氣候變化情景下的地下水潛在補給變化影響分析

衛(wèi)文　陳宗宇

摘要：了解氣候變化影響下的地下水潛在補給變化對于地下水資源的科學(xué)管理與評價是非常必要的。以欒城生態(tài)試驗站為典型研究區(qū)，聯(lián)合應(yīng)用ClimGen天氣發(fā)生器和地下水補給Visual HELP模型，對未來氣候變化情景下的地下水潛在補給速率進行了評估。結(jié)果顯示：在降水減少10%（P）、溫度上升2℃（T）以及兩者同時發(fā)生（P&T）三種情景下，未來（2011年-2040年）地下水多年平均補給速率相比基準(zhǔn)（1961年-1990年）分別下降了23.33%、4.42%、26.01%，其中降水的減少對地下水入滲補給的影響尤為明顯。該項研究對于指導(dǎo)地下水資源的科學(xué)管理與可持續(xù)開發(fā)利用具有重要意義。

關(guān)鍵詞：氣候變化情景；潛在補給；天氣發(fā)生器；HELP模型；地下水資源管理

中圖分類號：P641.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-1683（2017）05-0029-07

華北平原是我國重要的糧食、能源生產(chǎn)基地之一，地下水資源是當(dāng)?shù)厣鐣?jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)保障。自20世紀(jì)70年代開始，對地下水資源的過量開采已引起一系列生態(tài)環(huán)境地質(zhì)問題。近幾十年來，以全球氣候變暖為主要特征的華北區(qū)域水文循環(huán)特征產(chǎn)生了較大變化，降水入滲補給作為華北山前平原地下水的主要補給來源之一，已明顯受到氣候變化直接（降水）和間接（如，溫度、地下水開采量等）的影響。目前已有的調(diào)查評價成果及制定地下水開發(fā)利用策略的依據(jù)主要是基于現(xiàn)狀氣候條件下的地下水資源更新能力評價，對于未來氣候條件下的地下水補給研究相對較少，這勢必會對地下水資源的科學(xué)準(zhǔn)確評價造成一定的影響。因此，本文以華北山前平原欒城試驗站為例，應(yīng)用天氣發(fā)生器CLIM GEN模型模擬未來氣候變化情景，并評價三種氣候變化情景下地下水補給發(fā)生的變化，這對于地下水資源的科學(xué)管理與可持續(xù)開發(fā)利用具有重要指導(dǎo)意義。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于華北山前傾斜平原滹沱河沖洪積扇，地理坐標(biāo)范圍為E114.2°-115.5°，N37.4°-38.5°（圖1）。地形起伏不大，西部山前坡度約4‰～6‰，其他地區(qū)小于2‰。氣候?qū)倥瘻貛О敫珊导撅L(fēng)氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)多年平均氣溫為13.5℃，多年平均降水量為527.6 mm，降水多集中在6月-9月，占全年降水量的75%左右。滹沱河是研究區(qū)內(nèi)主要河流，近些年來已基本干涸。降水入滲是該區(qū)地下水的主要補給來源，占總補給量的45%～64%。區(qū)內(nèi)包氣帶巖性多由層狀非均質(zhì)黃色、黃褐色亞砂土、粉細(xì)砂、中粗砂及亞黏土等組成，降水入滲系數(shù)為0.2～0.4。其下伏含水層為第四系松散沉積物，巖性以粗砂、礫石、卵石為主，含水層垂向連續(xù)性好，從西部山前向東部，含水層介質(zhì)顆粒由粗變細(xì)，總厚度為10～40 m，導(dǎo)水系數(shù)在西部山前為1000～5 000 m²/d，東部為100～300 m²/d。

本次研究場地選取為中國科學(xué)院欒城生態(tài)試驗站，該站位于滹沱河山前沖積扇平原上，距石家莊市東南約25 km的欒城縣，地理坐標(biāo)為N37°53′，E114°41′，海拔50.1 m，占地面積約為28萬m²，位置見圖1。地下水動態(tài)變化主要受大氣降水、灌溉水入滲和農(nóng)業(yè)開采的影響。近年來，隨著開采規(guī)模的不斷擴大，地下水位急劇下降，區(qū)內(nèi)淺層地下水位最大埋深達(dá)33 m，地下水位多年平均年下降速率約為0.7 m/a，鞏其中農(nóng)業(yè)開采已成為影響地下水位變化的決定因素。降水入滲補給是該區(qū)地下水的主要補給方式，研究氣候變化（氣溫和降水）情景下的地下水補給變化，可為地下水資源評價及合理開發(fā)利用提供重要科學(xué)依據(jù)。

2 ClimGen天氣發(fā)生器

2.1模型簡介

天氣發(fā)生器是氣候變化影響評價的重要工具之一，在氣候及極端事件模擬、SWAT模型氣象要素構(gòu)建等方面有著廣泛的應(yīng)用。目前，比較常用的天氣發(fā)生器有WGEN、WXGEN、USCLI-MATE、CLIGEN、CLIMAK、ClimGen、SCEN GEN以及LARS-WG等。其中WGEN模型曾經(jīng)是美國應(yīng)用最為廣泛的天氣發(fā)生器，ClimGen模型是在WGEN模型基礎(chǔ)上的修改和完善。因此，本文擬采用Clim Gen進行研究區(qū)氣象模擬。該模型能夠?qū)邓?，日最高和最低溫度，太陽輻射，空氣濕度和風(fēng)速等參數(shù)進行模擬，詳細(xì)的介紹可參閱相關(guān)文獻(xiàn)。

2.2 ClimGen在研究區(qū)的適用性

對ClimGen模型生成的1961年-1990年逐日降水和氣溫數(shù)據(jù)進行了多年平均月值與年值統(tǒng)計，并與石家莊氣象站1961年-1990年間逐日觀測數(shù)據(jù)f數(shù)據(jù)源自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)，http：∥data：∥cm a.cn/）的多年平均統(tǒng)計結(jié)果進行了對比（圖2），從圖2（a）中可以看出，除在降水集中的月份（5月，7月-8月）模擬降水量與實測略有差異外（但實際上相對誤差較?。溆嘣路菥c實測統(tǒng)計值基本一致，模擬的降水多年平均為549 mm，比實測值526 mm略偏高4.4%；對于日最高和最低氣溫的模擬來說，模擬的統(tǒng)計結(jié)果與實際的觀測記錄（圖2（b））高度吻合?？偟膩砜?，ClimGen天氣發(fā)生器對于研究區(qū)的氣候模擬效果良好，這表明Clim Gen模型在研究區(qū)是適用的。

2.3未來氣候情景模擬

對于未來氣候變化的模擬，目前主要有兩種途徑：一種是通過降尺度（SDSM）的方法將全球大氣環(huán)流模型GCM s的輸出結(jié)果內(nèi)插到研究區(qū)內(nèi)；另一種是通過統(tǒng)計分析研究區(qū)的氣候變化特征，并假設(shè)未來的氣候條件遵循此變化規(guī)律，利用天氣發(fā)生器來產(chǎn)生未來的氣象條件。

由于研究區(qū)范圍較小，本次研究采用第2種方法來構(gòu)建未來氣候變化情景，以研究區(qū)內(nèi)石家莊氣象站多年的觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計特征為基礎(chǔ)，結(jié)合前人在此地區(qū)的研究成果，例如，陳隆勛等根據(jù)中國160個站的氣候資料分析結(jié)果顯示華北地區(qū)20世紀(jì)80年代的平均溫度比50年代升高了0.54℃；柳艷香等將IPCC溫室氣體排放情景輸入GOALS4.0模型當(dāng)中，結(jié)果顯示到2030年華北地區(qū)冬季的增溫幅度相比多年平均（1961年-1990年）上升了2.5℃左右；趙少華等利用Hargreaves模型對河北平原49個氣象臺站的逐月氣象資料的分析結(jié)果顯示：降水年變化呈線性下降趨勢，下降速率為1.67mm/a；年平均氣溫均呈現(xiàn)線性增加趨勢，增溫速率為0.038℃/a。從而構(gòu)建了本次研究的氣候變化情景（表1），應(yīng)用Climgen模型生成研究區(qū)未來（2011年-2040年）的逐日氣象資料。endprint

3 Visual HELP模型

基于HELP的垃圾填埋場水文優(yōu)化設(shè)計軟件，Visual HELP將最新版本的HELP模型與操作簡便的界面和強大的繪圖功能結(jié)合起來，用于構(gòu)建地下水模型并評價模擬結(jié)果。

3.1基本原理

HELP模型最初是用來評價垃圾填埋場性能的水文評價，近些年來已被有效地應(yīng)用于估算地下水補給速率。HELP模型采用數(shù)值模擬的方法來估算地表儲水、融雪、徑流、入滲、蒸散發(fā)、植被生長、土壤濕度儲存以及各種工程對地下水補給的影響，模型的輸入要素主要包括土地利用狀況、土壤類型、植被分布以及地形地貌特征等。基本原理為水量均衡，模擬的天然水均衡成分包括降水、葉面截留、葉面蒸發(fā)、地表徑流、土壤蒸發(fā)、植物蒸騰、融雪以及土壤剖面滲漏水等。模型數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：R為降雨入滲補給量；P為降雨量；D為徑流量；ET_a為實際蒸散發(fā)量；ΔW為土壤水增量。

3.2模型的影響因素

3.2.1土地利用圖

土地利用的變化（LUCC）直接體現(xiàn)和反映了人類活動的影響程度，它對水循環(huán)過程的影響結(jié)果十分顯著。本次研究采用的數(shù)字化土地利用圖來源于“中國西部環(huán)境與生態(tài)科學(xué)數(shù)據(jù)中心”（http：∥westdc.westgis.ac.cn），是目前可獲得的精度最高的研究區(qū)土地利用數(shù)據(jù)產(chǎn)品。詳細(xì)的土地利用分類代碼（表2）及結(jié)果見圖3。

3.2.2土壤分類圖

土壤、植被等與地下水關(guān)系密切，又對地下水的補給、徑流與儲集產(chǎn)生一定的影響。土壤類型受氣候、地貌、植被、土壤母質(zhì)、水文地質(zhì)條件等諸多因素制約。本次研究依據(jù)河北省第二次土壤普查報告及河北土種志將研究區(qū)土壤劃分為3個土類，7個亞類（表3），研究區(qū)土壤分類圖見圖4。

3.2.3植被分布

植被類型分布以及植物根系深度等因素均對地下水的入滲補給產(chǎn)生影響，并且植被的生長發(fā)育也與地下水關(guān)系密切。本次研究中假定地下水的蒸發(fā)深度為2 m，并根據(jù)土地利用狀況來定義模型的輸入?yún)?shù)葉面積指數(shù)LAI，給定：裸土LAI為0，植被覆蓋茂密地區(qū)最大葉面積指數(shù)LAI為5。

3.3地下水補給區(qū)類型劃分

在研究區(qū)DEM數(shù)字高程的基礎(chǔ)上，將研究區(qū)的土地利用狀況、土壤類型及其理化性質(zhì)數(shù)據(jù)等在Arcgis平臺下進行空間離散處理并進行疊加，進而可以將研究區(qū)劃分為不同的補給類型區(qū)。疊加結(jié)果見圖5。

4未來氣候條件下的地下水潛在補給變化

4.1典型區(qū)模型構(gòu)建

本次研究以中國科學(xué)院欒城農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站為典型區(qū)，該站土壤剖面的理化性質(zhì)參數(shù)見表4。

基于上述土壤資料，在HELP模型中構(gòu)建了地下水補給（土壤包氣帶水分運移）剖面圖見圖6。

4.2模型輸出結(jié)果評價

以1961年-1990年逐日氣象數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，將ClimGen模型生成的3種氣候變化情境（ P、T、P&T）氣象數(shù)據(jù)分別輸入到上述構(gòu)建的HELP模型當(dāng)中，輸出結(jié)果見表5。由表5可見，典型區(qū)1961年-1990年的地下水多年平均入滲補給速率為144.07mm/a，這與河北省地下水資源評價報告的估算地下水補給強度122.7mm/a以及吳慶華等在欒城地區(qū)利用多區(qū)模型方法評價的補給速率124.3 mm/a基本吻合，這表明ClimGen和HELP模型在研究區(qū)是適用的。另外，三種氣候情景P、T、P&T下的地下水多年平均補給速率相比1961年-1990年分別下降了33.62mm/a、6.37 mm/a和7.47mm/a。以百分比來看，降水減少10%時，地下水補給降低了23.33%；溫度上升2℃時，地下水補給減小了4.42%；當(dāng)兩者同時發(fā)生時，地下水補給降低了26.01%，這表明降水量變化對研究區(qū)地下水多年平均入滲補給的影響較為明顯，而氣溫變化對入滲補給的影響相對較弱。

5結(jié)論

（1）以石家莊氣象站近50年來的氣候變化統(tǒng)計分析結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合前人的相關(guān)研究成果，構(gòu)建了3個未來氣候變化情景，分別為P（降水減少10%）、T（溫度上升2℃）、P&T（降水減少10%，同時溫度上升2℃）。

（21以1961年-1990年的實測氣象數(shù)據(jù)為參考基準(zhǔn)，輸入到氣候變化與地下水補給耦合模型中，結(jié)果表明該區(qū)地下水多年平均補給速率為144.1mm/a，這與前人在該地區(qū)的評價結(jié)果基本吻合，驗證了該模型在研究區(qū)的適用性。

（3）地下水補給模型輸出結(jié)果顯示：未來氣候情景P、T、P&T下的地下水多年（2011年-2040年）平均入滲補給速率分別為110.5 mm/a、137.7mm/a、106 6mm/a，與1961年-1990年相比分別下降了23.33%、4.42%、26.01%。其中降水量變化對研究區(qū)地下水入滲補給的影響較為明顯，而氣溫變化對入滲補給的影響相對較弱。endprint