供水格局變化下海河平原區(qū)淺層地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

周 琳 汪 林

(中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 北京 100038)

0 引言

海河平原區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要區(qū)域，地下水一直是主要供水水源，且供水比重也呈穩(wěn)定增長(zhǎng)趨勢(shì)，近年來更高達(dá)66%。自80年代以來，在需水量迅速增加和降水衰減的共同作用下，海河平原區(qū)已經(jīng)成為南水北調(diào)受水區(qū)地下水超采最為嚴(yán)重的區(qū)域[1]。長(zhǎng)期無序過量的開采地下水資源，導(dǎo)致海河平原區(qū)地下水儲(chǔ)量大量消耗，區(qū)域地下水水位持續(xù)下降，并引發(fā)嚴(yán)重的地面沉降、海水倒灌、水質(zhì)污染等環(huán)境地質(zhì)問題[2]。為確保未來海河平原區(qū)地下水的可持續(xù)利用，保障區(qū)域穩(wěn)定健康發(fā)展，多年來學(xué)術(shù)界一直將當(dāng)?shù)氐叵滤u(píng)價(jià)與研究作為關(guān)注熱點(diǎn)。

韓瑞光研究建立了海河平原區(qū)淺層地下水概念模型，并提出今后模型建設(shè)建議[3]。費(fèi)宇紅等通過研究海河平原區(qū)地下水儲(chǔ)量消耗過程，指出該區(qū)域地下水可開采利用的潛力已經(jīng)十分有限，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看南水北調(diào)是解決缺水的理想途徑[4]。何杉采用水量平衡的方法，研究分析了南水北調(diào)實(shí)施后，地下水開采量的減少與入滲補(bǔ)給量的增加，將促使海河平原淺層地下水局部得到恢復(fù)[5]。杜思思等聯(lián)合運(yùn)用MODFLOW 與水資源配置模型ROWAS，模擬了有無南水北調(diào)兩種對(duì)比情景下海河平原區(qū)地下水的演變[6]。

以上研究通過數(shù)據(jù)分析與模型模擬等方法對(duì)海河平原區(qū)的地下水資源作出了評(píng)價(jià)，但作為模擬情景水文條件的水文系列較短，考慮的情景方案較少。為從更完整的角度驗(yàn)證工程達(dá)效對(duì)海河平原區(qū)地下水循環(huán)恢復(fù)所起的作用，本文基于分布式水文模型MODCYCLE，結(jié)合多個(gè)典型的供水格局情景進(jìn)行海河平原區(qū)地下水的詳細(xì)模擬與動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。

1 海河平原區(qū)MODCYCLE 模型的構(gòu)建與驗(yàn)證

MODCYCLE 模型是基于“自然——社會(huì)”二元特性開發(fā)的分布式水循環(huán)模擬模型[7]，充分考慮到對(duì)自然水循環(huán)過程與人工水循環(huán)過程的雙重體現(xiàn)[8]，可用于人類活動(dòng)干擾明顯的海河平原區(qū)水循環(huán)系統(tǒng)的模擬量化。為保證水循環(huán)模擬的完整性，本文通過MODCYCLE 構(gòu)建海河流域水資源轉(zhuǎn)化動(dòng)態(tài)模擬模型，研究和辨析現(xiàn)狀2001～2010年海河平原區(qū)淺層地下水動(dòng)態(tài)平衡；選取5個(gè)代表性水資源配置方案，模擬預(yù)測(cè)不同水文系列條件（1956～2000年平水系列、1980～2005年近期枯水系列）和南水北調(diào)工程實(shí)施情況（南水北調(diào)中線工程一期達(dá)效、二期達(dá)效和加大中線一期引水20%）下海河平原區(qū)淺層地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

1.1 模型數(shù)據(jù)輸入

按DEM 將海河流域劃分為2028個(gè)子流域，其中平原區(qū)子流域1165個(gè)。地下水?dāng)?shù)值模擬以4km 為間距劃分網(wǎng)格單元，有效單元格8383個(gè)。模擬氣象數(shù)據(jù)采用收集的46個(gè)氣象站點(diǎn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)展布。地下水水位根據(jù)550個(gè)淺層地下水位觀測(cè)井和210個(gè)深層地下水位觀測(cè)井的觀測(cè)數(shù)據(jù)插值計(jì)算。水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)海河流域水文地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)展布。

1.2 模型率定與驗(yàn)證

模型以2001～2005年為率定期，2006～2010年為驗(yàn)證期?？紤]到海河流域水循環(huán)特性，選取地下水位、地下水蓄變量為驗(yàn)證指標(biāo)。

1.2.1 地下水位檢驗(yàn)

圖1 所示為2010年末（驗(yàn)證期末）的實(shí)測(cè)與模擬淺層地下水位等值線對(duì)比，從整體上看，模擬與實(shí)測(cè)地下水位等值線具有可比性，山前及中部地下水開采密集區(qū)的地下水位等值線變化幅度大。

1.2.2 淺層地下水蓄變量檢驗(yàn)

2001～2010年海河流域淺層地下水蓄變過程統(tǒng)計(jì)值（根據(jù)2001～2010年《海河流域水資源公報(bào)》分析整理）與模擬值對(duì)比如圖3。從蓄變模擬結(jié)果看，蓄變過程在變化趨勢(shì)上一致。經(jīng)計(jì)算得，淺層地下水蓄變量模擬與統(tǒng)計(jì)值之間相關(guān)系數(shù)為0.96，相關(guān)程度較高。

圖2 2001～2010年海河流域淺層地下水蓄變曲線

從總體上看，對(duì)于海河流域這種大空間尺度和長(zhǎng)時(shí)期的水循環(huán)模擬研究，目前的率定驗(yàn)證結(jié)果基本滿足要求。

2 地下水平衡現(xiàn)狀與模擬情景設(shè)置

2.1 2001～2010年現(xiàn)狀淺層地下水動(dòng)態(tài)平衡

模擬現(xiàn)狀年時(shí)段海河平原區(qū)淺層地下水年均補(bǔ)給總量約193.66億m3。其中降水入滲量占總補(bǔ)給量的67.0%，為最主要的補(bǔ)給來源；灌溉滲漏補(bǔ)給量占8.7%。淺層地下水年均排泄總量223.52 億m3，其中農(nóng)業(yè)灌溉開采量占總排泄量的49.7%；其次是工業(yè)、生活、生態(tài)等非農(nóng)業(yè)開采量，占總排泄的27.4%。

2.2 供水格局主要特征

在規(guī)劃水平年“三生”需水量規(guī)模和可供水量上限確定的前提下，未來海河流域供水格局的變化與水資源合理配置方案密切相關(guān)。

本次綜合考慮五維屬性[9]協(xié)調(diào)，以《海河流域水資源綜合規(guī)劃》基于1956～2000年系列（長(zhǎng)系列）的推薦方案F1 為基本方案。但考慮到該系列對(duì)流域近期水資源情勢(shì)反映不足，故以1980～2005年系列（短系列）作為對(duì)比情景，最終確定了長(zhǎng)系列方案F1、F2、F3 和短系列方案F4、F5 共5個(gè)典型水資源配置方案，即供水格局變化方案。方案特征概述如表1：

表1 各方案的主要控制約束 單位：億m3

圖3 各方案海河平原區(qū)2020、2030年主要供水量構(gòu)成

圖4 淺層地下水與外調(diào)水（含引黃水）在不同用水部門的分配

表2 各方案不同水平年淺層地下水動(dòng)態(tài)平衡分析 單位：億m3

2.3 供水格局情景模擬

南水北調(diào)中線工程通水后，2020年海河流域?qū)⒁腴L(zhǎng)江水量79.2 億m3，2030年117.5 億m3。工程達(dá)效后5個(gè)推薦方案不同水平年的主要供水量的組成情況見圖3：地下水仍是供水主體，次為外調(diào)水和當(dāng)?shù)氐乇硭?。未來該區(qū)外調(diào)水（含引黃水）供水量將增多，地下水用水幅度隨之減小。

淺層地下水和外調(diào)水（含引黃水）的分配情況見圖4：地下水的大用水戶仍然是農(nóng)業(yè)灌溉，外調(diào)水主要滿足工業(yè)生產(chǎn)與城鎮(zhèn)生活用水，滿足經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)需求后，可置換一部分地下水超采量，用于農(nóng)業(yè)灌溉用水和修復(fù)生態(tài)環(huán)境用水，緩解現(xiàn)狀地下水的開采壓力。

3 供水格局變化后地下水動(dòng)態(tài)響應(yīng)

通過上述已建模型，預(yù)測(cè)供水格局改變后海河平原區(qū)各配置方案不同水平年淺層地下水的水平衡統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從中提取淺層地下水年均補(bǔ)給、排泄、蓄變量的關(guān)系見表2。補(bǔ)排狀況如下：

降水入滲量仍是淺層地下水的最主要的補(bǔ)給來源，與現(xiàn)狀相近；引江水量主要通過襯砌渠道和管道輸送到用水戶，故河道滲漏補(bǔ)給量長(zhǎng)、短系列差異不明顯，且與現(xiàn)狀平均值接近；地表水灌溉量比例增加，與地下水灌溉開采比例減少使得灌溉滲漏補(bǔ)給量均大于現(xiàn)狀平均值；淺層地下水總補(bǔ)給量短系列與現(xiàn)狀平均值接近，約190 億m3，長(zhǎng)系列比短系列大約12 億m3，其中降水入滲補(bǔ)給量和地表灌溉滲漏量的增加為主要影響因素。

平原區(qū)地下水人工開采量仍占據(jù)排泄量較高比例，但均不同程度小于現(xiàn)狀平均開采量，尤其是其他開采量（工業(yè)/城鎮(zhèn)、生活、生態(tài)等）明顯減少；不同方案的潛水蒸發(fā)量波動(dòng)較大，但均大于現(xiàn)狀平均值；淺層地下水向深層地下水越流排泄量迅速減小，長(zhǎng)系列略大于短系列；淺層地下水總排泄量均小于現(xiàn)狀平均值224 億m3，人工開采量的減少是關(guān)鍵因素。

5 結(jié)論

本文基于分布式水文模型MODCYCLE，對(duì)海河平原區(qū)地下水水循環(huán)過程進(jìn)行分項(xiàng)體現(xiàn)。選取綜合考慮氣候條件變化與南水北調(diào)工程共同作用的5個(gè)典型水資源配置方案為背景，比較了不同水平年與現(xiàn)狀海河平原區(qū)淺層地下水補(bǔ)給與排泄結(jié)構(gòu)的變化，以及海河平原區(qū)淺層地下水蓄變與埋深的發(fā)展變化趨勢(shì)，并簡(jiǎn)要分析了主要影響因素。主要研究結(jié)果如下：

（1）海河平原區(qū)淺層地下水總補(bǔ)給量與現(xiàn)狀相比有所增加，主要原因在于隨水文系列和供水格局的變化，降水入滲量和地表灌溉滲漏量增加；（2）淺層地下水總排泄量相對(duì)現(xiàn)狀年有所減少，原因在于人工開采量得到控制；（3）供水格局改變后，海河平原區(qū)淺層地下水仍將處于負(fù)蓄變狀態(tài)，但與現(xiàn)狀年情況相比程度已有較大和緩。

研究表明：南水北調(diào)工程通水能夠改善當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)失調(diào)的現(xiàn)象。未來需繼續(xù)推進(jìn)工程配套建設(shè)，充分發(fā)揮工程效益以減緩與遏制地下水環(huán)境惡化的趨勢(shì)。研究采用的水資源動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化模型可考慮作為今后海河平原區(qū)地下水管理的日常分析工具，提高區(qū)域地下水管理的科學(xué)性、針對(duì)性和實(shí)效性。同時(shí)，研究結(jié)果可為進(jìn)一步建立海河平原區(qū)地下水合理的開采調(diào)控模式提供參考。

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