基于MIKE SHE模型的華北平原水資源利用情景分析

賴冬蓉， 秦歡歡， 萬(wàn) 衛(wèi)， 鄭春苗

(1.東華理工大學(xué) 放射性地質(zhì)與勘探技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330013；2.南方科技大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 廣東 深圳 518055)

1 研究背景

流域水文循環(huán)包含降水、徑流、下滲、蒸發(fā)等環(huán)節(jié)，水量轉(zhuǎn)化和物質(zhì)及能量的交換是流域綜合利用、可持續(xù)利用與管理的基礎(chǔ)[1-3]。隨著全球氣候的急劇變化和人類活動(dòng)的加劇，單純研究流域水文循環(huán)而不考慮氣候變化和人類活動(dòng)的影響已愈發(fā)變得不切實(shí)際[4-7]。氣候變化和人類活動(dòng)共同影響著全球水循環(huán)過程，人類活動(dòng)在水資源利用、防洪、水環(huán)境保護(hù)和水生態(tài)保護(hù)等方面對(duì)流域產(chǎn)生重要影響，而氣候變化對(duì)水循環(huán)要素的影響必然導(dǎo)致流域水資源的時(shí)空變化[4]。相比于集總式水文模型，分布式水文模型已成為水文循環(huán)研究中的重要工具并獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展[8]。MIKE SHE是由丹麥DHI公司開發(fā)的一款基于物理過程的、確定性的分布式水文模型軟件(http://www.dhigroup.com)，它涵蓋了水文循環(huán)的主要過程及它們之間的相互作用。MIKE SHE模型已經(jīng)有30多年的研究和應(yīng)用歷史，發(fā)展較為成熟，廣泛應(yīng)用于水文、環(huán)境、生態(tài)和氣象等各個(gè)領(lǐng)域，在世界各地不同氣候和水文條件下，模型得到了測(cè)試和驗(yàn)證[1]。MIKE SHE模型的典型應(yīng)用范圍可分為流域規(guī)劃、土壤和水資源管理、灌溉和排水、污水排放點(diǎn)的水污染、土地利用變化的影響、氣候變化的影響、生態(tài)評(píng)價(jià)等[1]。

華北平原由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速且人口眾多，已出現(xiàn)嚴(yán)重的水資源短缺問題。地下水是華北平原最主要的供水來(lái)源，供水量約占總供水量的70%左右[9-10]。近幾十年來(lái)地下水開采、地表水?dāng)r蓄等人類活動(dòng)，使地下水自然演化過程受到干擾，導(dǎo)致地下水環(huán)境、補(bǔ)給方式和更新速度等水文地質(zhì)條件發(fā)生變化，對(duì)該地的環(huán)境和地下水開發(fā)利用造成嚴(yán)重影響。同時(shí)，因不合理開發(fā)水資源而產(chǎn)生了一系列的環(huán)境、生態(tài)問題，如地面沉降、塌陷、土壤次生鹽漬化等[11]。華北平原人均水資源占有量為501 m3/a，僅為全國(guó)人均占有量的23%[12]。造成華北平原水資源短缺和地下水超采的主要原因有[13]：(1)區(qū)域性降水顯著減少，造成資源性缺水；(2)水資源管理方面存在缺陷，造成管理性缺水；(3)人口膨脹、經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)模過大，造成對(duì)水資源的需求遠(yuǎn)超水資源承載力等政策性缺水。

許多學(xué)者對(duì)華北平原水資源進(jìn)行了研究[12]，大多采用MODFLOW作為工具，如Liu等[14]、Wang等[15]、Cao等[16]、李玲等[10]。在這些研究中，對(duì)地下水補(bǔ)給量的處理也十分簡(jiǎn)單，多數(shù)是通過下滲系數(shù)或?qū)⒌叵滤a(bǔ)給量假設(shè)為降水量的一定比例，并沒有考慮蒸散發(fā)的動(dòng)態(tài)性或灌溉的影響。Kendy等[17]指出，地下水補(bǔ)給占降水量的比例取決于降水和灌溉的數(shù)量及空間分布，對(duì)地下水補(bǔ)給的簡(jiǎn)單處理會(huì)在評(píng)估地下水補(bǔ)給量及水均衡的過程中引入很大的不確定性。因此，需要采用分布式水文模型對(duì)華北平原水均衡和水資源利用進(jìn)行更加可靠的研究與評(píng)估[18]。

本文在Qin等[12]校準(zhǔn)的華北平原分布式水文MIKE SHE模型的基礎(chǔ)上考慮氣候變化和人類活動(dòng)的影響，通過設(shè)定不同情景，預(yù)測(cè)華北平原2009-2028年的水文循環(huán)過程和水資源利用狀況，定量分析氣候變化和人類活動(dòng)對(duì)華北平原水資源利用的影響，為解決華北平原水資源短缺問題提供有效的指導(dǎo)和科學(xué)的建議。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)概況

華北平原是指黃河以北、燕山以南和太行山以東的沖積平原區(qū)，即北緯36°～41°，東經(jīng)114°30′～118°30′之間的地帶，包括京津全部、河北大部分及山東、河南兩省黃河以北部分(圖1)[2,12]，總面積為1.4×105km2，占全國(guó)陸地總面積的1.5%，包括21個(gè)地級(jí)市210個(gè)縣(區(qū))。華北平原是我國(guó)政治、經(jīng)濟(jì)、文化的中心，但由于半濕潤(rùn)半干旱的氣候，幾乎每年都要遭受旱災(zāi)威脅，是我國(guó)水資源壓力最大的地區(qū)。華北平原地勢(shì)自北、西、南3個(gè)方向向渤海灣傾斜，大部分海拔50 m以下，東部沿海平原海拔10 m以下，高程由西部山前的100 m降至沿海的2～6 m。按成因和形態(tài)特征可將其劃分為山前沖洪積傾斜平原、中東部沖積湖平原、黃河沖擊扇及濱海沖積海積平原。

華北平原屬亞歐大陸東岸溫暖帶半干旱季風(fēng)型氣候區(qū)，冬春寒冷干燥，夏季炎熱多雨，多年平均(1951-1995)降水量554 mm，濱海地區(qū)降水量600～650 mm。降水量年內(nèi)分配不均勻，汛期(6-9月)占全年的75%以上，往往春旱秋澇；降水量年際變化大，少雨年份大部分地區(qū)降水量不足400 mm，多雨年份大部分地區(qū)降水量多于800 mm。華北平原年平均氣溫為13.0℃，全年1月份溫度最低(-1.8～-1℃)，7月份溫度最高(26～32℃)，最高氣溫可達(dá)40℃以上。全年日照時(shí)數(shù)在2 400～3 100 h，無(wú)霜期在200 d以上，水面蒸發(fā)量為900～1 400 mm，蒸發(fā)量隨氣溫上升而增加，大致隨緯度增加而遞減。

(1)氣象站點(diǎn)和觀測(cè)井位置；(2)地形區(qū)邊界[16]：

調(diào)查表明，華北平原地下水天然資源量為227.4×108m3/a，淺層地下水可開采資源量為168.3×108m3/a，深層地下水可采資源量為24.2×108m3/a。2000年華北平原地下水開采量為212.0×108m3，其中淺層地下水開采量為178.4 ×108m3，占總開采量的84.2%；深層地下水開采量為33.6×108m3，占總開采量的15.8%。華北平原淺層地下水開發(fā)利用程度總體上為112%，深層地下水為139%。由于開采布局不合理，深層地下水水位持續(xù)下降，全區(qū)深層地下水水位低于海平面的范圍已達(dá)到76 732 km2，占平原區(qū)總面積的55%。

2.2 華北平原MIKE SHE模型概括

本文是在Qin等[12]建立的華北平原分布式MIKE SHE模型的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定不同情景對(duì)華北平原2009-2028年的水文循環(huán)和水資源利用進(jìn)行預(yù)測(cè)，篇幅所限，本節(jié)給出該模型的簡(jiǎn)要概括，具體細(xì)節(jié)請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[12]。

華北平原MIKE SHE模型包括以下模塊：坡面流、蒸散發(fā)、河流和湖泊、非飽和帶水流、飽和帶水流及地下水抽取和灌溉。模型中的數(shù)據(jù)包括氣象數(shù)據(jù)、土地利用數(shù)據(jù)、抽水?dāng)?shù)據(jù)和ETWatch數(shù)據(jù)。模擬時(shí)間周期是2000年1月1日至2008年8月31日，劃分為兩段：2000-2005年為校準(zhǔn)階段，2006-2008年為驗(yàn)證階段。模型中地下水水流的時(shí)間步長(zhǎng)是1 d，河流湖泊水流的時(shí)間步長(zhǎng)是5 min。模擬區(qū)域被離散為300列350行的網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格大小為2 km×2 km，總模擬面積14 000 km2。在垂向上，模型被剖分為三層[12]：第一層包含前兩個(gè)含水層(圖1中的I和II)，第二、三層分別對(duì)應(yīng)含水層III和IV。來(lái)自SRTM(Shuttle Radar Topography Mission)的90 m分辨率的高程數(shù)據(jù)被聚合成符合模型網(wǎng)格大小的文件并被用作模型的頂部高程[12]。非飽和含水帶水流采用二層水均衡模型[19]計(jì)算，而飽和含水層被劃分為三層，通過27個(gè)水文地質(zhì)單元進(jìn)行參數(shù)賦值，每個(gè)水文地質(zhì)單元單獨(dú)賦予水文地質(zhì)參數(shù)。

模型使用自帶的AutoCAL作為優(yōu)化校準(zhǔn)的工具，通過分布于研究區(qū)的226口觀測(cè)井(圖1)來(lái)校準(zhǔn)地下水水位。模型的校準(zhǔn)和驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)于大多數(shù)觀測(cè)井，相關(guān)系數(shù)在0.75以上，表明了觀測(cè)值和模擬值之間一致性良好。大多數(shù)井的均方根誤差在0.86～3.36 m，對(duì)于大尺度的研究區(qū)來(lái)說，這些值是很小的。在驗(yàn)證階段，除了井116和140外，大部分井的相關(guān)系數(shù)都很高，表明校準(zhǔn)過程是成功的。所有井的平均誤差、平均絕對(duì)誤差和均方根誤差分別為1.54、13.15和19.49 m。相對(duì)于地下水降落漏斗中心的最大地下水水位變化為60 m(淺層含水層)和70 m(深層含水層)而言，這些值是相對(duì)較小的。總體來(lái)說，模型校準(zhǔn)的結(jié)果基本上證明了華北平原MIKE SHE模型的有效性。

3 情景分析模型的構(gòu)建與模擬

3.1 假設(shè)條件

鑒于未來(lái)的不可知性和數(shù)據(jù)的可獲得性，華北平原水資源利用情景分析是以現(xiàn)有數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在一定的假設(shè)條件下設(shè)計(jì)各種不同的情景，通過對(duì)這些情景的模擬來(lái)分析水資源利用狀況，這些假設(shè)條件包括：

(1) 情景分析模型中的氣象數(shù)據(jù)以2000-2009年的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用重復(fù)使用的形式，生成代表2009-2028年的氣象數(shù)據(jù)。這是因?yàn)閷?duì)情景的模擬和分析側(cè)重于多年平均結(jié)果所呈現(xiàn)出的規(guī)律，因而重復(fù)使用歷史數(shù)據(jù)是可行和合適的。該假設(shè)是在有限的歷史數(shù)據(jù)下進(jìn)行情景分析所采用的比較合理的選擇。

(2) 校準(zhǔn)后的模型2008年的地下水水位模擬值作為情景分析模型地下水水位初始值。

(3) 鑒于糧食在華北平原乃至整個(gè)中國(guó)的重要性，預(yù)計(jì)華北平原在未來(lái)農(nóng)作物類型不會(huì)有大的改變，現(xiàn)狀的土地利用類型將得以保持，因此假設(shè)未來(lái)的土地利用類型保持不變，但可以改變農(nóng)作物灌溉的方式及灌溉量。

(4) 為保證了抽水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源的一致性，模型中用于城鎮(zhèn)生活、農(nóng)村生活和工業(yè)生產(chǎn)的抽水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)自于同類型情景下系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的模擬結(jié)果(詳見文獻(xiàn)[2])。

(5) 鑒于未來(lái)數(shù)據(jù)的未知性及不可獲得性，涉及模型的結(jié)構(gòu)和其它數(shù)據(jù)都保持和現(xiàn)狀一致，即認(rèn)為華北平原現(xiàn)狀的模型結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)可以代表未來(lái)。

3.2 情景設(shè)計(jì)

情景分析模型的模擬周期是2009-2028年，模擬的時(shí)間步長(zhǎng)、網(wǎng)格剖分、數(shù)值計(jì)算控制條件等與文獻(xiàn)[12]保持一致。本文的情景設(shè)計(jì)包括以下4大類(表1)：(1)現(xiàn)狀保持型；(2)農(nóng)業(yè)節(jié)水型；(3)南水北調(diào)型；(4)綜合發(fā)展型。

表1 各情景分析模型設(shè)計(jì)方案

3.2.1 情景M1：現(xiàn)狀保持 氣候變化主要表現(xiàn)為3個(gè)方面：全球氣候變暖、酸雨和臭氧層破壞，其中全球氣候變暖是人類目前最迫切的問題。國(guó)內(nèi)有許多學(xué)者研究了氣候變化條件下華北平原降水的變化，如郝立生等[20]、陳烈庭[21]，普遍的結(jié)論是：20世紀(jì)60年代中期以后，華北平原降水呈減少趨勢(shì)，特別是70年代以來(lái)，降水減少更加明顯。陳烈庭[21]指出，1991-1997年華北平原全區(qū)平均夏季降水總量減少6%?？紤]到華北平原降水量的75%發(fā)生在夏季[12,22]，在現(xiàn)狀保持型情景下考慮氣候變化導(dǎo)致降水減少是很有必要的，為了進(jìn)行對(duì)比，此處也考慮降水增加的情景。

為了考慮氣候變化的影響，此處設(shè)定了3個(gè)子情景：M1，M1-1和M1-2。M1是在文獻(xiàn)[12]的基礎(chǔ)上，基于前文所提假設(shè)條件而設(shè)定的現(xiàn)狀保持型情景；M1-1是在M1的基礎(chǔ)上，依據(jù)陳烈庭[21]的研究，假設(shè)研究區(qū)未來(lái)的氣候條件發(fā)生改變導(dǎo)致降水量減少5%而設(shè)定的情景；M1-2是在M1的基礎(chǔ)上，假設(shè)降水量增加5%而設(shè)定的情景。

3.2.2 情景M2：農(nóng)業(yè)節(jié)水 由于農(nóng)業(yè)是華北平原的用水大戶，大約85%的水被農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所消耗[12]，因此從農(nóng)業(yè)方面采取節(jié)水措施，對(duì)于緩解華北平原水資源供需矛盾具有顯著效果。

該情景涉及對(duì)農(nóng)作物灌溉用水的處理，關(guān)鍵是農(nóng)作物灌溉頻次和年灌溉水量，由此設(shè)計(jì)了考慮年灌溉水量的M2-1和考慮灌溉頻次的M2-2。由于華北平原作物輪作模式主要是冬小麥-夏玉米[12]，冬小麥所需的灌溉次數(shù)及年灌溉量也是最多的，為簡(jiǎn)化模型，在M2-1中只考慮冬小麥-夏玉米的年灌溉水量減少20%，即將冬小麥-夏玉米每次灌溉水量都減少20%。

表2列出了M2-1下農(nóng)作物相關(guān)參數(shù)，作物系數(shù)、葉面積指數(shù)、根系深度和灌溉頻次保持與M1相同，冬小麥和夏玉米的年灌溉水量減少20%。

表2 情景M2-1下農(nóng)作物參數(shù)

M2-2涉及農(nóng)作物灌溉頻次與非充分灌溉有關(guān)。非充分灌溉廣義上可理解為灌水量不能完全滿足作物的生長(zhǎng)發(fā)育全過程，即將有限的水科學(xué)合理(非足額)地安排在對(duì)產(chǎn)量影響比較大并能產(chǎn)生較高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的水分臨界期供水，在非水分臨界期少供水或不供水。非充分灌溉基于這樣一個(gè)的事實(shí)：如果采用符合作物種植周期且減少灌溉頻次的策略，作物可以蒸散(消耗)少于潛在蒸散發(fā)量的水量，同時(shí)又能夠達(dá)到甚至超過自然灌溉情況下的產(chǎn)量[23]。具體來(lái)說，在M2-2中以多年平均降水量554 mm為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)年降水量PA的大小將模擬年份大致劃分為干旱年(PA≤554)、正常年(554

3.2.3 情景M3：南水北調(diào) 由于南水北調(diào)工程引水主要供給城鎮(zhèn)生活和工業(yè)生產(chǎn)，因此在M3中假設(shè)引水量全部用于城鎮(zhèn)區(qū)域，從而用于城鎮(zhèn)生活和工業(yè)生產(chǎn)的地下水抽采全部停止，但維持用于農(nóng)村生活的地下水抽采，即文獻(xiàn)[12]中抽水量計(jì)算公式中城鎮(zhèn)生活和工業(yè)需水量設(shè)為0，而農(nóng)村生活需水量則按原來(lái)方法計(jì)算，Liu等[14]采用的即是這種處理方法。

3.2.4 情景M4：綜合發(fā)展 綜合發(fā)展型情景是指綜合考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水與南水北調(diào)工程，既采取增加供水的措施，也強(qiáng)調(diào)節(jié)水措施的實(shí)施，雙管齊下，綜合性地解決缺水問題。

該情景分為M4-1(M2-1+M3)和M4-2(M2-2+M3)，M4-1中，冬小麥和夏玉米灌溉量減少20%，同時(shí)停止用于城鎮(zhèn)生活和工業(yè)生產(chǎn)的地下水抽取，保持用于農(nóng)村生活的地下水抽??；M4-2中，分干濕水平年的不同，冬小麥灌溉頻次減少(同M2-2)，年灌溉水量保持和M1一致，同時(shí)停止用于城鎮(zhèn)生活和工業(yè)生產(chǎn)的地下水抽取，保持用于農(nóng)村生活的地下水抽取。

3.3 模擬結(jié)果分析

華北平原情景分析模型共設(shè)定了8種情景，考慮了氣候變化(M1-1和M1-2，降水量變化)、農(nóng)業(yè)節(jié)水(M2-1和M2-2，減少灌溉定額和次數(shù))、區(qū)域外引水(M3，南水北調(diào)工程)及它們的綜合情況(M4-1和M4-2)。通過對(duì)不同情景模擬結(jié)果的對(duì)比，可以對(duì)華北平原未來(lái)水資源利用的可持續(xù)性進(jìn)行分析，為解決華北平原水資源短缺問題提供科學(xué)的指導(dǎo)。

地下水水位是水文模型中非常重要的變量，它對(duì)飽和含水層水流及實(shí)際蒸散發(fā)均有較大影響。在情景分析部分，選取6口井(表3)來(lái)展示不同情景下地下水水位的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)(圖2)。從圖2中可以看出，各種情景下絕大多數(shù)觀測(cè)井的水位呈下降趨勢(shì)，預(yù)測(cè)期內(nèi)6口井的水位下降大約為5～20 m，但不同情景下水位下降的速率不同。相對(duì)于現(xiàn)狀保持型情景，農(nóng)業(yè)節(jié)水型情景和南水北調(diào)型情景都具有更小的水位下降速率，即水位出現(xiàn)了一定程度的恢復(fù)，甚至出現(xiàn)水位上升的情況(圖2中的井116)。綜合發(fā)展型情景是所有情景中水位下降速率最小的，其中M4-2的水位恢復(fù)比M4-1要快，說明在恢復(fù)地下水水位方面，非充分灌溉的效果比減少灌溉量的要好。作為對(duì)比，M3下的水位恢復(fù)比M2-1與M2-2要好，說明南水北調(diào)型情景比農(nóng)業(yè)節(jié)水型情景的效果要好。顯而易見的是，氣候變化導(dǎo)致降水減少(M1-1)會(huì)加劇水位的下降，而降水增加(M1-2)則對(duì)水位的恢復(fù)有一定的幫助。

表3 情景分析模型中各觀測(cè)井信息

地下水均衡是模型中非常重要的結(jié)果，通過分析水均衡可知道研究區(qū)可利用水資源的狀況。主要地下水均衡項(xiàng)包括降水、實(shí)際蒸散發(fā)、總抽水、總灌溉、地下水補(bǔ)給、飽和含水層儲(chǔ)量變化、非飽和含水層儲(chǔ)量變化。

表4列出了預(yù)測(cè)期內(nèi)不同情景下華北平原主要地下水均衡項(xiàng)多年平均值，從表4中可看出，所有情景下總流出水量大于總流入水量，導(dǎo)致地下水含水層儲(chǔ)量減少(負(fù)值)及地下水資源利用的不可持續(xù)，含水層儲(chǔ)量減少會(huì)加劇水資源短缺問題。從M1到M4-2，含水層儲(chǔ)量的減少量呈下降趨勢(shì)(M1-1除外)，說明農(nóng)業(yè)節(jié)水措施及南水北調(diào)工程在地下水儲(chǔ)量恢復(fù)上發(fā)揮了重要的作用，對(duì)于緩解甚至解決研究區(qū)水資源短缺問題起著至關(guān)重要的作用?？紤]氣候變化導(dǎo)致降水量增加的M1-2是所有情景中總流入水量(725 mm/a)和總流出水量(798 mm/a)最多的，說明作為主要流入來(lái)源的降水量對(duì)區(qū)域總水量起著決定作用。

圖2 不同情景下觀測(cè)井的地下水水位序列圖

mm/a

實(shí)際蒸散發(fā)是總流出水量中最主要的部分，預(yù)測(cè)期內(nèi)所有情景下實(shí)際蒸散發(fā)占總流出水量比例大約為75%(圖3)，因此，控制實(shí)際蒸散發(fā)可以有效地控制水資源流出量，進(jìn)而對(duì)華北平原水資源進(jìn)行可持續(xù)的利用和管理?？偝樗ㄓ糜诠I(yè)生產(chǎn)、居民生活、牲畜飲用及農(nóng)作物灌溉的部分，圖3列出了總灌溉占總抽水的比例。從中可看出，相對(duì)于現(xiàn)狀保持型情景(M1)，農(nóng)業(yè)節(jié)水型情景(M2-1和M2-2)下該比例略有下降，南水北調(diào)型情景(M3)和綜合發(fā)展型情景(M4-1和M4-2)下該比例有顯著提高。這是由于農(nóng)業(yè)節(jié)水型情景直接減少農(nóng)業(yè)用水量，但強(qiáng)度不大，因而該比例會(huì)略微下降；而南水北調(diào)型情景則停止了用于工業(yè)生產(chǎn)及居民生活的地下水抽取，但保留了用于牲畜飲用的地下水抽取，從而造成用于灌溉的地下水抽取比例顯著提高。同時(shí)，考慮氣候變化的情景(M1-1和M1-2)下該比例無(wú)顯著變化，說明氣候變化(降雨量的增減)對(duì)于總灌溉用水占總抽水比例沒有太大的影響。

圖3 預(yù)測(cè)期內(nèi)實(shí)際蒸散發(fā)占總流出量、總灌溉量占

能夠滿足可持續(xù)發(fā)展原理的地下水利用，可以保證在未來(lái)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)地下水含水層儲(chǔ)量不出現(xiàn)大的消耗，否則地下水利用是不可持續(xù)的。圖4是預(yù)測(cè)期內(nèi)各種情景下飽和含水層儲(chǔ)量的變化曲線，從圖4中可看出，各種情景下華北平原飽和含水層儲(chǔ)量都會(huì)顯著下降，下降最多的是M1-1(0.1 m/a)，下降最少的是M4-2(0.02 m/a)。相對(duì)于現(xiàn)狀保持型情景M1，氣候變化導(dǎo)致降水減少的情景M1-1的飽和含水層儲(chǔ)量下降得更加明顯，其他情景的下降速率在一定程度上有所緩解。特別是考慮南水北調(diào)工程后(M3、M4-1和M4-2)，地下水飽和含水層儲(chǔ)量下降速率明顯放緩，說明南水北調(diào)工程對(duì)于華北平原地下水可持續(xù)利用具有非常重要的作用。定量地說，到預(yù)測(cè)期末(2028年12月31日)，相對(duì)于現(xiàn)狀保持型情景M1，如果只考慮南水北調(diào)工程(M3)，地下水儲(chǔ)量可恢復(fù)1.12 m；如果考慮南水北調(diào)和農(nóng)業(yè)節(jié)水措施(M4-1和M4-2)，地下水儲(chǔ)量可恢復(fù)1.19和1.26 m；而只考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水措施(M2-1和M2-2)，地下水儲(chǔ)量分別恢復(fù)0.06和0.12 m(圖5)。

由此可見，考慮南水北調(diào)工程及采用非充分灌溉技術(shù)(M4-2)，可以有效恢復(fù)華北平原地下水水位和儲(chǔ)量。氣候變化對(duì)華北平原地下水儲(chǔ)量也有較大影響：如果降水量減少5%(M1-1)，那么在未來(lái)20年，華北平原地下水水位將降低0.27 m；而如果降水量增加5%(M1-2)，則華北平原地下水水位將增加0.3 m，華北平原地下水儲(chǔ)量的增減和降水量的增減呈正相關(guān)關(guān)系。

圖4 不同情景下華北平原飽和含水層儲(chǔ)量變化圖

圖5 預(yù)測(cè)期末各情景下飽和含水層儲(chǔ)量直方圖及

4 結(jié) 論

在Qin等[12]構(gòu)建并校準(zhǔn)的MIKE SHE模型基礎(chǔ)上，本文在模型中考慮了氣候變化和人類活動(dòng)的影響，通過設(shè)定8個(gè)不同的情景，對(duì)華北平原2009-2028年水文循環(huán)和水資源利用的情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)和分析?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：

(1)相對(duì)于其它情景，考慮南水北調(diào)工程的情景(M3、M4-1和M4-2)預(yù)測(cè)期末(2028年12月31日)的地下水水位有較大程度的恢復(fù)。相對(duì)于現(xiàn)狀保持型情景M1，如果只考慮南水北調(diào)工程(M3)，華北平原地下水儲(chǔ)量可恢復(fù)1.12 m；如果考慮南水北調(diào)和農(nóng)業(yè)節(jié)水措施(M4-1和M4-2)，則地下水儲(chǔ)量可恢復(fù)1.19和1.26 m；而只考慮農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的情景M2-1和M2-2的地下水儲(chǔ)量分別恢復(fù)0.06和0.12 m。

(2)華北平原水量總流入小于總流出的趨勢(shì)在2009-2028年不會(huì)改變，這將導(dǎo)致地下含水層儲(chǔ)量的消耗。無(wú)論哪種情景，地下含水層儲(chǔ)量都呈下降趨勢(shì)，說明地下水的利用是不可持續(xù)的。

(3)通過采用適當(dāng)?shù)那榫?M3、M4-1和M4-2)，可以較大程度緩解華北平原水資源利用的不可持續(xù)性。一方面增加水供給(南水北調(diào))，一方面又強(qiáng)調(diào)節(jié)水措施的實(shí)施，雙管齊下，才能保證華北平原水資源利用處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用。

(4)氣候變化對(duì)華北平原地下水儲(chǔ)量有較大影響：如果降水量減少5%，那么在2009-2028年地下水儲(chǔ)量將減少0.27 m；如果降水量增加5%，則地下水儲(chǔ)量將增加0.3 m。

南水北調(diào)工程和農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的實(shí)施對(duì)華北平原地下水水位的恢復(fù)、缺水程度的緩解具有顯著作用。要恢復(fù)華北平原的地下水水位，保證水資源的可持續(xù)利用，既要“開源”，通過調(diào)水工程將區(qū)域外的水調(diào)入?yún)^(qū)內(nèi)，增加水供給，又要“節(jié)流”，采取各種節(jié)水措施，讓節(jié)約用水的概念深入民心、落到實(shí)處，形成全社會(huì)節(jié)約用水的風(fēng)氣，同時(shí)加強(qiáng)用水大戶(工農(nóng)業(yè))節(jié)水措施、節(jié)水技術(shù)的改進(jìn)和實(shí)施。