基于HydroGeoSphere的辽河沈阳区域地下水安全风险分析

王世界

(辽宁省沈阳水文局，辽宁 沈阳 110043)

辽河在辽宁省内流域面积40988km2，河长554km，干流纵贯辽宁省的辽北康法丘陵区与下辽河平原区，其河谷开阔，地势平坦，河道迂回曲折，河道比降小。辽河沈阳区域内的石佛寺水库是辽河干流上唯一的调蓄控制性水库，该区域地表水地下水交互密切，将地表水、地下水看作统一整体，应用HydroGeoSphere(HGS)软件建立研究区地表水地下水水流耦合模拟模型。采取支持向量回归方法预测研究区2017—2021年降水量，通过运转模型，模拟预报未来研究区地下水水位，根据预报结果对地下水水位进行风险评估，进而划定地下水水位安全风险限值，为今后地下水资源的管理与保护提供相关的科学支撑。

1 研究区概况

通过水文站汇水区及ArcGIS高程数据确定辽河沈阳区域汇水区为研究区，区内河段从上游开原市至下游新民市新立屯村附近，地跨铁岭县、调兵山市、沈北新区、法库县和新民市等区域。研究区位于辽河河谷平原区，面积约为2552km2，研究区地理位置如图1所示。

图1 研究区地理位置图

研究区四季变化明显，降水量年内分配不均，一般6月份进入雨季，7—8月份为降雨高峰期，冬季寒冷雨少。地势北高南低，地表高程为27～499m，区内地貌类型可以划分为山前冲洪积平原和冲洪积河谷阶地，地表岩性主要为亚黏土、淤泥质亚黏土、亚砂土和砂砾石。地下水较为丰富，广泛分布有第四系松散岩类孔隙水，含水层岩性以砾卵石、砂砾石为主，其岩石渗透性好，地下水水力梯度大，径流条件较好。地下水的补给来源主要为大气降水入渗补给及河道渗漏补给，排泄方式主要为人工开采、潜水蒸发和侧向径流排泄。

2 理论与方法

HGS技术系统(软件)是由加拿大Waterloo大学、Laval大学及Hydrogeologic公司联合研制开发的。它能够在流域尺度上，同时对地表水和地下水进行耦合数学模拟[1]。

将研究区地下水边界条件、含水层结构、含水层水利特征及源汇项等进行概化，建立研究区地下水概念模型。将研究区地表水边界条件、土地利用类型、源汇项等进行概化，建立研究区地表水概念模型[2]。根据建立的地表水地下水概念模型，分别建立地表水、地下水水流数学模拟模型。数学模型主要包括两部分：一是描述水流运动规律的偏微分方程；二是反应系统边界条件和初始条件的定解条件。

采用双重节点方式耦合地表水模型与地下水模型。它将平面二维地表水模型叠置在地下水模型的顶部，对地下水、地表水模型进行相同的空间和时间离散[3]。表层的地表水模型节点与地下水模型顶部节点具有完全一致的空间坐标，即耦合模型表层的节点同时具有地表水和地下水属性，每个地表水节点与相应的地下水节点进行水力联系。

通过达西流关系来描述两者之间的水流交换，数学表达式为：

dQSG=KroKso(h-hs)

(1)

式中，d—地表水与地下水的耦合长度；QSG—地下水与地表水交换通量；KrO—上游节点的相对渗透率；KSO—地下水表层介质的渗透系数；h—地下水水头；hs—地表水水头[4]。

3 模型建立

当地表水地下水耦合模拟模型模拟计算结果与实际监测结果满足如下条件时，认为所建模型符合研究区实际情况：①模拟地下水水位同实际观测水位的绝对误差小于0.5m的地下水观测井数量占总数量的75%以上；②观测点河流月平均流量的模拟结果与实际检测值之间的相对误差要小于20%。

3.1 模型校正

模型模拟期的初始流场采用2014年1月1日研究区地表水水深和地下水流场，将模拟期内各源汇项输入模型后，运行至2015年12月31日。统计13个地下水水位观测点水位计算结果，将2014年12月31日和2015年12月31日模型计算水位与实测水位进行对比，结果见表1。

对校正期观测点地表水计算出的流量与实测流量误差进行统计，统计表明观测点河流月平均流量的模拟结果与实际检测值之间的相对误差小于20%，见表2。

表1 校正期研究区观测井地下水水位

表2 校正期地表水观测点(马虎山水文站)月平均流量 单位：m3/s

综上所述，所建立的地表水地下水耦合模拟模型符合研究区实际，反映研究区地表水和地下水系统的动态变化特征，可以将此时校正后的参数作为模型参数。

3.2 模型检验

设定模型检验模拟期为2016年1月1日到2016年12月31日，利用2016年12月31日的研究区实际数据对校正后的非稳定流模型进行检验，将模拟结果同2016年12月31日研究区地表水和地下水观测数据进行对比分析，得到检验期末观测井地下水水位见表3，河流月平均流量见表4。

表3 检验期研究区内观测井地下水水位

表4 检验期地表水观测点(马虎山水文站)月平均流量 单位：m3/s

校正后的非稳定流模型计算出的月平均流量同实测值的相对误差多小于20%，同时研究区内计算水位同实际观测水位之间绝对误差小于0.5m的观测井数占总数的80%以上。由此可知，模型的检验结果满足误差要求，所建立的地表水地下水水流耦合模拟模型能够反映研究区的实际情况。

4 模拟预报及地下水位风险分析

4.1 降水量预测

根据研究区范围内及附近的降水量观测点资料，采用泰森多边形法确定区域降水量分布[5]。利用各降水量观测点1956—2016年60年降水量数据，采用支持向量回归法预报未来2017—2021年降水量情况。以前五年降水量推求后一年降水量，分别在各观测点得到55组训练样本，以前45组作为训练样本，后10组作为检验样本。在Matlab软件平台下运转编写的支持向量回归法计算代码，实测数据和计算数据对比情况如图2所示，对比表明计算结果达到了预期精度要求。

图2 观测点降水量预报图

4.2 地下水位变化趋势预测

根据观测点降水量预测数据，通过运转研究区地表水地下水水流耦合模拟模型，预测未来五年(2017—2021年)地下水观测井孔处地下水水位动态变化趋势。地下水水位预报结果如图3所示。

图3 观测点地下水动态变化趋势

从年际上看，各地下水观测孔地下水水位除个别情况均呈现一定的波动规律，在丰水期地下水水位升高，在枯水期地下水水位降低，符合一般水文规律。

4.3 地下水位安全风险分析

对地下水观测点水位埋深进行统计分析，设定在研究区内地下水位埋深若保持80%的安全保证率，相对应的风险为0.2。根据各地下水观测点水位统计结果，确定石佛寺站地下水水位埋深需要小于6.72m才能保证80%的观测点处于安全状态，其地下水水位埋深累积分布函数图如图4所示。

5 结语

以辽河沈阳区域为研究区建立了地表水地下水水流耦合模型，并应用HGS软件对其进行同步求解，综合划定辽河沈阳区域地下水水位安全风险限值为控制代表站水位埋深不大于6.72m以保证80%的观测点处于安全状态。在当今辽河流域全面推行河长制、实行最严格水资源管理制度的形势下，对地下水未来情势进行科学合理的分析预报，在合理开发利用地下水及维持河湖生态环境良好等方面均有着重大的现实意义。

图4 石佛寺站地下水水位埋深累积分布函数图