華北典型灌區(qū)氣候變化條件下地下水響應(yīng)研究

韓宇平　劉存強(qiáng)　趙雨婷　劉中培　王春穎

摘要：基于MODFLOW模型，以華北平原人民勝利渠灌區(qū)為例，結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件，建立地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬模型，通過(guò)參數(shù)校準(zhǔn)和模型驗(yàn)證，表明建立的地下水運(yùn)動(dòng)模型能夠合理地反映研究區(qū)2012-2013年的地下水運(yùn)動(dòng)狀況，模擬結(jié)果表明該灌區(qū)地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)?；谀M結(jié)果，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了氣候情景（選取RCP4.5情景NorESM1-M模式）下灌區(qū)2030年地下水水位情況。結(jié)果表明與1997-2013年相比，2030年灌區(qū)地下水位持續(xù)下降，漏斗面積逐漸擴(kuò)大。以此為基礎(chǔ)，開(kāi)展地下水開(kāi)采量情景分析，將開(kāi)采量分別增加和減少20%，預(yù)測(cè)2030年在不同開(kāi)采量情景下地下水水位變化情況。最后根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果初步提出地下水開(kāi)采量減少20%的調(diào)控方案，以保證地下水水位有所上升，漏斗面積減少。

關(guān)鍵詞：MODFLOW;灌區(qū);地下水;氣候變化;情景分析

中圖分類(lèi)號(hào)：P641文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：The MODFLOW model was used to simulate groundwater flow in a typical irrigation area，Peoples' Victory Canal Irrigation District，in North China Plain，based on the hydrogeological conditions of the study area.The model parameters were well calibrated and model verification results showed that the simulation results could reasonably reflect the groundwater dynamics in the study area from 2012 to 2013.Under agricultural groundwater exploitation and climate conditions during 2012-2013 period，groundwater balance was in a negative equilibrium state.The spatial distribution of groundwater flow in 2030 under the future climate change scenarios （RCP4.5 scenario NorESM1-M model） was further predicted.The results showed that the groundwater level would continue to decline from 2013 to 2030，and the low groundwater level funnel area was gradually expanding.The spatial distribution of groundwater flow in 2030 was further expllored under different groundwater exploitation scenarios，i.e.，the exploitation quantity increased and decreased by 20%，respectively.According to the forecast results，a 20% reduction in groundwater exploitation was projected to ensure that the groundwater level could be raised and the funnel area could be reduced.However，an increase in exploitation would lead to an obvious increase in the groundwater funnel area.

Key words：MODFLOW;irrigation area;groundwater;climate change;scenario analysis

農(nóng)業(yè)用水是我國(guó)水資源利用的主體，多年平均用水量約占全國(guó)總用水量的70%以上。其中地下水是我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉的重要水源，在城鄉(xiāng)生活用水、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)平衡等方面也起著非常重要的作用[1]。然而我國(guó)地下水采補(bǔ)平衡方面面臨嚴(yán)重問(wèn)題，北方地區(qū)特別是黃淮海流域，地下水用水比例不斷上升[2]，地下水開(kāi)采量的不斷增加引起了一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題[3]。研究表明地下水超采會(huì)導(dǎo)致水源地地下水位下降過(guò)大，形成地下水降落漏斗[4-6]，在沿海地區(qū)甚至還會(huì)造成海水入侵[7]。因此研究農(nóng)業(yè)用水對(duì)地下水水位的影響對(duì)于地下水資源的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展非常必要[8]。

地下水作為水循環(huán)的主要組成部分其動(dòng)態(tài)變化與人類(lèi)活動(dòng)和氣候變化密切相關(guān)。隨著人類(lèi)對(duì)地下水開(kāi)采量的增加，地下水的補(bǔ)排平衡被破壞，導(dǎo)致地下水水位逐年下降。與此同時(shí)，氣候變化導(dǎo)致的降水、蒸散發(fā)、潛水蒸發(fā)變化也影響著地下水補(bǔ)排關(guān)系[9]。為研究其對(duì)地下水動(dòng)態(tài)的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用了各種方法和模型。王蕊等[10]建立了地表水地下水耦合模型，研究了南水北調(diào)工程實(shí)施后對(duì)白洋淀水文過(guò)程的影響。陳皓銳等[11]應(yīng)用MODFLOW模擬了未來(lái)不同情景下未來(lái)的潛水位對(duì)氣候和人類(lèi)活動(dòng)的響應(yīng)情況。Scibek等[12]耦合了氣候模式和地下水模型，研究Grand Forks地區(qū)不同氣候情景下地下水的補(bǔ)排情況。Kirshen[13]結(jié)合MODFLOW模型研究了全球變暖對(duì)馬薩諸塞州東部地下水的潛在影響，研究表明干旱情景下氣候變化對(duì)地下水的影響更為嚴(yán)重。Oude Essink等[14]建立了地下水運(yùn)動(dòng)模型，研究氣候變暖情況下荷蘭沿海地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化情況。廖梓龍[15]的研究表明，降雨補(bǔ)給變化對(duì)地下水水位變化影響非常大，同時(shí)人類(lèi)開(kāi)采活動(dòng)也對(duì)地下水位變化造成很大影響。劉路廣等[16]基于MODFLOW模型模擬了柳園口灌區(qū)不同灌溉方式、地下水開(kāi)采量和種植結(jié)構(gòu)情況下地下水位的響應(yīng)，結(jié)果表明井渠聯(lián)合可以很好地控制地下水位。王電龍等[17]應(yīng)用了水量平衡原理、統(tǒng)計(jì)降尺度和概率統(tǒng)計(jì)等方法研究了不同氣候變化情景下華北平原井灌糧區(qū)未來(lái)50年糧食生產(chǎn)地下水保障能力，從糧食生產(chǎn)安全用水角度建議了合理的發(fā)展模式。林艷竹[18]應(yīng)用了GMS及改進(jìn)后的MODFLOW模型預(yù)測(cè)了現(xiàn)狀氣候和未來(lái)不同模式的長(zhǎng)期氣候情景下地下水流場(chǎng)和動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，分析氣候變化對(duì)華北平原地下水流場(chǎng)和均衡的影響。王利書(shū)等[19]研究發(fā)現(xiàn)石羊河流域近20年來(lái)氣象因素中降水量、蒸發(fā)量的變化對(duì)地下水位影響較小，徑流量的變化對(duì)地下水位影響較大。大量觀(guān)測(cè)證據(jù)表明，由于大氣中溫室氣體濃度的增加，目前全球正經(jīng)歷明顯的氣候變化[20-22]。以往研究表明氣候變化與地下水開(kāi)采可能是造成地下水位變化的主要因素，因此，研究長(zhǎng)期氣候變化和農(nóng)業(yè)用水條件下地下水的演變規(guī)律研究及發(fā)展趨勢(shì)具有重要的意義。

2.2 未來(lái)氣候情景構(gòu)建

氣候模式是目前預(yù)測(cè)未來(lái)氣候變化和影響的最主要的工具。氣候模式的輸出結(jié)果，通常是在一定溫室氣體和氣溶膠的排放情景（濃度情景或響應(yīng)輻射強(qiáng)迫情景）下模擬得到[30]。本文選取聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第五次評(píng)估報(bào)告中確定使用的“典型濃度路徑”（representative concentration pathways，RCPs）為未來(lái)的濃度情景。選取RCP4.5作為氣候模式的模擬情景，因?yàn)樵撉榫笆钱?dāng)前應(yīng)用較為廣泛的一種排放情景，該情景下2100年大氣溫室氣體濃度穩(wěn)定在6.5×10-4CO2當(dāng)量，輻射強(qiáng)迫穩(wěn)定在4.5 W/m2，大氣溫度預(yù)計(jì)平均升高3.6 ℃。氣候模式模擬數(shù)據(jù)來(lái)源于ISI-MIP提供，中國(guó)農(nóng)科院環(huán)發(fā)所收集整理的中國(guó)大陸地區(qū)氣候變化情景數(shù)據(jù)集，本文選取NorESM1-M模式作為建立模型的氣候模式。該數(shù)據(jù)集經(jīng)時(shí)間范圍為1951-2050年，空間水平分辨率為0.5°×0.5°。覆蓋研究區(qū)有兩個(gè)網(wǎng)格，以這兩個(gè)網(wǎng)格的模擬值的算術(shù)平均結(jié)果作為區(qū)域氣候變化情景。2014-2030年研究區(qū)蒸發(fā)量根據(jù)NorESM1-M模式輸出結(jié)果計(jì)算得到。Noresm1-M模式下2014-2030年灌區(qū)平均氣溫升高1.9 ℃，年平均降水量585 mm，年平均潛在蒸散量為1 335 mm。為闡明氣候變化對(duì)地下水的影響，基于2012-2013年地下水開(kāi)采情況，2014-2030年氣候變化條件下模型模擬結(jié)果與1997-2013年歷史氣象條件（年平均降水量608 mm，年平均潛在蒸散量1 078 mm）下灌區(qū)地下水變化情況進(jìn)行對(duì)比。另外，本文開(kāi)展了氣候變化條件下開(kāi)采方案情景分析，目的是為了分析未來(lái)氣候下人工開(kāi)采量變化對(duì)地下水的影響，為提出合理的地下水開(kāi)采方案提供依據(jù)。基于未來(lái)全球變暖情景下，大氣溫度升高，作物需水量的增加，同時(shí)工業(yè)、生活、生態(tài)的用水量也增加，設(shè)置地下水開(kāi)采量增加20%的情景。基于未來(lái)限制地下水開(kāi)采同時(shí)采用節(jié)水灌溉設(shè)施，設(shè)置地下水開(kāi)采量降低20%的情景[31]。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證

以2012年1月實(shí)測(cè)地下水位為MODFLOW模型的初始水位，模型的校準(zhǔn)期選取2012年1月1日至2012年12月31日，校準(zhǔn)期間通過(guò)反復(fù)調(diào)整參數(shù)使模型模擬值與實(shí)測(cè)值盡量接近以確定最優(yōu)參數(shù)（表2）。模型的驗(yàn)證期選取2013年1月1日至2013年12月31日。模型模擬期間亢村、夏莊、后河、北翟坡、莊巖、張村6個(gè)地下水位觀(guān)測(cè)井的實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比見(jiàn)圖4，模型擬合統(tǒng)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。結(jié)果表明，觀(guān)測(cè)點(diǎn)在各個(gè)時(shí)段的模擬水位與觀(guān)測(cè)水位擬合程度較好（圖4）。模型校準(zhǔn)期和驗(yàn)證期歸一化均方根誤差（NRMS）分別為3.9%和3.1%，均方差（RMS）為0.77 m和0.56 m（表3）。以上結(jié)果表明MODFLOW模型能夠較好的模擬各觀(guān)測(cè)井地下水水位及反映研究區(qū)地下水系統(tǒng)的變化規(guī)律。MODFLOW模型模擬的數(shù)據(jù)，研究期間水量補(bǔ)給項(xiàng)、排泄項(xiàng)總水量見(jiàn)表4。由表4可看出，降水入滲是主要的補(bǔ)給項(xiàng)，地下水開(kāi)采灌溉是主要的排泄項(xiàng)。研究期間灌區(qū)地下水量呈負(fù)均衡態(tài)勢(shì)，即地下水位呈下降趨勢(shì)。地下水過(guò)度開(kāi)采是造成下水量呈負(fù)均衡態(tài)勢(shì)的主要原因。最后，需要指出的是雖然在MODFLOW模型校準(zhǔn)與驗(yàn)證過(guò)程中取得較好的模擬效果，但仍存在一些不足。本研究實(shí)測(cè)地下水位資料的時(shí)間序列較短，觀(guān)測(cè)井?dāng)?shù)量較少，僅對(duì)兩年以月為單位的6個(gè)觀(guān)測(cè)井的地下水變化進(jìn)行模擬與驗(yàn)證，今后仍需進(jìn)一步增加監(jiān)測(cè)井?dāng)?shù)量和延長(zhǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間，補(bǔ)充校準(zhǔn)模型所需實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以降低模型參數(shù)的不確定性和提高模擬結(jié)果準(zhǔn)確性。

3.2 氣候變化對(duì)地下水位影響及情景分析

為了評(píng)價(jià)氣候變化對(duì)地下水水位影響，選取2012年末地下水位圖（圖5）作為水位的對(duì)比圖。氣候變化情景下，基于已校準(zhǔn)的MODFLOW模型，以2012年末觀(guān)測(cè)井的水位作為模型的初始水位，控制開(kāi)采量、側(cè)向流入、河道滲漏、側(cè)向流出不變，分別輸入1997-2013年、2014-2030年的氣候變化條件下降水和潛水蒸發(fā)，進(jìn)而分析氣候變化對(duì)地下水的影響。

1997-2013年歷史氣象條件下及2014-2030年氣候變化條件下模型模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。模擬結(jié)果表明2013年末和2030年末灌區(qū)地下水仍然呈現(xiàn)西南多東北少態(tài)勢(shì)，地下水流向由西南部流向東北部。

歷史氣象條件下2013年末及氣候變化條件下2030年末地下水水位與初始水位相比，整體有下降趨勢(shì)。本文將灌區(qū)地下水水位低于60 m的區(qū)域劃分為地下水漏斗區(qū)域。從圖6的地下水漏斗分布可以看出，灌區(qū)地下水漏斗從夏莊附近逐漸往西南方向延伸，漏斗區(qū)域面積顯著增大，2013年末漏斗面積小于2030年末漏斗面積。2014-2030年和1997-2013年期間地下水補(bǔ)排量分別見(jiàn)表5和表6，從表中可以看出，1997-2013年歷史氣象條件下地下水補(bǔ)給量比2014-2030年氣候變化條件下地下水補(bǔ)給量多。在模擬期間地下水的主要補(bǔ)給項(xiàng)為降水入滲，排泄項(xiàng)中，開(kāi)采量為主要的排出項(xiàng)。氣候變化條件下補(bǔ)給項(xiàng)中降水入滲量降低，排泄項(xiàng)中潛水蒸發(fā)量增大。2014-2030年期間與1997-2013年期間相比降水入滲補(bǔ)給地下水量降低3.9%，溫度升高，潛水蒸發(fā)量增加23.8%。

3.3 氣候變化條件下地下水開(kāi)采方案情景分析

為了深入了解2014-2030年未來(lái)氣候情景下開(kāi)采量增加及開(kāi)采量減少對(duì)灌區(qū)地下水位影響，本研究開(kāi)展地下水開(kāi)采方案情景分析。地下水開(kāi)采量變動(dòng)20%情景對(duì)應(yīng)的各灌溉區(qū)域（圖2）的開(kāi)采量見(jiàn)表7。地下水開(kāi)采量分別增加和減少20%，模擬2030年地下水流場(chǎng)變化情況，不同情景下地下水位見(jiàn)圖7。從預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)看，開(kāi)采量增加或減少20%呈現(xiàn)的結(jié)果差異較大。地下水開(kāi)采量增加20%的情景分析結(jié)果表明，預(yù)測(cè)的2030年地下水位中，后河附近地下水水位在64 m左右，莊巖附近水位在68 m左右，亢村附近水位在58 m左右，夏莊為漏斗中心，水位在29 m左右，灌區(qū)地下水下降明顯，地下水漏斗面積增大。地下水開(kāi)采量減少20%的情景分析結(jié)果表明，[HJ2.08mm]預(yù)測(cè)的2020年地下水位中，后河附近地下水水位在65 m左右，莊巖附近水位在69 m左右，亢村附近水位在66 m左右，夏莊漏斗中心附近水位在50 m左右。整體來(lái)講，開(kāi)采量減少20%與增加20%情景模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)地下水位有所上升，地下水漏斗面積明顯減小。為了減緩地下水位持續(xù)下降趨勢(shì)，降低地下水漏斗的面積，在未來(lái)氣候情景下，建議采取地下水開(kāi)采量減少20%的方案，進(jìn)而恢復(fù)地下水水位和降低漏斗區(qū)面積。為減少農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)地下水的開(kāi)采，可以采取以下措施：（1）優(yōu)化灌區(qū)的渠系工程，增加地表水灌溉量，減少地下水開(kāi)采量，推廣先進(jìn)的灌溉技術(shù)，比如噴灌，滴灌，以此來(lái)提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率。（2）對(duì)灌區(qū)內(nèi)的自備井加強(qiáng)管理，廢棄一些違反規(guī)定而開(kāi)掘的用水井[32-33]。

表7 地下水開(kāi)采量增加及減少20%后各灌溉區(qū)域開(kāi)采量

Tab.7

The groundwater exploitation of each irrigation area with a ±20% change[JY，1]m3/d

區(qū)域[]1、2[]3[]4[]5[]6[]7

[BHD]增加20%[]40 670[]141 220[]139 830[]121 660[]15 200[]244 210

[BHDW]減少20%[]27 110[]94 150[]93 220[]81 110[]10 130[]162 800

[HT]

圖7 2030年末地下水等水位線(xiàn)（開(kāi)采量增加20%及減少20%）

Fig.7

Groundwater level contour at the end of 2030 under scenarios of increase and decrease exploitation by 20%

4 結(jié)論

氣候變化與地下水開(kāi)采是造成灌區(qū)地下水位變化的主要因素，基于MODFLOW模型對(duì)華北平原典型灌區(qū)人民勝利渠灌區(qū)地下水對(duì)農(nóng)業(yè)用水和氣候變化的響應(yīng)進(jìn)行了模擬，研究發(fā)現(xiàn)在2012-2013年氣象條件和農(nóng)業(yè)用水影響下地下水處于負(fù)均衡狀態(tài)。將驗(yàn)證后的MODFLOW模型進(jìn)一步與未來(lái)氣候變化情景（RCP4.5情景NorESM1-M模式）耦合模擬發(fā)現(xiàn)，灌區(qū)2030年地下水位持續(xù)下降，地下水漏斗逐漸擴(kuò)大。情景分析表明地下水開(kāi)采量減少20%可以保證地下水水位有所上升，漏斗面積減少，而開(kāi)采量增加20%將導(dǎo)致地下水漏斗面積明顯擴(kuò)大。基于地下水運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬模型MODFLOW開(kāi)展未來(lái)氣候情景下地下水的響應(yīng)研究可以為防止地下水位的持續(xù)下降提出調(diào)控方案，為灌區(qū)地下水資源持續(xù)利用提供指導(dǎo)，進(jìn)而防止地下水超量開(kāi)采引起的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。本文設(shè)定的開(kāi)采量情景仍存在一定的不足，僅考慮了開(kāi)采量增加和減少20%的情景，建議以后的研究綜合考慮影響開(kāi)采量的自然和人為因素，更為準(zhǔn)確的估算氣候變化條件下的地下水開(kāi)采情況。

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