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基于SWAT与Visual Modflow的海伦市水资源模拟与合理配置研究

田辉  
【摘要】:海伦市位于松嫩平原东北部,是我国重要的商品粮基地、贫困县和革命老区。1980年以来,随着人口增长和经济发展,地下水资源被高强度开发,生态地质环境受到了破坏,诸如水土污染、黑土流失等问题呈现出日益加重的变化趋势,已成为严重制约着经济社会的发展重要因素。海伦市地表水较为发育,近些年由于化肥、农药的使用、养殖及生活垃圾处理不当,导致地表水质量下降,影响了粮食安全与供水安全。因此,开展通肯河上游海伦地区水文、水资源研究工作,查明流域水资源数量与质量、水环境质量、及水生态相关的环境地质问题,提出水资源开发利用优化配置方案,为生态环境恢复与保护、饮水保障工程的实施提供科学依据。本研究以干旱-半干旱区典型农业区通肯河流域上游海伦市为研究对象,在分析研究区水文气象要素时、空分布特征的基础上,重点考虑气候变化和人类活动趋势下水资源的变化,构建通肯河流域上游地表水-地下水耦合模型,定量分析地表水与地下水的转化过程,计算流域生态环境需水量,构建基于水质、水量、生态需水量的水资源合理配置新模式,为流域水资源的高效开发利用与保护提供技术支撑。本次研究获得主要结果如下:(1)结合GIS(Geographical Information System)技术,利用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型实现通肯河流域上游海伦市地表径流过程的模拟。充分利用水文气象、土地利用、土壤数据,建立土壤属性数据库,以DEM数字高程模型为基础,利用ArcSWAT软件完成河网生成、子流域划分、流域边界的确定、水文响应单元生成,构建了流域地表水模型。利用2008年1月-2009年12月径流数据对模型校准,2010年1月-2016年12月径流值对模型验证。R~2为0.895,E_(NS)为0.87,表明模型能够真实反映研究区径流的实际变化趋势。(2)根据地表水循环与地下水补、径、排条件,构建了海伦市SWAT-Visual MODFLOW的耦合模型。通过深入分析通肯河流域水文地质资料,查明海伦市地下水赋存规律,利用Visual MODFLOW Flex6.1软件构建了研究区地下水数值模型。利用11个地下水长观井的水位数据对模型进行调参后,相关系数可达0.99,水位残差控制在0.84m,所建模型能够真实反映研究区地下水运动情况。运用ArcGIS软件,实现了SWAT与Visual MODFLOW最小计算单元之间数据的融合。(3)考虑气候变化的影响,利用SWAT模型实现了通肯河流域上游2030年地表径流的预测、预报。R/S法计算出的Hurst指数结果显示降雨在时间序列具有状态相反性。小波法分析显示年降水量存在4-5a、10-15a、17-23a、25-35a的变化周期,其中,4-5a的震荡明显,贯穿整个观测期。通肯河流域2010年-2030年平均径流量为3.1513×10~8m~3/a。其中,2017年-2030年平均径流量为3.2215×10~8m~3/a;2025年-2030年平均径流量为平均径流量为3.0552×10~8m~3/a。由于受气候变化,特别是降雨量的影响,地表径流量明显偏少。地表水水质分析结果显示,海伦市地表水水质在Ⅱ类至Ⅴ类不等,丰水期水质优良,枯水期水质不佳。(4)考虑气候变化和人类活动的影响,利用耦合模型实现了通肯河上游2025年和2030年地下水水量和水质的预测、预报。通肯河流域2025年地下水水资源流入总量为38430.85×10~4m~3,其中,地下水的储存量9368.82×10~4m~3,河流的渗漏(补给地下水)2252.30×10~4m~3,降雨的入渗补给量为26811.07×10~4m~3;地下水的开采量为13028.31×10~4m~3(农业灌溉10960.95×10~4m~3,集中开采量2067.36×10~4m~3),地下水的排泄量为6942.30×10~4m~3,蒸发量(潜水蒸发)为18462.06×10~4m~3。通肯河流域2030年地下水水资源流入总量为37609.60×10~4m~3,其中,地下水的储存量8272.36×10~4m~3,河流的渗漏(补给地下水)2281.61×10~4m~3,降雨的入渗补给量为27055.99×10~4m~3;地下水的开采量为12992.90×10~4m~3(农业灌溉10990.98×10~4m~3,集中供水2001.92×10~4m~3),地下水的排泄量为6468.53.30×10~4m~3,蒸发量(潜水蒸发)18149.26×10~4m~3。较2025年,地下水资源量变化不大,主要由于气象条件和人类开采量变化不大所致。根据农业区的特点,选择受人类活动影响较大的硝酸根(NO_3~-)、亚硝酸根(NO_2~-)、铵根(NH_4~+)、氯离子(Cl~-)四种典型离子,进行典型离子运移模拟。根据模拟结果,到2025年底,四种典型离子高浓度异常区域面积有不同程度的扩大,在剖面视图下,垂向方向运移明显,并且贯穿整个承压含水层,浓度范围的面积有所扩大。农业施肥水和生活污水渗漏,是区域地下水水质变化的主要诱因。(5)分析了影响通肯河流域上游海伦市生态环境需水量的因素,建立生态环境需水量计算模型框架。根据所建立的数学模型,对通肯河流域上游区海伦市生态环境需水量进行了分析与计算,得到了海伦市陆地生态环境需水量的数值为0.3431×10~8m~3;海伦市河流生态环境需水量的数值为1.8881×10~8m~3;海伦市湿地、水库生态环境需水量的数值为0.1211×10~8m~3;海伦市生态环境需水量的数值为2.3523×10~8m~3。所建数学模型简单、实用,能够满足通肯河流域生态环境需水量的定量分析与研究。(6)水资源合理配置研究:根据海伦市现有耕地面积、人口规模发展趋势、农业现代化发展、生态环境状况,以水资源可持续利用为目标,兼顾经济效益、社会效益、效率合理性、开发利用效率、生态环境效益等准则,利用灰色预测和多目标规划模型,对海伦市水资源进行合理配置研究。结果显示,基于SWAT-Visual Modflow Flex模型和灰色模型对流域水资源的预测结果,2025年水资源配置结果最优,其次为2020年水资源配置结果。


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