基于MIKE SHE的地下水“雙控”指標分析

趙琳琳，王海剛

(遼寧省遼陽水文局，遼寧 遼陽 11000)

水資源是社會經濟發展的基礎戰略資源，地下水作為重要組成部分，對人類生存及城市發展起著至關重要的作用。但由于地下水的不合理開采，地下水位下降，地下水漏斗形成，海水倒灌、地面沉降、地下水生態破壞等環境問題，災害隨之發生，因此在地下水開發利用的同時，對地下水的監管、保護及規劃利用等是重要且必要的。[1- 5]《水法》等法律法規對地下水開發做出明確規定，迫切需要對地下水開發實行總量控制和維持地下水合理水位。2012年《國務院關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》明確要求，實行地下水取用水總量控制和水位控制的“雙控”管理。謝新民等提出了關于地下水水位控制概念，提出紅、黃、藍水位控制區域劃分的原則。[6- 8]孫思宇對吉林市區進行地下水水位、水量雙重指標控制管理研究，提出與之適應的地下水管理方案[9]，方樟等對河南安陽市進行地下水控制水位研究[10]。

遼陽縣屬遼寧省遼陽市，地處遼東半島中部，東部為丘陵山區，西部為沿河平原，地勢平坦，溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量為735.3mm，多年平均蒸發量為508mm。遼陽縣平原區受地下水資源開采影響，地下水位下降、超采區形成，生態環境受到威脅。地下水“雙控”指標分析對水資源保護、地下水管理、生態恢復等具有重要意義，地下水管理研究亟待進行。

1 研究方法

1.1 基本原理

MIKE SHE是一種基于過程的聯合地表、地下模擬的多參數分布式水文模型，有植物截流、蒸散發、坡面漫流、河網匯流、包氣帶、飽和帶水流等，各模塊是獨立的，各系統彼此間間接或直接相互聯系，共同運行完成水文模擬。[11- 15]

MIKE SHE模型建立地下水三維運動，其主要物理過程數學化的偏微分方程為：

1.2 模型搭建

1.2.1離散

剖分為500m×500m計算柵格單元。

1.2.2邊界

東側為流量邊界，根據地下水流場，分為流量邊界(2- 3)和流量邊界(3- 4)；西側以行政邊界，即渾河為界，設給定水頭邊界(6- 1)；依據地下水流場，南側亦為流量邊界，根據與流場線的關系分東側零流量邊界(4- 5)，負(流出)流量邊界(5- 6)；北部為流量邊界(1- 2)，如圖1所示。

1.2.3參數

圖1 邊界條件示意

采用泰森多邊形法進行降雨分區，最大降雨強度入滲0.1mm/h，單位時間最大積水深度10mm；單位時間最大下滲10mm；坡面流子模塊中取曼寧系數M為50，均勻分布；地表初始積水深0m；農業土地利用為水田灌溉。水平滲透系數如圖2所示，其中垂向滲透系數為水平滲透系數的1/15。

圖2 滲透系數分布圖

1.3 識別驗證

2009—2012年為模型識別期，2013—2017為模型驗證期，擬合模型模擬水位與實測水位，建立效率系數(E)和相關系數(R)來進行分析模型模擬效果，通過反復參數調試得出：識別期，觀測平均誤差-0.09，相關系數0.83，模型效率系數-0.09；驗證期，觀測平均誤差-0.11，相關系數0.83，模型效率系數-0.38。從計算與實測水位擬合圖，如圖3所示，水位等值線趨勢基本一致，模型擬合效果好。因此模型參數合理可靠，模型擬合效果比較好。

2 雙控指標分析

2.1 取水總量指標分析

圖3 計算與實測水位擬合圖

圖4 2009—2017年水均衡量圖

從模型中提取2009—2017年水量平衡圖進行分析，如圖4所示。從圖4中看出2009—2017年水平衡誤差為-1mm，精度較好。飽和帶作為地下水的儲存區域是研究的重點。研究區面積772.34km2，總補給量Q總補為35.57億m3，總排泄量Q總排為33.20億m3，儲存量變化量ΔW為2.37億m3。Χ=Q總補-Q總排±ΔW=0。

多年平均地下水總補給量減去多年平均井灌回歸補給量即為多年平均地下水資源量。遼陽縣灌溉水利用系數為0.69，遼陽縣井灌回歸為90.5mm，多年平均地下水灌溉補給量為0.699億m3。研究區多年平均補給量為3.952億m3，研究區多年平均地下水資源量為3.253億m3。取可開采系數為0.9，研究區多年平均可開采量為2.928億m3。

從地下水資源保護及環境問題等因素綜合考慮出發，建立兩級取水總量控制指標，即禁采水量與限制水量。為了不引起地下水環境地質問題將地下水多年平均可開采量其定為研究區地下水總量控制的禁采水量；從最嚴格水資源管理制度出發，《遼寧省實行最嚴格水資源管理制度“十二五”指標分解表》遼陽縣地下用水量控制為1.90億m3，研究區為遼陽縣西部平原區，確定取水總量限制水量為水資源管理制度指標分解數，折算東部山區用水量，現狀限制指標為1.88億m3。

2.2 水位指標分析

研究區受土地利用類型、開發利用程度等影響，地下水水位差較大，從水資源管理、生態恢復出發，對研究區不同開采強度區域采用不同指標控制。研究區受地下水開采歷史影響，已形成地下水超采，故綜合考慮地下水動態、地下水開發利用程度及土地利用類型等，建立首山超采開采區、唐馬灌溉開采區及黃泥洼綜合開采區，如圖5—7所示。對不同分區建立二級水位控制指標。超采區包括限制開采水位和禁止開采水位；非超采區包括警示水位和警戒水位

根據前文對2009—2017年開采量及地下水均衡的分析，在根據分區面積大小，在建立的模型中分別選擇數個地點作為水位模擬站點進行模擬分析，如圖5—12所示。

圖5 首山超采開采區代表井動態水位曲線圖1

圖6 首山超采開采區代表井動態水位曲線圖2

圖7 首山超采開采區代表井動態水位曲線圖3

從圖5—7中可以看出2010年區域平均水位為歷年最低，從動態曲線看出水位趨勢為上升型，故將其最低水位算數平均值設定為區域限制開采水位，水位為4.53m，將最低水位值設定為區域禁止開采水位，水位為3.15m。

圖8 黃泥洼綜合開采區代表井動態水位曲線圖1

圖9 黃泥洼綜合開采區代表井動態水位曲線圖2

從圖8—9中可以看出2009年區域平均水位為歷年最低，從動態曲線看出水位趨勢為上升型，故將其最低水位算數平均值設定為區域警示水位，水位為7.65m，將最低水位值設定為區域禁止開采水位，水位為7.31m。

從圖10—12中可以看出2009年區域平均水位為歷年最低，從動態曲線看出水位趨勢2009—2013年為上升型，2014—2017為年下降型，故將其最低水位算數平均值設定為區域警示水位，水位為5.77m，將最低水位值設定為區域警戒開采水位，水位為5.13m。

圖10 唐馬灌溉開采區代表井動態水位曲線圖1

根據水平衡原理，計算保證率在25%豐水年、50%平水年和75%枯水年的降雨量分別為：750.5mm、621.4mm、546.9mm，計算地下水水位開采降深分別為：0.56m，0.76m，0.87m。

圖11 唐馬灌溉開采區代表井動態水位曲線圖2

圖12 唐馬灌溉開采區代表井動態水位曲線圖3

根據實際情況，遼陽縣地下水年際間變化遠大于水平衡方法計算的理論開采降深0.87m，無法將其降深作為臨界水位指標。

3 結語

采用MIKE SHE建立遼陽縣平原區地表水-地下水耦合水動力模型，通過模型對研究區進行水量平衡分析計算，結合遼陽縣“三條紅線”管理的控制指標，綜合分析確定了遼陽縣平原區現狀地下水取水總量控制指標為1.88億m3。

通過對研究區地下水流場、地下水開采特征及土地利用情況等綜合分析建立了地下水水位管理的分區，依據模型的模擬，對不同分區分析地下水動態變化情況，進而對不同分區提出地下水管理的超采中心區的限采水位及禁采水位、其它地區的警示水位、警戒水位、禁采水位。

研究區地下水“雙控”指標分別為：地下水開采量限制開采指標為1.88億m3，地下水禁止開采量指標為2.928億m3；首山水源地集中開采區限制開采水位為4.53m、禁止開采水位為3.15m，黃泥洼開采區限制開采水位為7.65m，唐馬寨開采區警示水位為5.77m、