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基于SWAT-MODFLOW的多尺度干旱时段水资源优化配置

康燕楠  
【摘要】:我国位于西北干旱半干旱地区的大型灌区,地表水源难以满足农业发展的需求,地下水成为主要的灌溉补充水源,由于不合理的开采导致地下水明显减少且长期得不到恢复和补充。当干旱持续发生,来源于降水的自然补给量减少,水资源供需矛盾更加突出,农业用水往往得不到满足,对农业生产产生巨大的影响,致使粮食减产甚至绝收,严重影响当地的经济社会发展。为此,对区域内有限的水资源进行合理配置是解决以上问题的有效途径之一,可使水资源发挥最大效益。陕西省泾惠渠灌区是一典型的渠井结合灌区,气象干旱发生初期可以利用泾河引水灌溉来应对旱灾,干旱持续发生可以利用地下水作为应急抗旱的水源缓解干旱带来的不利影响。因此,本研究选择泾河张家山上游流域和泾惠渠灌区作为研究区,分别构建地表水SWAT模型和地下水MODFLOW模型,在此基础上构建地表水和地下水联合利用构建多目标模拟优化模型,在干旱时段对有限的地表水和可以用来抗旱应急的地下水进行合理配置,以科学有效地缓解干旱时段的供需水矛盾,降低干旱带来不利的经济社会影响,为灌区水资源可持续高效安全利用提供技术支撑。主要获得如下结论:(1)泾惠渠灌区降雨、气温、蒸发的年内和年际变化指出,灌区降水呈下降趋势,气温和蒸发呈上升趋势,60%的降水量、53%的蒸发量集中在汛期6-9月,且温度均在19℃以上。泾河地表水和灌区地下水的年际变化指出,上游泾河流域的年径流量、渠首农灌引水量以及地下水可开采量呈下降趋势,若按目前水资源的开发利用情况发展,水资源会持续短缺,致使部分区域地下水位持续下降。采用SPI指数反映干旱情况,表明灌区长期处于干旱的威胁中,且影响逐年加大。(2)在泾河流域采用SWAT构建了分布式产流产沙模型,对各参数进行敏感性分析,并选取决定系数(R~2)、纳什系数(NSE)以及偏差系数(PBIAS)评价模型的精度。结果表明,月径流模拟率定期的R~2=0.89、NSE=0.89、PBIAS=1.3,验证期的R~2=0.88、NSE=0.85、PBIAS=2.5,日径流模拟率定期的R~2=0.63、NSE=0.63、PBIAS=3.3,验证期的R~2=0.61、NSE=0.58、PBIAS=12.8,该径流模型适用于泾河流域,能够描述该研究区内的产流过程。此外对泥沙进行模拟,月泥沙模拟率定期的R~2=0.80、NSE=0.77、PBIAS=-33.7,验证期的R~2=0.87、NSE=0.86、PBIAS=-26.9,该泥沙模型适用于泾河流域,能够描述该研究区内的产沙过程。(3)在泾惠渠灌区采用GMS的MODFLOW构建了地下水流模型,并对模型的适用性进行检验。结果表明所建模型模拟精度较好,对地下水位的动态变化拟合较好,能够描述灌区地下水位的变化情况。最后将泾惠渠灌区的MODFLOW模型导入Python版本的MODFLOW模型Fol Py中,通过FloPy编程修改子程序WEL模块,使得后续水资源配置更加符合灌区的实际情况。(4)以作物产量最大、地下水平均累计降深最小和经济效益最大为目标,基于Fol Py和多目标优化框架Pymoo中的多目标遗传算法NSGA-Ⅲ构建灌区水资源模拟优化耦合模型,实现优化算法与模拟模型之间数据动态交换。构建的多目标耦合模拟优化模型适用于解决多目标、多约束的水资源优化配置问题,能够根据不同决策者的需求而提供方案,即在干旱时段满足作物产量最大时,优先考虑冬小麦的灌溉用水,渠井用水比例为0.9;满足地下水平均累计降深最小时,优先考虑果树的灌溉用水,渠井用水比例为1.26;满足经济效益最大时,优先考虑夏玉米和果树的灌溉用水,渠井用水比例为1.07。(5)根据设定的两种变化环境情景数据(A2和B2),FloPy调用SWAT模型计算引泾河的地表水量,再与Pymoo耦合计算2020s时期干旱年份各区域水资源分配情况和地下水位的变化。结果表明,2020s时期两种情景下的地下水位均有所下降,A2情景平均下降幅度大于B2情景,且地下水位下降幅度由西北向东南逐渐递减。A2情景下各观测井地下水位下降幅度最小为3.98m、2.69m、4.03m、0.65m,均为方案二;地下水位下降幅度最大为8.37m(1号观测井的方案一)、11.36m(2号观测井的方案一)、4.47m(3号观测井的方案三)、5.06m(4号观测井的方案三);B2情景下各观测井地下水位下降幅度最小为6.48m、1.87m、4.12m、0.74m,均为方案二;地下水位下降幅度最大为7.95m(1号观测井的方案一)、8.85m(2号观测井的方案三)、4.53m(3号观测井的方案三)、4.84m(4号观测井的方案三)。由于A2情景的可引地表水量小于B2情景,故A2情景中三个方案的渠井比例均小于B2情景。最后对两种情景下有限的水资源进行合理配置后,产量与2013年相比,A2中的三个方案每亩分别下降0.73%,9.28%、0.49%,B2中的三个方案每亩分别下降1.26%、0.88%、1.21%;A2中的三个方案的经济效益相比2013年,每亩分别下降2.34%、9.83%、0.25%,B2中的三个方案每亩分别下降1.17%、1.13%、1.02%。


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