地下水開采對(duì)海河流域水循環(huán)過程影響的模擬

姜姍姍 占車生 王會(huì)肖 富可榮 王飛宇

摘要：利用分布式時(shí)變?cè)鲆嫠哪Ｐ停―TVGM）的產(chǎn)流機(jī)制改進(jìn)CLM3.5（Community Land Model version 3.5）的水文過程參數(shù)化，同時(shí)嵌入地下水開采對(duì)流域水循環(huán)影響的模塊，并考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水，建立能夠描述流域自然-人文過程的大尺度陸地水循環(huán)模型（CLM-DTVGM）。以地下水開采嚴(yán)重的海河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以中科院青藏高原研究所建立的中國區(qū)域高時(shí)空分辨率地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集作為大氣強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)，針對(duì)海河流域1980年-2010年的水循環(huán)過程進(jìn)行模擬，分析地下水開采活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)過程的影響。結(jié)果表明：地下水開采活動(dòng)引起海河流域地表徑流和土壤濕度整體有所減少，蒸散發(fā)則呈增加趨勢，且各水循環(huán)要素空間分異較大。

關(guān)鍵詞：海河流域；陸面過程；地下水開采；水循環(huán)；模擬研究

中圖分類號(hào)：P641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2016）04-0054-06

Abstract：By improving the hydrological parameterization schemes of the land surface model （CLM3.5） using the Distributed Time Variant Gain Model（DTVGM） which was developed independently，embedding a module which reflects the impact of groundwater exploitation on water cycle process，considering domestic water，industrial water and ecological water，a large-scale land water cycle model was developed which could describe the nature and human process of a basin.The Haihe River Basin where groundwater is extracted seriously was chosen as the study area，using high spatial and temporal resolution meteorological element data sets of China established by the Institute of Tibetan Plateau as atmospheric forcing drivers，this paper conducted simulation test for the water cycle process in 1980-2010 in the Haihe River Basin， and analyzed the impacts of groundwater exploitation activities on the water cycle process.The results showed that：groundwater exploitation caused the decrease in runoff and soil moisture in the overall basin；the evapotranspiration in the overall basin increased， and the spatial variation of water cycle elements was large.

Key words：the Haihe River Basin；land surface processes；groundwater exploitation；water cycle；simulation

近年來，人類對(duì)水資源的開發(fā)利用日趨廣泛，極大地?cái)_亂了自然水循環(huán)過程。尤其在地表水資源量無法滿足用水需求或地表水污染嚴(yán)重的地區(qū)，持續(xù)開采地下水不但會(huì)造成地面沉降、濕地減少、海水入侵以及地下水污染，而且會(huì)導(dǎo)致陸地水資源的枯竭[1-2]，同時(shí)由于更多的水分被抽取至地表，引起局地土壤濕度和地面溫度的變化，進(jìn)而影響水循環(huán)過程[3-7]。因此，考慮地下水開采活動(dòng)對(duì)流域水循環(huán)影響研究是十分必要的。

已有很多學(xué)者就地下水開采活動(dòng)對(duì)水循環(huán)的影響進(jìn)行了研究探索：束龍倉和Xunhong Chen以內(nèi)布拉斯加州普拉特河谷為例，采用Visual MODFLOW研究了地下水開采對(duì)河流流量衰減的影響，認(rèn)為地下水位高出河水位的值越大，抽水對(duì)河流基流量減少的影響越明顯，對(duì)河流滲漏增加的影響微弱[8]；賈仰文等綜合考慮水文氣象、地下水開采、南水北調(diào)等因素的影響，建立了海河流域二元水循環(huán)模型，得出不同規(guī)劃水平年水資源管理推薦方案[9-10]；王中根等針對(duì)海河流域的地下水超采問題，利用較為成熟的流域地表水模型SWAT與地下水模型MODFLOW構(gòu)建了海河流域地表水與地下水耦合模型，用于評(píng)估地下水開采對(duì)流域水資源的影響[11]。這些模型主要基于水量平衡，側(cè)重于對(duì)降雨徑流和水分收支的模擬與計(jì)算，缺乏對(duì)能量平衡的考慮，無法表達(dá)陸氣界面的水氣能量交換過程[12]。雖然水文模型研究在耦合社會(huì)經(jīng)濟(jì)水循環(huán)、嵌入人類活動(dòng)模塊方面有了一定進(jìn)展，但是為了適應(yīng)全球氣候變化研究，水文模型還需要從大尺度和高精度模擬方向進(jìn)行新的突破[13]。陸面過程模式作為水文模型和氣候模型聯(lián)系的橋梁，可以作為大尺度水文模型發(fā)展的基礎(chǔ)。耦合陸面過程模式和水文模型可以保留水文模型的水量平衡模擬方法，尤其是產(chǎn)匯流過程等，而能量平衡、植被作用等采用陸面模式參數(shù)化方案進(jìn)行描述，以此改善陸面模式對(duì)水文過程描述的不足，提高模式模擬預(yù)報(bào)的精度。

由于受到地下水農(nóng)業(yè)灌溉、河道取用水等高強(qiáng)度人為活動(dòng)的影響，海河流域地表產(chǎn)匯流非線性特征明顯，水文過程模擬的不確定性較大。夏軍等[14]結(jié)合水文非線性系統(tǒng)方法與分布式流域水文模擬技術(shù)自主研發(fā)了一種分布式時(shí)變?cè)鲆嫠哪Ｐ停―TVGM），其特點(diǎn)在于能模擬人類活動(dòng)影響下的降雨、徑流等水文變量之間非線性關(guān)系[15]，對(duì)下墊面實(shí)時(shí)反應(yīng)能力較強(qiáng)，尤其在海河、黑河、黃河等半干旱-半濕潤流域的模擬效果較好，且計(jì)算消耗小[16]。因此，本研究利用DTVGM的產(chǎn)流機(jī)制改進(jìn)CLM3.5的產(chǎn)流過程，同時(shí)嵌入地下水開采對(duì)流域水循環(huán)影響的模塊，并考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水，構(gòu)建能夠描述流域自然-人文過程的大尺度陸地水循環(huán)模型（CLM-DTVGM），然后以中國科學(xué)院青藏高原研究所基于Princeton 再分析數(shù)據(jù)建立的一套中國區(qū)域高時(shí)空分辨率地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集作為大氣強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)，設(shè)置兩種模式（無人類活動(dòng)影響S1和僅考慮開采地下水S2），對(duì)海河流域過去30年的地表徑流、蒸散發(fā)和土壤濕度進(jìn)行模擬，分析地下水開采活動(dòng)對(duì)海河流域水循環(huán)過程的影響。

1 研究區(qū)和數(shù)據(jù)介紹

1.1 研究區(qū)

海河流域（圖1）位于東經(jīng)112°-120°，北緯35°-43°之間，總面積約31.8萬km²。按照流域西北高，東南低的地勢，大致可分高原、山地和平原三種地貌類型。流域西部和北部的高原及山地占流域總面積的60%，流域東部和南部以農(nóng)田為主，也是主要的人口居住地，占流域總面積的40%。海河流域多年平均降水量為539 mm，自20世紀(jì)50年代以來，降水總體上呈現(xiàn)逐步減少的趨勢。流域年平均氣溫為10.8 ℃，年內(nèi)變化較為平緩。海河流域作為嚴(yán)重的資源性缺水地區(qū)，水資源供需矛盾十分突出，用不足全國1.3%的水資源量，承擔(dān)著全國11%的耕地面積和10%人口用水任務(wù) [17]。由于流域內(nèi)地表水資源非常匱乏，主要通過開采地下水進(jìn)行灌溉，區(qū)內(nèi)已形成大范圍常年性淺層地下水位降落漏斗，地下水超采是地下水位下降的主導(dǎo)原因[18]。近50年來，海河流域累計(jì)超采地下水高達(dá)1 900 億m³，目前地下水年開采量約占流域總供水量的2/3[19]。大范圍超采活動(dòng)已使海河流域地下水處于不可持續(xù)狀態(tài)，嚴(yán)重威脅該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

1.2 數(shù)據(jù)介紹

已有的可用于陸面過程模式輸入的再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品，在中國區(qū)域上往往存在著系統(tǒng)偏差，如以Princeton 數(shù)據(jù)。因此，本研究采用中國科學(xué)院青藏高原研究所開發(fā)的中國區(qū)域的長時(shí)間序列、高時(shí)空分辨率的陸面模式驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，簡稱ITPCAS數(shù)據(jù)集。該套數(shù)據(jù)以國際上現(xiàn)有的Princeton 再分析資料、GEWEX-SRB 輻射資料以及TRMM 降水資料為基礎(chǔ)，利用中國氣象局常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正以消除系統(tǒng)偏差，并通過空間降尺度的方式，得到最高時(shí)間分辨率為3 h、最高水平空間分辨率為0.1°的再分析數(shù)據(jù)（包含近地面氣溫、近地面氣壓、近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面向下短波輻射、地面向下長波輻射、地面降水率）[20]，可以滿足國內(nèi)陸面過程研究的需要。

經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)為2000年的數(shù)據(jù)。其中人口、GDP、農(nóng)田面積數(shù)據(jù)是基于國家統(tǒng)計(jì)局城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)調(diào)查總隊(duì)編纂出版的《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒2000》，并由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心（www.resdc.cn/english/default.asp）處理為分辨率1 km×1 km的柵格數(shù)據(jù)。這組數(shù)據(jù)在本研究中被處理為0.25°×0.25°的分辨率，以適應(yīng)陸面模式的要求。

工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)的單位用水?dāng)?shù)據(jù)來自《中國水資源公報(bào)2000》（表1），并且在流域內(nèi)保持固定不變。

2 研究方法

2.1 模型介紹

CLM3.5模式是NCAR發(fā)布的新一代陸面過程模式，是在CLM3.0的基礎(chǔ)上對(duì)陸面參數(shù)和水文過程加以改進(jìn)，引進(jìn)并完善了徑流、地下水、碳循環(huán)和凍土過程，其具體物理過程在文獻(xiàn)中有較為詳盡的描述[21-22]。CLM3.5原有的地表產(chǎn)流采用TOPMODEL模型中的SIMTOP參數(shù)化方案，即根據(jù)蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流的機(jī)制來計(jì)算，其中關(guān)鍵參數(shù)是計(jì)算單元的飽和因子，其依賴表層土壤的不透水面積，計(jì)算較為復(fù)雜。

本研究采用DTVGM模型的時(shí)變?cè)鲆嬉蜃觼砀倪M(jìn)CLM3.5中的產(chǎn)流模型，即考慮降雨徑流的非線性關(guān)系，以及產(chǎn)流過程中土壤濕度不同引起的產(chǎn)流量變化，通過時(shí)變?cè)鲆嬉蜃雍喕怂难h(huán)系統(tǒng)的輸入輸出之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，達(dá)到與一般Volterra泛函級(jí)數(shù)相同的模擬效果。

在對(duì)CLM3.5產(chǎn)流模塊改進(jìn)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建人類活動(dòng)影響概化模型（圖2），并成功嵌入CLM-DTVGM中。為了滿足每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)的總需水量Dt，人類需要從附近的河流和含水層汲取水源，從河流中和含水層汲取的水量分別記為Qs和Qg，而開采的水資源量主要用于人類生活Dd、工業(yè)生產(chǎn)Di和農(nóng)業(yè)灌溉Da三個(gè)方面。其中，生活和工業(yè)用水主要消耗于蒸發(fā)，而剩余的水量作為廢水（Dg）返回河道；農(nóng)業(yè)灌溉用水則作為有效降水降落到土壤表面，并繼續(xù)參加隨后的產(chǎn)流等計(jì)算過程。

在圖2中的水資源開采部分，從河流汲取的地表水供水量Qs在CLM3.5中主要從每個(gè)格點(diǎn)的總徑流（地表徑流與地下徑流之和）中扣除；而從含水層中汲取的地下水供水量Qg是在計(jì)算陸地水儲(chǔ)量時(shí)扣除，因此有：

在圖2中的水資源利用部分，工業(yè)和生活產(chǎn)生的廢水量Dg視為α（Di+Dd），且被直接從模式格點(diǎn)柱內(nèi)移除，不再參與格點(diǎn)柱內(nèi)的計(jì)算（α為工業(yè)和生活用水中返回河道的廢水比例），而模式中的蒸發(fā)量相應(yīng)地增加（1-α）×（Di+Dd），到達(dá)地表的有效降水量也因灌溉而增加Da。

基于這種人類活動(dòng)影響概化模型，模擬設(shè)置了兩種情景：無人類活動(dòng)影響（S1）、考慮開采地下水（S2）。通過比較兩種情景的模擬結(jié)果，可以探討人類對(duì)水資源開采利用對(duì)水循環(huán)過程產(chǎn)生的影響。本次模擬的區(qū)域范圍設(shè)為112°-120°E，35°-43°N，時(shí)間范圍是1980年-2010年，輸入數(shù)據(jù)空間分辨率為0.1°×0.1°，輸出數(shù)據(jù)的空間分辨率為0.5°×0.5°。其中，需水量采用2000年統(tǒng)計(jì)值（表1）。

2.2 參數(shù)率定與模型驗(yàn)證

DTVGM 模型的參數(shù)見表2，在進(jìn)行數(shù)值模擬前需根據(jù)實(shí)測流量資料進(jìn)行參數(shù)率定。本文采用海河流域?yàn)纯h和觀臺(tái)水文站的實(shí)測流量資料率定上述參數(shù)。圖3為灤縣站（1997年-2006）和觀臺(tái)站（1997年-2006）實(shí)測及模擬年徑流過程，可以看出實(shí)測和模擬年徑流過程總體上一致，率定的參數(shù)能夠有效地模擬研究區(qū)域的徑流過程。

3 結(jié)果分析

3.1 兩種情景下海河流域年平均徑流深時(shí)空變化

基于S1和S2兩種情景模式，由CLM-DTVGM對(duì)海河流域1980年-2010年徑流進(jìn)行模擬，得到地下水開采活動(dòng)影響下的海河流域多年平均徑流深空間分布變化情況）如圖4、圖5）。兩種情景下海河流域多年平均徑流深整體分布趨勢大致相同：從西北至東南逐漸增大，其中平原區(qū)和入海口處徑流較大，山區(qū)徑流較小；S2比S1情景下徑流深有所減少，尤其是在東部平原區(qū)變化較為明顯，這與東部平原區(qū)地下水開采較為嚴(yán)重有關(guān)。

3.2 兩種情景下海河流域年平均蒸散發(fā)時(shí)空特征

基于S1和S2兩種情景模式，由CLM-DTVGM對(duì)海河流域1980年-2010年蒸散發(fā)進(jìn)行模擬，得到多年平均蒸散發(fā)空間分布情況（圖6、圖7）可以看出從西北到東南，兩種情景下海河流域多年平均蒸散發(fā)逐漸增大，這與海河流域降雨的空間分布呈現(xiàn)出較好的一致性。考慮地下水開采活動(dòng)后，局部地區(qū)尤其在平原區(qū)的取用水高值區(qū)和入?？诘貐^(qū)，蒸發(fā)變異更明顯。

3.3 兩種情景下海河流域土壤濕度時(shí)空特征

S1和S2兩種情景下，海河流域1980年—2010年多年平均土壤濕度（地表以下3.43 m）空間分布模擬結(jié)果如圖8、圖9所示，可以看出兩種情景下多年平均土壤濕度空間特征基本一致，其中山區(qū)偏低，東北、西部及西南較高，總體表現(xiàn)為東北、西南高于中部地區(qū)，這主要受氣溫和降水空間分布的影響?？紤]地下水開采活動(dòng)后，研究區(qū)局部的土壤濕度有較為明顯的變化，整個(gè)流域呈降低現(xiàn)象，在平原取用水高值區(qū)降低程度較為明顯。

4 結(jié)論和討論

本研究采用構(gòu)建的CLM-DTVGM和中國科學(xué)院青藏高原所氣候驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)集，選用無人類活動(dòng)影響和考慮開采地下水兩種情景，對(duì)過去30年海河流域地表徑流、蒸散發(fā)和土壤濕度變化進(jìn)行模擬分析，得到如下結(jié)論：地下水開采導(dǎo)致海河流域地表徑流整體上呈減少趨勢，但在不同空間分布上影響程度不同，其中東部平原區(qū)地表徑流減少較為明顯；地下水開采導(dǎo)致流域蒸散發(fā)整體上呈增加趨勢，但平原區(qū)的取用水高值區(qū)和入?？诘貐^(qū)蒸散發(fā)呈減少趨勢；地下水開采導(dǎo)致海河流域土濕整體上呈下降趨勢，考慮地下水開采活動(dòng)后，研究區(qū)局部的土壤濕度有較為明顯的變化，其中在研究區(qū)東北部和西部山區(qū)土壤濕度有一定增加，平原取用水高值區(qū)土壤濕度降低。

Zou等[23]用采用CLM3.5陸面參數(shù)化方案的區(qū)域氣候模式RegCM4對(duì)海河流域1970年-2000年的陸面過程進(jìn)行了模擬，得到的多年平均地表徑流約為48.8 mm。本研究不考慮人類活動(dòng)過程的情景下模擬的多年平均地表徑流約為35 mm，略小于Zou等模擬結(jié)果。不過，本研究模擬時(shí)期為1980年-2010年，屬于氣候變暖和人類活動(dòng)加劇時(shí)期，海河流域地表徑流已經(jīng)呈現(xiàn)了減少的趨勢[24]，所以本文模擬結(jié)果也相對(duì)合理的。Zou等模擬的多年平均蒸散發(fā)為534.7 mm，本研究不考慮人類活動(dòng)過程的情景下模擬的多年平均蒸散發(fā)為440 mm，蒸散發(fā)模擬偏小可能與近年來海河流域地表徑流減少有關(guān)，與徑流的模擬結(jié)果保持一致，并且2006年研究資料顯示海河流域多年平均蒸散發(fā)為425.4 mm[25]，進(jìn)一步驗(yàn)證了模擬結(jié)果的可靠性。

實(shí)際上，海河流域地表徑流、蒸散發(fā)和土濕變化的原因很復(fù)雜，包括降雨量減少，氣溫增加等氣候變化以及水資源過度開發(fā)利用等，在今后的研究中還應(yīng)設(shè)置不同的模擬情景，分析其他要素對(duì)水循環(huán)過程的影響。

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