基于HydroGeoSphere的遼河沈陽區域地下水安全風險分析

王世界

(遼寧省沈陽水文局，遼寧 沈陽 110043)

遼河在遼寧省內流域面積40988km2，河長554km，干流縱貫遼寧省的遼北康法丘陵區與下遼河平原區，其河谷開闊，地勢平坦，河道迂回曲折，河道比降小。遼河沈陽區域內的石佛寺水庫是遼河干流上唯一的調蓄控制性水庫，該區域地表水地下水交互密切，將地表水、地下水看作統一整體，應用HydroGeoSphere(HGS)軟件建立研究區地表水地下水水流耦合模擬模型。采取支持向量回歸方法預測研究區2017—2021年降水量，通過運轉模型，模擬預報未來研究區地下水水位，根據預報結果對地下水水位進行風險評估，進而劃定地下水水位安全風險限值，為今后地下水資源的管理與保護提供相關的科學支撐。

1 研究區概況

通過水文站匯水區及ArcGIS高程數據確定遼河沈陽區域匯水區為研究區，區內河段從上游開原市至下游新民市新立屯村附近，地跨鐵嶺縣、調兵山市、沈北新區、法庫縣和新民市等區域。研究區位于遼河河谷平原區，面積約為2552km2，研究區地理位置如圖1所示。

圖1 研究區地理位置圖

研究區四季變化明顯，降水量年內分配不均，一般6月份進入雨季，7—8月份為降雨高峰期，冬季寒冷雨少。地勢北高南低，地表高程為27～499m，區內地貌類型可以劃分為山前沖洪積平原和沖洪積河谷階地，地表巖性主要為亞黏土、淤泥質亞黏土、亞砂土和砂礫石。地下水較為豐富，廣泛分布有第四系松散巖類孔隙水，含水層巖性以礫卵石、砂礫石為主，其巖石滲透性好，地下水水力梯度大，徑流條件較好。地下水的補給來源主要為大氣降水入滲補給及河道滲漏補給，排泄方式主要為人工開采、潛水蒸發和側向徑流排泄。

2 理論與方法

HGS技術系統(軟件)是由加拿大Waterloo大學、Laval大學及Hydrogeologic公司聯合研制開發的。它能夠在流域尺度上，同時對地表水和地下水進行耦合數學模擬[1]。

將研究區地下水邊界條件、含水層結構、含水層水利特征及源匯項等進行概化，建立研究區地下水概念模型。將研究區地表水邊界條件、土地利用類型、源匯項等進行概化，建立研究區地表水概念模型[2]。根據建立的地表水地下水概念模型，分別建立地表水、地下水水流數學模擬模型。數學模型主要包括兩部分：一是描述水流運動規律的偏微分方程；二是反應系統邊界條件和初始條件的定解條件。

采用雙重節點方式耦合地表水模型與地下水模型。它將平面二維地表水模型疊置在地下水模型的頂部，對地下水、地表水模型進行相同的空間和時間離散[3]。表層的地表水模型節點與地下水模型頂部節點具有完全一致的空間坐標，即耦合模型表層的節點同時具有地表水和地下水屬性，每個地表水節點與相應的地下水節點進行水力聯系。

通過達西流關系來描述兩者之間的水流交換，數學表達式為：

dQSG=KroKso(h-hs)

(1)

式中，d—地表水與地下水的耦合長度；QSG—地下水與地表水交換通量；KrO—上游節點的相對滲透率；KSO—地下水表層介質的滲透系數；h—地下水水頭；hs—地表水水頭[4]。

3 模型建立

當地表水地下水耦合模擬模型模擬計算結果與實際監測結果滿足如下條件時，認為所建模型符合研究區實際情況：①模擬地下水水位同實際觀測水位的絕對誤差小于0.5m的地下水觀測井數量占總數量的75%以上；②觀測點河流月平均流量的模擬結果與實際檢測值之間的相對誤差要小于20%。

3.1 模型校正

模型模擬期的初始流場采用2014年1月1日研究區地表水水深和地下水流場，將模擬期內各源匯項輸入模型后，運行至2015年12月31日。統計13個地下水水位觀測點水位計算結果，將2014年12月31日和2015年12月31日模型計算水位與實測水位進行對比，結果見表1。

對校正期觀測點地表水計算出的流量與實測流量誤差進行統計，統計表明觀測點河流月平均流量的模擬結果與實際檢測值之間的相對誤差小于20%，見表2。

表1 校正期研究區觀測井地下水水位

表2 校正期地表水觀測點(馬虎山水文站)月平均流量 單位：m3/s

綜上所述，所建立的地表水地下水耦合模擬模型符合研究區實際，反映研究區地表水和地下水系統的動態變化特征，可以將此時校正后的參數作為模型參數。

3.2 模型檢驗

設定模型檢驗模擬期為2016年1月1日到2016年12月31日，利用2016年12月31日的研究區實際數據對校正后的非穩定流模型進行檢驗，將模擬結果同2016年12月31日研究區地表水和地下水觀測數據進行對比分析，得到檢驗期末觀測井地下水水位見表3，河流月平均流量見表4。

表3 檢驗期研究區內觀測井地下水水位

表4 檢驗期地表水觀測點(馬虎山水文站)月平均流量 單位：m3/s

校正后的非穩定流模型計算出的月平均流量同實測值的相對誤差多小于20%，同時研究區內計算水位同實際觀測水位之間絕對誤差小于0.5m的觀測井數占總數的80%以上。由此可知，模型的檢驗結果滿足誤差要求，所建立的地表水地下水水流耦合模擬模型能夠反映研究區的實際情況。

4 模擬預報及地下水位風險分析

4.1 降水量預測

根據研究區范圍內及附近的降水量觀測點資料，采用泰森多邊形法確定區域降水量分布[5]。利用各降水量觀測點1956—2016年60年降水量數據，采用支持向量回歸法預報未來2017—2021年降水量情況。以前五年降水量推求后一年降水量，分別在各觀測點得到55組訓練樣本，以前45組作為訓練樣本，后10組作為檢驗樣本。在Matlab軟件平臺下運轉編寫的支持向量回歸法計算代碼，實測數據和計算數據對比情況如圖2所示，對比表明計算結果達到了預期精度要求。

圖2 觀測點降水量預報圖

4.2 地下水位變化趨勢預測

根據觀測點降水量預測數據，通過運轉研究區地表水地下水水流耦合模擬模型，預測未來五年(2017—2021年)地下水觀測井孔處地下水水位動態變化趨勢。地下水水位預報結果如圖3所示。

圖3 觀測點地下水動態變化趨勢

從年際上看，各地下水觀測孔地下水水位除個別情況均呈現一定的波動規律，在豐水期地下水水位升高，在枯水期地下水水位降低，符合一般水文規律。

4.3 地下水位安全風險分析

對地下水觀測點水位埋深進行統計分析，設定在研究區內地下水位埋深若保持80%的安全保證率，相對應的風險為0.2。根據各地下水觀測點水位統計結果，確定石佛寺站地下水水位埋深需要小于6.72m才能保證80%的觀測點處于安全狀態，其地下水水位埋深累積分布函數圖如圖4所示。

5 結語

以遼河沈陽區域為研究區建立了地表水地下水水流耦合模型，并應用HGS軟件對其進行同步求解，綜合劃定遼河沈陽區域地下水水位安全風險限值為控制代表站水位埋深不大于6.72m以保證80%的觀測點處于安全狀態。在當今遼河流域全面推行河長制、實行最嚴格水資源管理制度的形勢下，對地下水未來情勢進行科學合理的分析預報，在合理開發利用地下水及維持河湖生態環境良好等方面均有著重大的現實意義。

圖4 石佛寺站地下水水位埋深累積分布函數圖