數(shù)取值情況，結(jié)合MIKE-BASIN模型基本原理，模擬出徑流量與實(shí)測(cè)流量的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。

表2 NAM模型參數(shù)取值

由圖2可知，以該模型進(jìn)行模擬的結(jié)果與實(shí)測(cè)值表現(xiàn)出了較高的擬合精度，在3個(gè)水庫(kù)中，模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，在安豐塘水庫(kù)，模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差僅為2.1%，而模型效率系數(shù)Ens為0.893，決定系數(shù)R2為0.901，且與實(shí)測(cè)值的相關(guān)性通過(guò)了極顯著水平(P<0.01)，大井水庫(kù)的3個(gè)指標(biāo)分別為1.6%、0.913和0.934，花果水庫(kù)的3個(gè)指標(biāo)分別為3.4%、0.873和0.884，且Ens和R2通過(guò)了極顯著水平(P<0.01)，表明該模型具有一定的合理性和科學(xué)性。

3.2 地下水滲流模擬

圖3為壽縣地下水滲流流場(chǎng)及3個(gè)水庫(kù)的地下水入滲率模擬結(jié)果。由圖3可知，當(dāng)?shù)貣|部地下水水頭較高，西部水頭較低，不同區(qū)域的水分下滲率隨時(shí)間的增長(zhǎng)出現(xiàn)了先降低后平穩(wěn)的趨勢(shì)，與實(shí)際情況相符。

3.3 模型水庫(kù)下泄流量模擬

圖4為壽縣3個(gè)水庫(kù)下泄流量、流入流量和流出流量的模型模擬結(jié)果。由圖5可知，根據(jù)不同水庫(kù)的不同運(yùn)行過(guò)程，模型模擬出了在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)不同水庫(kù)的下泄水量、流入流量和流出流量等變化情況，用模型模擬出的結(jié)果變化趨勢(shì)符合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，進(jìn)一步反映出了本文MIKE-BASIN模型和NAM模型所選的參數(shù)以及結(jié)構(gòu)特征具有較強(qiáng)的可信度和可適用性，此模擬結(jié)果可為壽縣不同水庫(kù)的聯(lián)合調(diào)度和水資源的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)和參考。

圖2 模型模擬結(jié)果分析

圖3 模型模擬壽縣地下水滲流流場(chǎng)及水庫(kù)土壤下滲率比較

圖4 3個(gè)水庫(kù)下泄流量、流入流量和流出流量模擬結(jié)果

表3 水資源優(yōu)化配置結(jié)果 單位:m3

表4 較常規(guī)調(diào)度的節(jié)水量 單位:m3

3.4 水資源優(yōu)化配置結(jié)果

表3為基于該模型的水資源優(yōu)化配置結(jié)果，表4為基于該模型進(jìn)行優(yōu)化配置與常規(guī)調(diào)度結(jié)果的節(jié)水量。由表3—4可以看出，MIKE-BASIN模型模擬的水資源優(yōu)化配置方案，較原方案在不同水平年的用水量均有一定的減少，在一定程度上緩解了用水壓力。

4 結(jié)論

基于MIKE-BASIN模型對(duì)壽縣水資源進(jìn)行模擬和管理，首先模擬了壽縣地下水滲流流場(chǎng)情況，指出了當(dāng)?shù)氐叵滤^呈現(xiàn)東高西低的現(xiàn)象，同時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)?個(gè)水庫(kù)下泄流量進(jìn)行了模擬，指出模擬出的水庫(kù)下泄流量、流入流量和流出流量與實(shí)際情況相符，證明了該模型的模擬精度較高，同時(shí)以該模型進(jìn)行的水資源配置，較常規(guī)調(diào)度大幅度節(jié)約了用水，表明了該模型的合理性。

基于該模型可為水資源優(yōu)化配置及水資源模擬提供一定的科學(xué)依據(jù)，同時(shí)本文主要計(jì)算模擬了壽縣3個(gè)水庫(kù)的徑流量、下泄流量、流入流量和流出流量，在今后的研究中可針對(duì)壽縣流量的空間分布特征，進(jìn)一步研究該模型的合理性。