运用MIKE SHE对鲅鱼圈地区地下水资源量进行评价

2012-08-13张晓威

黑龙江水利科技 2012年9期

姚建，张晓威

(辽宁省水文水资源勘测局营口分局，辽宁营口115003)

MIKE SHE是一个功能强大、以物理过程为基础、充分集成的模型，用以水文系统的三维模拟。MIKE SHE利用空间分布的、连续的气象水文数据模拟湿润和较干旱地区的综合水文学、水力学和运移的问题。本文运用MIKE SHE在营口鲅鱼圈地区建立了一个模型。研究区北起沙河，南至浮渡河，东到山前，西至渤海，属于山前平原，面积约为316 km2。模型将研究区剖分成205行，210列，栅格(计算单元格)大小为147 m×147 m。

1 模型总体介绍

1.1 模型各模块及其计算方法

本模型主要模拟研究区内的潜水。整个模型主要包含5大部分，分别是坡面流、河流、非饱和带、蒸散发和饱和带。河流在MIKE11中单独设立。根据研究区内的资料情况，坡面流采用有限差分法(Finite Difference)，非饱和带采用双层水平衡法(2 Layer UZ)，饱和带采用有限差分法(Finite Difference)。

1.2 模型主要部分数据来源与分析情况

1.2.1 非饱和带(Unsaturated Flow)

由于前面非饱和带采用的算法是双层水平衡法，所以在这里只需定义双层非饱和土壤(2－Layer UZ Soil)属性和表面蒸发深(ET Surface Depth)。由于没有模型范围内详细的非饱和带土壤属性资料且考虑到模型范围较小、非饱和带土壤属性相差不悬殊，所以采用总体值(Global)。其中water content at saturation为土壤饱和含水量，取值0.3;water content at field capacity为田间持水量，取值0.15;water content at wilting point为凋萎持水量，取值0.05;saturated hydraulic conductivity为饱和导水率取值4e×10－6。这些数值的最终采用是根据经验值及结合后面的参数率定而来。表面蒸发深设置为0.8 m。

1.2.2 饱和带(Saturated Zone)

饱和带中涉及到的最主要的数据为水平渗透系数、垂直渗透系数和给水度。

1.2.2.1 水平渗透系数

水力传导是一个土壤粗密度的函数，与帮助水流穿过土壤的介质相关。疏松、粗糙的均质土比粒径不一的紧实土传导性更好。因此，疏松粗糙的均质土最大的水平水力传导性可达0.001 5 m/s。而紧实黏土的水平水力传导性最低为1×10－8m/s，相差5个数量级。本模型的水平渗透系数是依据《营口市水文地质图说明书》中的第三章第三节的部分内容并结合研究区的现状实际情况，运用gis绘成研究区域的水平渗透系数等值线图，在模型率定阶段对等值线图做了一些调整。

1.2.2.2 垂直渗透系数

通常情况下，水平水力传导性比垂直水力传导性大5～10倍。但由于本区域岩性具有粗细相间的结构特点，有8～10层褐、棕、黄色亚黏土、砂、砂砾石互层，所以垂直渗透系数比这个经验关系还要小很多。根据这个认识绘制出了区域的垂直渗透系数等值线图。与水平渗透系数等值线图一样，在模型率定阶段也对垂直渗透系数图作了一些调整。

1.2.2.3 给水度

在无压含水层中，单位产水量为减小单位水头时含水层单位表面积释放的水量。本模型给水度的确定是采用含水层岩性、渗透系数与给水度的经验关系并结合模型率定最终确定下来的。

2 模型识别和验证

为使模型具有足够的精度，必须进行模型识别。本模型以2001年1月1日地下水位作为识别的初始水位，以2001—2005年的实测水位作为对比水位来进行模型的识别。在这个阶段，要调整输入量和边界性质，以验证模型的适用性和所求参数的准确性。

本模型以2001年1月1日地下水位作为识别的初始水位，以2005—2010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1。

图1 验证期兰东地下水位监测站实测水位与模拟水位对比图

模型识别和检验结果证明所建立的数学模型、边界条件及调定的水文地质参数和源汇项基本都是正确可靠的。

3 项目分析

3.1 运用模型对研究区地下水资源量进行评价

前面已经对模型建立和率定情况进行了简要介绍，下面将对研究区域内的地下水资源量进行评价。从模型中提取出的水平衡见图2。

由图2可见，总的水平衡误差为15 mm，平均1.5 mm/a，精度较好。平原区地下水资源量采用补给量法计算，即多年平均地下水总补给量减去多年平均井灌回归补给量，其差值即为多年平均地下水资源量。2000—2010年研究区饱和带总补给量:边界入流量+河道补给量+入渗总补给量=333+13+2 042=2 388 mm，研究区面积A=316 km2，总补给量(Q总补)=2 388×316×10－1=75 460万 m3，多年平均补给量为7 546万m3。从图2水平衡图中获知，多年平均灌溉补给量为44.4 mm，转化为水量是1 400万m3。由于研究区内的灌溉基本上都是井灌，所以可以近似认为这1 400万m3水即为井灌回归补给量。所以研究区多年平均地下水资源量为6 146万m3。

图2 研究区2001—2010年水平衡图

3.2 利用辽宁省第二次水资源调查评价成果进行检验

通过查看《辽宁省水资源》，可了解到营口市山丘区中未划为平原的河谷区面积为590 km2，其地下水资源量为1.15亿m3，本模型研究区域正是属于这种情况。于是采用水文地质比拟法计算研究区地下水资源量如下:M=11 500/590=19.5万 m3/km2，Q资=M × A=19.5 × 316=6 162万m3。通过对比，模型计算出来的地下水资源量与利用二次评价计算出来的结果非常接近，只差16万m3，不到水资源量的1%，由此可以证明模型评价出的结果是精确并可信的。