基于SWAT模型的济南市地下水资源评价

盖燕如,于莉,田亚男,冯在香,谭秀翠*

基于SWAT模型的济南市地下水资源评价

盖燕如1,于莉1,田亚男1,冯在香2,谭秀翠2*

1. 济南市水文中心, 山东 济南 250002 2. 山东农业大学水利与土木工程学院, 山东 泰安 271018

济南市地下水资源紧缺，合理开发利用地下水资源，对生态环境保护至关重要。本文采用分布式水文模型SWAT对济南市典型流域地下水分布规律进行分析，对地下水资源量进行评价。研究结果显示：2014～2018年，典型流域地下水补给量68.13 mm，地下水补给资源量2.74×108m3。降水是地下水补给的主要水源，不同时间尺度下，降水与地下水补给量均具有相关性，年尺度下，2达到0.95。2014～2018年，地下水补给资源量呈增加趋势，其中，特枯年0.40×108m3，枯水年1.44×108m3，平水年4.01×108m3。受地形与水文地质条件影响，地下水补给量与地下水补给资源量在空间上呈聚合分布。研究结果对于济南市地下水资源可持续开发利用具有指导意义。

SWAT模型; 地下水; 水资源评价

在气候变化与人类活动影响下，全球约2/3的地区面临水资源不足的问题，地下水作为可利用水资源，其作用越来越重要[1]，逐渐成为制约区域经济和生态环境可持续发展的重要因素。济南市是一个资源型缺水城市，随着经济发展，各行业用水量大幅增长，地下水作为主要供水水源，大量开发利用，导致地下水位下降，1976年济南市著名的趵突泉第一次出现了断流，泉水断流时间连续最长达到961 d[2]。为确保济南市地下水系统的可持续发展以及地下水资源的高效合理地利用，需要从流域水循环角度深入研究地下水资源问题，综合考虑自然与人为因素影响，全面了解地下水动态变化规律及地下水资源演化趋势，为济南市地下水资源的合理开发利用提供科学保障。

自然界中地下水系统非常复杂，含水介质非均质、各向异性，加之人类活动的强烈干扰，使其研究难度不断增大[3]。随着计算机技术的发展，数值模拟逐渐成为研究地下水运动规律的主要方法，

常用的地下水数值模拟软件有MODFLOW[4]、MT3DMS[5]、GMS[6]、Visual MODFLOW[7]和FEFLOW[8]等。从水循环系统考虑，地表水和地下水相互影响、制约，在建立地下水模型时，应综合考虑地表水和地下水的相互联系和转化过程。分布式水文模型作为重要的水文领域研究工具，其能够反映流域下垫面因素和气象因素的空间分异性，描述水循环时空变化过程，而被广泛应用[9]。赵良杰[10]等通过SWAT分布式水文模型评价珠江流域多年地下水资源量，在参数敏感性分析中，充分考虑地下水类型差异，提高了分布式水文模型在珠江流域的适用性。陈沛源[11]等采用SWAT模型计算分析泾河流域地下水分布特征并开展水资源评价，表明SWAT水文响应单元使得区域水资源的物理过程达到局部的均一化，能解决水文地质差异性导致的计算精度问题，进一步验证了SWAT模型在地下水资源评价中适用性。本文采用SWAT模型为研究方法，充分考虑气候及土地利用变化影响，从水循环角度出发，分析济南市地下水资源分布规律，计算地下水资源量，为济南市地下水资源的合理开发利用提供技术指导。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

济南市位于山东省中西部，黄河流域下游，南依泰山，北跨黄河，地势南高北低，共辖12个县级行政区，总面积10 244.45 km2。济南属温带季风气候，四季分明，年均降水量691.82mm，年均温度14.56 ℃（1951～2020年济南气象站数据）。根据济南市水文站点分布及资料详实情况，选定SWAT模型研究范围，其空间分布位置见图1，流域内分布有4个水文站，35个雨量站，3个气象站，流域面积4 022 km2。研究流域地貌类型如图2所示，松散岩类孔隙水主要分布在山间、山前冲洪积平原及黄河冲积平原地区，岩溶水主要分布在南部山区，以文祖断裂为界划分为济南—长清岩溶水系统和明水岩溶水系统。济南市泉域主要分布在山前倾斜平原与黄海冲积平原的交接地带，根据济南泉水的分布位置及汇流情况，划分为十大泉群，研究流域内分布有九个泉群。

图 1 流域概况图

图 2 流域地貌图

1.2 研究方法

1.2.1 空间自相关分析空间自相关分析（Global Moran's I，全局莫兰指数），根据要素位置和要素值来度量空间的聚集、离散或随机分布情况，计算公式如下所示。

1.2.2 SWAT模型SWAT（Soil and Water Assessment Tool）模型是美国农业部开发的分布式水文模型，具有很强物理机制，综合考虑土壤、植被、地表水及地下水等多种要素受气候变化和人类活动变化的影响，能够较好的模拟流域水循环过程[10]。SWAT模型中采用的水量平衡方程为：

式中，SW，土壤最终含水量，mm；SW，第天的土壤初始含水量，mm；，时间步长，；R，第天降水量，mm；Q，第天的地表径流，mm；E，第天的蒸散发量，mm；W，第天离开土壤坡面底部的渗透水流和旁通水流的水量，mm；Q，第天回归流的水量，mm。地下水模块中采用下式计算：

式中，Q，第天进入河道的地下水补给量，mm；Q1，第-1天进入河道的地下水补给量，mm；Δ，时间步长，d；w，第天蓄水层的补给流量，mm；α，基流的退水系数。补给流量由下式计算：

式中，w,i，第天蓄水层补给量，mm；，补给滞后时间，d；W，第天通过土壤剖面底部进入地下含水层的水分通量，mm/d；w,i-1，第-1天蓄水层补给量，mm。

SWAT模型的运行需要DEM、土壤图、土地利用图等空间数据，及土壤属性、气象、水文等属性数据，数据来源见表1。采用Arc SWAT将流域DEM划分为79个子流域。对土壤、土地利用数据进行重分类以匹配SWAT模型数据库，重分类后土壤类型及土地利用类型，见图3、图4。根据水文、气象数据资料的年限，确定SWAT模型率定期为2008-2013年，验证期为2014-2018年，采用纳什效率系数（ENS）与相关系数（2）对计算结果进行评价，验证模型适用性。

表 1 SWAT模型所需数据

图 3 流域土壤类型图

图 4 流域土地利用类型图

2 结果与分析

2.1 结果验证

研究流域内分布有黄台桥、崮山、卧虎山水库及北凤4个水文站，其中北凤站仅有2008年、2010年2年实测流量数据，且在SWAT模型的率定期内，无法反映校验结果，因此采用黄台桥、崮山、卧虎山水库3个水文站资料进行验证。由于黄台桥、卧虎山水库控制流域内受人为用、排、调水等过程干扰严重，不能反映天然水文情况，2个站点流量校验时采用天然径流量[13]。由图5可以看出，3个水文站模拟评价情况，E>0.5，2>0.7，表明SWAT模型在研究流域有较好的适用性。

图5 SWAT模型计算结果验证

2.2 结果分析

2014～2018年，流域平均降水量573.02 mm，蒸散发量412.87 mm，径流量163.69 mm，地下水补给量68.13 mm。由各要素时间分布可以看出，见图6，大部分降水量都被蒸散发消耗，占比达到70%，其余水量产生径流或补给。受降水量的周期性变化影响，径流量与地下水补给量也呈周期性变化，峰值分布与降水峰值基本对应。表明径流量、地下水补给量大小主要受降水量控制。由地下水补给量与降水量的相关分析可以看出，见图7，降水与地下水补给量具有明显的相关性，受降水入渗过程滞后影响，月尺度的相关系数较低，仅为0.48，而在年尺度下2达到0.95，降水量大小控制着地下水补给量，影响流域内地下水系统的动态与均衡。

图 6 水均衡要素时间分布

图 7 补给量与降水量相关分析

2.3 地下水资源评价

由SWAT模型输出的地下水补给量计算2014～2018年流域地下水补给资源量，如图8所示。2014-2018年流域平均地下水补给资源量2.74×108m3，呈增加趋势，与降水量有较高的相关性（2=0.95）。与2014～2018年山东省水资源公报中济南市数据比较，两者地下水补给资源量变化趋势基本一致，但SWAT模型计算结果偏低，主要是因为SWAT模型计算的流域面积仅占济南市总面积的40%，黄河以北的平原区及平阴县、莱芜区、钢城区并未考虑在内。

图 8 2014～2018年地下水补给资源量

根据济南气象站1951～2020年70年的降水量资料，通过频率分析选定典型年，特枯年份2014年（保证率95%），枯水年2017（保证率75%），平水年2016年（保证率50%），进行地下水资源量评价，计算结果见表2，平水年降水量为特枯年的1.9倍，而平水年产生的地下水补给资源量是特枯年的10.0倍。

表 2 不同典型年地下水资源量

2014～2018年地下水资源要素空间分布见图9，流域内北部地区地下水资源相对丰富，尤其在四大泉群位置，其与地形、水文地质条件密切相关。流域内地形南高北低，南部山区分布大面积的寒武-奥陶碳酸盐岩地层，接受大气降水和地表水的入渗补给后，地下水由南往北运动，受到断裂带阻挡，地下水汇集，随着水位上升涌出地面形成济南泉群。

图 9 2014-2018年地下水资源要素空间分布

图 10 2014～2018年地下水资源要素空间自相关分析

由地下水资源要素空间自相关分析可以看出，见图10，地下水补给量与地下水补给资源量显著性水平值均<0.05，临界值值均＞1.96，为显著正相关，两个要素在空间上均呈现聚合分布，表明地下水补给量与地下水补给资源量的大小与空间位置有较强的相关性。

3 讨论

SWAT模型具有很强物理基础，不仅能实现对流域水文过程进行长时段模拟，还可在资料缺乏的地区建模[14]。由于SWAT模型采用简单的线性方程来表达地下径流变化与潜水面埋深变化速率之间的关系[15]，因此采用SWAT模型进行地下水资源评价中，无法采用地下水位来校验模型，仍需要流量数据验证模型精度[16,17]，或者与其他地下水模型耦合，实现对地下水位的输出[18]。降水量是SWAT模型的主要输入数据，Tuo Y等[19]研究了4种不同降水数据对流域流量模拟的影响，表明降水是模型不确定性的主要来源；陈海涛等[20]研究表明基于气象站插值数据计算的径流和总氮模拟效果与基于雨量站实测降水数据的模拟效果较为接近；鲁洋等[21]研究显示，SWAT模拟时，采用小时降雨输入时对于峰值流量的模拟要明显优于日降雨输入。由于气象、水文资料有限，文中采用2008-2018年日尺度的气象、水文资料用于SWAT模型输入与校验，可在后续研究中补充气象、水文序列长度，采用小时尺度的数据进行计算，以进一步提高模型计算精度。

4 结论

文中采用SWAT模型研究济南市地下水资源分布特征，开展地下水资源评价，得到如下结论：

（1）2014-2018年，流域平均降水量573.02 mm，蒸散发量412.87 mm，径流量163.69 mm，地下水补给量68.13 mm；

（2）地下水补给量与降水量具有明显的相关性，月尺度2为0.48，年尺度2为0.95，降水是主要的补给水源；

（3）2014-2018年，流域平均地下水补给资源量2.74×108m3，呈增加趋势。由不同典型年地下水补给资源量评价结果显示，特枯年0.40×108m3，枯水年1.44×108m3，平水年4.01×108m3；

（4）受地形与水文地质条件影响，地下水补给量与地下水补给资源量在空间上呈聚合分布。

[1] 胡广录,张克海.地下水资源评价综述[J].水资源开发与管理,2020(11):34-39

[2] 王京晶,徐宗学,李鹏,等.济南市区地下水埋深动态变化及其成因[J].南水北调与水利科技(中英文),2021,19(5):883-893

[3] 吴义锋.济南市岩溶地下水数值模拟研究[D].合肥:合肥工业大学,2004

[4] Khadri SFR, Pande C. Ground water flow modeling for calibrating steady state using MODFLOW software: A case study of Mahesh River Basin, India [J]. Modeling Earth Systems & Environment, 2016,2(1):1-17

[5] Zong Y, Valocchi AJ, Lin Y. Coupling a borehole thermal model and MT3DMS to simulate dynamic ground source heat pump efficiency [J]. Ground Water, 2021,61(2):237-244

[6] Mohammed KS, Shabanlou S, Rajabi A,. Prediction of groundwater level fluctuations using artificial intelligence-based models and GMS [J]. Applied Water Science, 2022,13(2):1-14

[7] 郝晨西,董深,吕谋.基于Visual MODFLOW Flex的硝酸盐氮迁移转化特性研究[J].人民黄河,2022,44(11):78-81,87

[8] 刘玲,陈坚,牛浩博,等.基于FEFLOW的三维土壤-地下水耦合铬污染数值模拟研究[J].水文地质工程地质,2022,49(1):164-174

[9] 叶翔宇,李强,郭禹含,等.高性能并行分布式水文模型研究进展[J].地理科学进展,2022,41(4):731-740

[10] 赵良杰,王莹,周妍,等.基于SWAT模型的珠江流域地下水资源评价研究[J].地球科学,2022,47(10):1-19

[11] 陈沛源,李金文,俞巧,等.基于SWAT模型的泾河流域地下水分布特征与水资源评价[J].灌溉排水学报,2021,40(12):102-109,126

[12] 张扣扣,贺婧,钟艳霞,等.基于GIS对宁夏某铜银矿区周边土壤重金属来源解析[J].环境科学,2022,43(11):5192-5204

[13] 冯雷.气候变化背景下城市化对济南市水文要素的影响研究[D].北京:中国水利水电科学研究院,2020

[14] 傅笛,金鑫,金彦香,等.基于 SWAT-MODFLOW耦合模型的巴音河中游泽令沟盆地地表水−地下水转换关系研 究[J].地理科学,2022,42(6):1124-1132

[15] Jin X, He CS, Zhang LH,. A modified groundwater module in SWAT for improved streamflow simulation in a large, arid endorheic river watershed in northwest China [J]. Chinese Geographical Science, 2018,28(1):47-60

[16] 胡倩,王军霞,刘世强,等.基于SWAT模型的洞庭湖平原水资源量计算[J].安全与环境工程,2022,29(3):244-252

[17] Bwda B, Gka A, Kb C,. Groundwater recharge estimation and potential recharge mapping in the Afram Plains of Ghana using SWAT and remote sensing techniques [J]. Groundwater for Sustainable Development, 2022,17:1-14

[18] 郑丽,金鑫,金彦香,等.高寒内陆河流域植被覆盖增加对地下水补给的影响[J].生态学报,2023,43(1):140-152

[19] Tuo Y, Duan Z, Disse M,. Evaluation of precipitation input for SWAT modeling in Alpine catchment: A case study in the Adige river basin(Italy) [J]. The Science of the Total Environment, 2016,573:66-82

[20] 陈海涛,王晓燕,南哲,等.输入数据精度与准确性对SWAT模型模拟的影响[J].中国环境科学,2021,41(5):2151-2160

[21] 鲁洋,涂俊,高震国,等.降雨时间分辨率对SWAT水文模拟的影响[J].中国环境科学,2020,40(12):5383-5390

The Evaluation of Groundwater Resources in Jinan City Based on SWAT Model

GE Yan-ru1, YU Li1, TIAN Ya-nan1, FENG Zai-xiang2, TAN Xiu-cui2*

1.,250002,2.271018,

Jinan City is in short supply of groundwater resources. Rational development and utilization of groundwater resources is crucial to the protection of the ecological environment. In this paper, the distributed hydrological model SWAT is used to analyze the groundwater distribution, and to evaluate groundwater resources in typical watersheds of Jinan City. The research results show that: from 2014 to 2018, the groundwater recharge was 68.13mm, and the groundwater recharge resources were 2.74×108m3in a typical watershed. Precipitation is the main source of groundwater recharge. There is a correlation between precipitation and groundwater recharge at different time scales. On the annual scale, the correlation coefficient R2reaches 0.95. From 2014 to 2018, the groundwater recharge resources showed an increasing trend, of which the extreme drought year was 0.40 ×108m3, 1.44×108m3in dry years and 4.01×108m3in normal years. Affected by terrain and hydrogeological conditions, groundwater recharge and groundwater recharge resources are aggregated in space. The research results have guiding significance for the sustainable development and utilization of groundwater resources in Jinan City.

SWAT model; groundwater; water resources assessment

P345

A

1000-2324(2023)02-0285-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2023.02.018

2023-03-23

2023-04-08

山东省重点研发计划项目(2019GSF111043)

盖燕如(1985-),女,硕士研究生,工程师,主要从事水文水资源领域研究. E-mail:geyanru_1985@126.com

Author for correspondence.E-mail:tanxiucuiqq@163.com