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

(淮南壽縣水務局，安徽 淮南 232000)

1 研究背景

水資源是居民賴以生存的物質基礎，城市經濟的發展和居民日常生活保障離不開水資源的正常提供[1-2]。但由于經濟的快速發展，導致在發展的同時忽略了對環境的保護，對水資源的影響同樣十分巨大。水資源問題日益嚴峻，水質污染、地區水分布不平衡、洪水旱澇等，也越來越成為限制我國經濟發展的重要因素[3-4]。為解決水資源存在的問題，目前急需找出合理的措施解決水資源的供需平衡問題，提高水資源的科學管理水平，因此，關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[5]。

關于地下水、地表水、灌溉水等多種水資源聯合調配關鍵技術的研究，是解決水資源供需平衡問題和水資源短缺問題的關鍵，同時也是提高水資源利用率的關鍵[6]。MIKE-BASIN模型在2003年由丹麥水利研究院提出，該模型可基于區域DEM數據對當地水資源進行優化配置，可有效解決水資源供需平衡問題[7]。截至目前，Larsen等[8]在湄公河支流，肖志遠等[9]在漢江流域均在MIKE-BASIN模型應用方面取得了一定的研究進展，指出了該模型應用的科學性與合理性。

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，是國家歷史文化名城。壽縣共有25個鄉鎮，總人數超過140萬。壽縣處于北亞熱帶與暖溫帶的過渡地帶，年平均降水885.9mm，年平均日照2337.2 h，年平均氣溫14.9℃，屬于淮河流域以農業為主的大縣。該地區農業產值較高，主要種植小麥、水稻、油菜等經濟作物，是國家第一批商品糧基地縣，因此，水資源是影響當地經濟發展的主要因素之一[10]。本文基于MIKE-BASIN模型對壽縣開展水資源平衡模擬研究分析，為提高當地水資源優化配置水平提高理論依據。

2 MIKE-BASIN模型構建

本研究通過耦合MIKE-BASIN與NAM降雨徑流模型實現壽縣水資源模擬。MIKE-BASIN是對流域進行單元格劃分、提取水資源空間分布結構、供需參數和模型率定驗證的前提條件。NAM模型根據圖1所示過程對水資源循環過程進行模擬，方便MIKE-BASIN模型進行水資源分配計算。

2.1 NAM模型計算原理

NAM模型計算主要分為4個部分，具體計算過程如下。

圖1 NAM模型模擬水資源循環過程示意圖

2.1.1坡面流量計算

(1)

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

2.1.2壤中流計算

(2)

式中，QIF—壤中流量；TIF—壤中流根區臨界值，取值0～1；CKIF—壤中流時間常數；U—地表儲水層水量。

2.1.3基流量計算

(3)

式中，G—基流量；TG—地下水補給臨界值，取值0～1。

2.1.4蒸發量計算

(4)

式中，Ep—潛在蒸發量。

2.2 模型構建及計算流域劃分

本研究結合壽縣的實際情況，將區域劃分10個計算單位，且各主要分區和參數特征見表1。本文結合供水節點和用水節點的關系，同時結合NAM模型中的4個變量，構建適用于壽縣的水資源配置模型。

表1 計算流域參數取值

3 模型模擬結果分析

3.1 模型參數率定結果及驗證

為得出水資源平衡計算的結果，必須找出模型合理的參數取值范圍，本文通過調參手段，找出了NAM模型的最優參數取值，結果見表2。根據NAM模型參數取值情況，結合MIKE-BASIN模型基本原理，模擬出徑流量與實測流量的關系，結果如圖2所示。

表2 NAM模型參數取值

由圖2可知，以該模型進行模擬的結果與實測值表現出了較高的擬合精度，在3個水庫中，模擬值與實測值的變化趨勢基本一致，在安豐塘水庫，模擬值與實測值的相對誤差僅為2.1%，而模型效率系數Ens為0.893，決定系數R2為0.901，且與實測值的相關性通過了極顯著水平(P<0.01)，大井水庫的3個指標分別為1.6%、0.913和0.934，花果水庫的3個指標分別為3.4%、0.873和0.884，且Ens和R2通過了極顯著水平(P<0.01)，表明該模型具有一定的合理性和科學性。

3.2 地下水滲流模擬

圖3為壽縣地下水滲流流場及3個水庫的地下水入滲率模擬結果。由圖3可知，當地東部地下水水頭較高，西部水頭較低，不同區域的水分下滲率隨時間的增長出現了先降低后平穩的趨勢，與實際情況相符。

3.3 模型水庫下泄流量模擬

圖4為壽縣3個水庫下泄流量、流入流量和流出流量的模型模擬結果。由圖5可知，根據不同水庫的不同運行過程，模型模擬出了在各個時間段內不同水庫的下泄水量、流入流量和流出流量等變化情況，用模型模擬出的結果變化趨勢符合當地的實際情況，進一步反映出了本文MIKE-BASIN模型和NAM模型所選的參數以及結構特征具有較強的可信度和可適用性，此模擬結果可為壽縣不同水庫的聯合調度和水資源的優化配置提供科學依據和參考。

圖2 模型模擬結果分析

圖3 模型模擬壽縣地下水滲流流場及水庫土壤下滲率比較

圖4 3個水庫下泄流量、流入流量和流出流量模擬結果

表3 水資源優化配置結果 單位:m3

表4 較常規調度的節水量 單位:m3

3.4 水資源優化配置結果

表3為基于該模型的水資源優化配置結果，表4為基于該模型進行優化配置與常規調度結果的節水量。由表3—4可以看出，MIKE-BASIN模型模擬的水資源優化配置方案，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 結論

基于MIKE-BASIN模型對壽縣水資源進行模擬和管理，首先模擬了壽縣地下水滲流流場情況，指出了當地地下水水頭呈現東高西低的現象，同時對當地3個水庫下泄流量進行了模擬，指出模擬出的水庫下泄流量、流入流量和流出流量與實際情況相符，證明了該模型的模擬精度較高，同時以該模型進行的水資源配置，較常規調度大幅度節約了用水，表明了該模型的合理性。

基于該模型可為水資源優化配置及水資源模擬提供一定的科學依據，同時本文主要計算模擬了壽縣3個水庫的徑流量、下泄流量、流入流量和流出流量，在今后的研究中可針對壽縣流量的空間分布特征，進一步研究該模型的合理性。