基于MIKE-BASIN模型的寿县地下水渗流模拟及水资源平衡配置研究

刘 波

(淮南寿县水务局，安徽 淮南 232000)

1 研究背景

水资源是居民赖以生存的物质基础，城市经济的发展和居民日常生活保障离不开水资源的正常提供[1-2]。但由于经济的快速发展，导致在发展的同时忽略了对环境的保护，对水资源的影响同样十分巨大。水资源问题日益严峻，水质污染、地区水分布不平衡、洪水旱涝等，也越来越成为限制我国经济发展的重要因素[3-4]。为解决水资源存在的问题，目前急需找出合理的措施解决水资源的供需平衡问题，提高水资源的科学管理水平，因此，关于水资源供需平衡模拟的研究已成为了水文水资源管理部门研究的热点[5]。

关于地下水、地表水、灌溉水等多种水资源联合调配关键技术的研究，是解决水资源供需平衡问题和水资源短缺问题的关键，同时也是提高水资源利用率的关键[6]。MIKE-BASIN模型在2003年由丹麦水利研究院提出，该模型可基于区域DEM数据对当地水资源进行优化配置，可有效解决水资源供需平衡问题[7]。截至目前，Larsen等[8]在湄公河支流，肖志远等[9]在汉江流域均在MIKE-BASIN模型应用方面取得了一定的研究进展，指出了该模型应用的科学性与合理性。

寿县处于31°54′N～32°40′N、116°28′E～117°04′E之间，位于安徽省中部，隶属淮南市、淮河中游南岸，是国家历史文化名城。寿县共有25个乡镇，总人数超过140万。寿县处于北亚热带与暖温带的过渡地带，年平均降水885.9mm，年平均日照2337.2 h，年平均气温14.9℃，属于淮河流域以农业为主的大县。该地区农业产值较高，主要种植小麦、水稻、油菜等经济作物，是国家第一批商品粮基地县，因此，水资源是影响当地经济发展的主要因素之一[10]。本文基于MIKE-BASIN模型对寿县开展水资源平衡模拟研究分析，为提高当地水资源优化配置水平提高理论依据。

2 MIKE-BASIN模型构建

本研究通过耦合MIKE-BASIN与NAM降雨径流模型实现寿县水资源模拟。MIKE-BASIN是对流域进行单元格划分、提取水资源空间分布结构、供需参数和模型率定验证的前提条件。NAM模型根据图1所示过程对水资源循环过程进行模拟，方便MIKE-BASIN模型进行水资源分配计算。

2.1 NAM模型计算原理

NAM模型计算主要分为4个部分，具体计算过程如下。

图1 NAM模型模拟水资源循环过程示意图

2.1.1坡面流量计算

(1)

式中，QOF—坡面流量；CQOF—坡面径流系数，取值0～1；TOF—坡面流根区临界值，取值0～1；L/Lmax—相对含水率；PN—降水-地表储水层储水量。

2.1.2壤中流计算

(2)

式中，QIF—壤中流量；TIF—壤中流根区临界值，取值0～1；CKIF—壤中流时间常数；U—地表储水层水量。

2.1.3基流量计算

(3)

式中，G—基流量；TG—地下水补给临界值，取值0～1。

2.1.4蒸发量计算

(4)

式中，Ep—潜在蒸发量。

2.2 模型构建及计算流域划分

本研究结合寿县的实际情况，将区域划分10个计算单位，且各主要分区和参数特征见表1。本文结合供水节点和用水节点的关系，同时结合NAM模型中的4个变量，构建适用于寿县的水资源配置模型。

表1 计算流域参数取值

3 模型模拟结果分析

3.1 模型参数率定结果及验证

为得出水资源平衡计算的结果，必须找出模型合理的参数取值范围，本文通过调参手段，找出了NAM模型的最优参数取值，结果见表2。根据NAM模型参数取值情况，结合MIKE-BASIN模型基本原理，模拟出径流量与实测流量的关系，结果如图2所示。

表2 NAM模型参数取值

由图2可知，以该模型进行模拟的结果与实测值表现出了较高的拟合精度，在3个水库中，模拟值与实测值的变化趋势基本一致，在安丰塘水库，模拟值与实测值的相对误差仅为2.1%，而模型效率系数Ens为0.893，决定系数R2为0.901，且与实测值的相关性通过了极显著水平(P<0.01)，大井水库的3个指标分别为1.6%、0.913和0.934，花果水库的3个指标分别为3.4%、0.873和0.884，且Ens和R2通过了极显著水平(P<0.01)，表明该模型具有一定的合理性和科学性。

3.2 地下水渗流模拟

图3为寿县地下水渗流流场及3个水库的地下水入渗率模拟结果。由图3可知，当地东部地下水水头较高，西部水头较低，不同区域的水分下渗率随时间的增长出现了先降低后平稳的趋势，与实际情况相符。

3.3 模型水库下泄流量模拟

图4为寿县3个水库下泄流量、流入流量和流出流量的模型模拟结果。由图5可知，根据不同水库的不同运行过程，模型模拟出了在各个时间段内不同水库的下泄水量、流入流量和流出流量等变化情况，用模型模拟出的结果变化趋势符合当地的实际情况，进一步反映出了本文MIKE-BASIN模型和NAM模型所选的参数以及结构特征具有较强的可信度和可适用性，此模拟结果可为寿县不同水库的联合调度和水资源的优化配置提供科学依据和参考。

图2 模型模拟结果分析

图3 模型模拟寿县地下水渗流流场及水库土壤下渗率比较

图4 3个水库下泄流量、流入流量和流出流量模拟结果

表3 水资源优化配置结果 单位:m3

表4 较常规调度的节水量 单位:m3

3.4 水资源优化配置结果

表3为基于该模型的水资源优化配置结果，表4为基于该模型进行优化配置与常规调度结果的节水量。由表3—4可以看出，MIKE-BASIN模型模拟的水资源优化配置方案，较原方案在不同水平年的用水量均有一定的减少，在一定程度上缓解了用水压力。

4 结论

基于MIKE-BASIN模型对寿县水资源进行模拟和管理，首先模拟了寿县地下水渗流流场情况，指出了当地地下水水头呈现东高西低的现象，同时对当地3个水库下泄流量进行了模拟，指出模拟出的水库下泄流量、流入流量和流出流量与实际情况相符，证明了该模型的模拟精度较高，同时以该模型进行的水资源配置，较常规调度大幅度节约了用水，表明了该模型的合理性。

基于该模型可为水资源优化配置及水资源模拟提供一定的科学依据，同时本文主要计算模拟了寿县3个水库的径流量、下泄流量、流入流量和流出流量，在今后的研究中可针对寿县流量的空间分布特征，进一步研究该模型的合理性。