基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的南昌市地下水應(yīng)急供水方案模擬研究

鄧志輝，張 佳*，馬青山，陳鴻漢，賈軍元

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中國地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心，江蘇 南京 210016)

受人類活動(dòng)和氣候變化等因素的影響，全球正面臨著嚴(yán)峻的水資源短缺問題。中國作為發(fā)展中國家，水資源利用效率低于世界平均水平，加之水資源時(shí)空分布不均，導(dǎo)致水資源供需矛盾突出，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

目前，國內(nèi)關(guān)于水資源供需平衡方面的研究主要集中于干旱-半干旱等水資源短缺地區(qū)。我國長江中下游地區(qū)是典型的濕潤區(qū)，水資源總量豐富，但近年來區(qū)內(nèi)主要城市卻頻發(fā)嚴(yán)重的季節(jié)性水資源短缺事件，這主要是由于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展驅(qū)動(dòng)的水資源需求量增長以及極端氣候條件頻發(fā)共同導(dǎo)致的。但目前濕潤區(qū)季節(jié)性水資源短缺問題還沒有引起學(xué)界的足夠重視。

南昌市位于我國長江中下游地區(qū)，水資源總量豐富，但受季風(fēng)氣候的影響，該地區(qū)水資源量年際變化大且年內(nèi)分配不均。地表水作為南昌市主要供水水源，約占總供水量的96%，近年來“旱澇急轉(zhuǎn)”等極端氣候頻發(fā)，過度依賴地表水使得其供水安全更易受到年內(nèi)降水不均的影響。南昌市季節(jié)性水資源供需失衡問題十分突出，1946—2010年的65年間發(fā)生了39次季節(jié)性干旱缺水事件。值得注意的是，南昌市地下水資源豐富，主要含水層為第四系砂礫石層，富水性強(qiáng)，單井涌水量約為1 000～10 000 m/d。但目前該地區(qū)地下水開發(fā)利用程度較低，僅占地下水可開采資源量的12%，供水潛力大。因此，在統(tǒng)籌考慮地表水-地下水聯(lián)合使用的基礎(chǔ)上，對南昌市水資源供需平衡進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，并開展地下水應(yīng)急供水方案研究，可能是解決南昌市季節(jié)性水資源短缺問題的重要途徑。

水資源供需平衡分析是研究地下水應(yīng)急供水方案的重要基礎(chǔ)，主要從需水和供水兩個(gè)方面進(jìn)行。目前，針對水資源需水量和供水量預(yù)測的方法眾多。但是，以往研究中對于水資源供需平衡分析通常以年為時(shí)間步長，不能反映季節(jié)性水資源供需平衡狀況，同時(shí)，對于社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)需水端和水資源系統(tǒng)供水端之間的內(nèi)在聯(lián)系考慮不足。水資源能夠支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，也會制約經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，進(jìn)而影響水資源需求量。因此，充分考慮社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)之間的反饋關(guān)系十分重要。

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法具有動(dòng)態(tài)模擬功能，并能夠分析復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)部的因果反饋關(guān)系，在水文與水資源研究中應(yīng)用廣泛?；谙到y(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的水資源供需平衡分析往往將系統(tǒng)劃分為社會、經(jīng)濟(jì)、地表水和地下水等子系統(tǒng)，能夠反映社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。但是，以往研究中對于地表水子系統(tǒng)與地下水子系統(tǒng)之間的水量交換關(guān)系考慮不足，難以滿足基于地表水-地下水聯(lián)合使用的地下水應(yīng)急供水預(yù)測分析的需要。

本文以我國南方濕潤區(qū)城市南昌市為例，構(gòu)建社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)耦合的概念模型，采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法建立南昌市水資源供需平衡的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，預(yù)測分析了不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和氣候變化情景下水資源供需平衡的動(dòng)態(tài)特征，并基于地表水-地下水的聯(lián)合使用開展了地下水應(yīng)急供水方案模擬研究，以為南昌市應(yīng)對季節(jié)性水資源短缺問題提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

南昌市(115°27′～116°35′ E,28°09′～29°11′ N)地處中國江西省中部偏北，位于長江流域中下游平原，全市面積為7 402 km，其中水域總面積為2 204 km，占全市區(qū)域總面積的29.8%。境內(nèi)水系十分發(fā)育，主要有贛江、撫河和修水河，均匯入下游鄱陽湖。該地區(qū)地勢總體西北高、南東低，依次發(fā)育低山丘陵、崗地、平原，呈現(xiàn)層狀地貌特征，以贛江為界，贛江西北部為構(gòu)造剝蝕低山丘陵、崗地，贛江以東為河流侵蝕堆積平原。

該地區(qū)氣候溫暖，多年平均氣溫為17.78 ℃，雨量充沛，多年平均降雨量為1 582.81 mm。南昌市水資源總量豐富，多年平均水資源量為66.00×10m，受季風(fēng)氣候影響，每年4～6月份降雨量占全年總量的47%，地表水資源量年際變化大且年內(nèi)分配不均。根據(jù)《南昌市水資源公報(bào)》，2018年南昌市總供水量為32.02×10m?！赌喜薪y(tǒng)計(jì)年鑒》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2018年年末南昌市常住人口達(dá)554.60萬人，地區(qū)生產(chǎn)總值為5 275億元，比上年增長8.9%。

南昌市地下水類型主要包括松散巖類孔隙水、紅層溶隙裂隙水和基巖裂隙水。其中，松散巖類孔隙水含水層為區(qū)內(nèi)地下水的主要貯存空間，廣泛分布于贛撫沖積平原，主要由全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)沖積砂礫石組成，其富水性較強(qiáng)。河流是南昌市地下水主要的排泄邊界，汛期也可反補(bǔ)地下水，大部分河床位于砂礫石層上或揭穿了砂礫石層，地表水與地下水具有密切的水力聯(lián)系。

2 研究方法

系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics,SD)是一種通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬的方法，主要理論基礎(chǔ)是反饋控制理論和非線性動(dòng)力學(xué)等。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的核心是建立問題的因果循環(huán)圖，并通過分析因果循環(huán)關(guān)系幫助我們更加深入地理解各系統(tǒng)間的真實(shí)行為。構(gòu)成系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型結(jié)構(gòu)的要素主要包括狀態(tài)變量、速率變量和輔助變量等，系統(tǒng)流圖則是將要素與要素之間的關(guān)系用一定的規(guī)則表示出來。但是，構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并不是為了精準(zhǔn)預(yù)測某些變量，而是通過系統(tǒng)行為重點(diǎn)識別系統(tǒng)的發(fā)展模式和發(fā)展趨勢。

Vensim系列軟件是構(gòu)建系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型最具代表性的一種可視化應(yīng)用軟件，因此本文使用基于Windows平臺運(yùn)行的Vensim-PLE 7.3.5軟件來建立南昌市水資源供需平衡系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。

3 南昌市水資源供需平衡的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型建立與識別

3.1 模型邊界及數(shù)據(jù)來源

3.1.1 模型邊界

南昌市水資源供需平衡的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的空間邊界為南昌市行政邊界，時(shí)間邊界為2006—2030年，其中2006—2018年為模型驗(yàn)證期，2019—2030年為模型預(yù)測期，預(yù)測基準(zhǔn)年為2018年，時(shí)間步長為1個(gè)月。

3.1.2 數(shù)據(jù)來源

本研究數(shù)據(jù)類型主要包括兩大類：①社會經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)，主要有總?cè)丝诩捌湓鲩L率、工業(yè)增加值及其增長率、園林綠地面積及其增長率、有效灌溉面積以及各行業(yè)用水定額；②水資源數(shù)據(jù)，主要有地表水資源量、地下水資源量及其可利用系數(shù)、主要供水來源及供水量等。

模型所需數(shù)據(jù)主要來源于《南昌市水資源公報(bào)》《江西省水資源公報(bào)》《南昌市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》《南昌市國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》《南昌市2000年地下水資源及環(huán)境地質(zhì)問題預(yù)測》和《江西省南昌市城市環(huán)境地質(zhì)問題調(diào)查評價(jià)報(bào)告》等。

3.2 模型構(gòu)建

3.2.1 概念模型

南昌市水資源供需平衡的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型主要由社會經(jīng)濟(jì)需水系統(tǒng)和水資源供水系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。其中，社會經(jīng)濟(jì)需水系統(tǒng)主要用于計(jì)算生活、工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生態(tài)需水量；水資源供水系統(tǒng)主要用于計(jì)算地表水、地下水和其他水源供水量。將總供水量與總需水量的比值定義為水資源供需比，水資源供需比可以定量地反映南昌市季節(jié)性水資源短缺程度。水資源供水系統(tǒng)能夠支撐經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，但是當(dāng)水資源供需失衡時(shí)就會限制經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

3.2.2 因果循環(huán)圖和系統(tǒng)流圖

建立南昌市水資源供需平衡系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型主要分為兩個(gè)主要階段：第一階段是分析南昌市社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)之間的反饋關(guān)系，建立問題的因果循環(huán)圖并確定社會經(jīng)濟(jì)-水資源耦合系統(tǒng)中主要要素的因果反饋關(guān)系；第二階段是基于因果循環(huán)關(guān)系和實(shí)際資料，確定模型各要素之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立問題的流圖。

(1) 因果循環(huán)圖。社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)之間具有復(fù)雜的相互作用或反饋關(guān)系：一方面社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展會造成用水需求增加，引發(fā)水資源短缺和水質(zhì)問題；另一方面水資源的不可持續(xù)發(fā)展同樣會限制經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。將需水和供水分別作為社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)的邊界要素，基于需水和供水之間的矛盾將社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)和水資源系統(tǒng)相結(jié)合，建立了南昌市社會經(jīng)濟(jì)-水資源耦合系統(tǒng)因果循環(huán)圖，見圖1。圖中每一個(gè)箭頭代表著一種因果關(guān)系，“+”代表著一個(gè)變量隨另一個(gè)變量增加(減少)而增加(減少)，“-”代表著一個(gè)變量隨另一個(gè)變量增加(減少)而減少(增加)。

圖1 南昌市社會經(jīng)濟(jì)-水資源耦合系統(tǒng)因果循環(huán)圖Fig.1 Causal loop diagram of social-economic water resource coupled system of Nanchang City

由圖1可見，社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)之間的反饋關(guān)系主要通過水資源供需比實(shí)現(xiàn)，其大小受總供水量和總需水量的影響，同時(shí)又會影響工業(yè)增加值、總?cè)丝诤蛨@林綠地面積的增長速率。因果循環(huán)圖通過因果關(guān)系闡明了社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)間的相互作用，為水資源供需平衡分析奠定了基礎(chǔ)。同時(shí)，針對季節(jié)性水資源短缺問題，設(shè)置了地下水應(yīng)急供水回路，當(dāng)水資源出現(xiàn)缺口時(shí)，為滿足人民生活用水需求，增大地下水開采量，以減小水資源缺口。

(2) 系統(tǒng)流圖?；谀喜猩鐣?jīng)濟(jì)-水資源耦合系統(tǒng)因果循環(huán)圖，確定南昌市水資源供需平衡的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型主要包括社會經(jīng)濟(jì)需水、水資源供水和地下水應(yīng)急供水3個(gè)子系統(tǒng)。為了進(jìn)一步明確子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、行為及各變量間的關(guān)系，構(gòu)建了各子系統(tǒng)流圖，見圖2至圖4。

圖2 南昌市社會經(jīng)濟(jì)需水子系統(tǒng)流圖Fig.2 Stock and flow diagram of socio-economic water demand subsystem of Nanchang City

圖3 南昌市水資源供水子系統(tǒng)流圖Fig.3 Stock and flow diagram of water resource supply subsystem of Nanchang City

圖4 南昌市地下水應(yīng)急供水子系統(tǒng)流圖Fig.4 Stock and flow diagram of emergency groundwater supply subsystem of Nanchang City

社會經(jīng)濟(jì)需水子系統(tǒng)和水資源供水子系統(tǒng)主要通過經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展需水量(總需水量)與水資源供水量(總供水量)之間的關(guān)系，即水資源供需比，實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)之間的反饋?？傂杷堪üI(yè)需水量、生活需水量、農(nóng)業(yè)需水量和生態(tài)需水量；總供水量由地表水、地下水和其他水源共同提供。南昌市現(xiàn)狀條件下地下水和其他水源供水相對穩(wěn)定，總需水量增加時(shí)地表水需水量也會相應(yīng)地增加，干旱月份地表水資源可利用量不能滿足用水需求時(shí)，會出現(xiàn)水資源供需失衡狀況，即水資源供需比小于1，從而限制了經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。

地下水應(yīng)急供水子系統(tǒng)主要用于分析季節(jié)性水資源短缺下應(yīng)急供水方案，其內(nèi)涵是在地表水資源量不能夠滿足供水需求的干旱月份，加大地下水開采量，以滿足居民基本生活用水需求。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型中將地下水開采水源地概化為理想的圓桶模型，當(dāng)進(jìn)行地下水應(yīng)急開采時(shí)，水源地地下水水位會下降，與地表水水頭邊界形成水頭差，再利用達(dá)西定律計(jì)算地表水與地下水之間的交換水量。

3.2.3 主要參數(shù)及計(jì)算

(1) 工業(yè)需水量

WD

=IAV

×

WQ

/120 000

(1)

IAV

=INTEG(

IAV

,

235.78

)

(2)

式中：

WD

為工業(yè)需水量(億m/月)；

WQ

為工業(yè)用水定額(m/萬元)；

IAV

為工業(yè)增加值

(

億元

)

；

IAV

為工業(yè)增加值增長量

(

億元/月

)

；INTEG(

a,b

)表示對

a

在時(shí)間步長上進(jìn)行積分，

b

為初始值。

(2) 生活需水量

WD

=[P

×

(WQ

+

WQ

)

+

P

×

W

]

/100

(3)

P

=P

×

U

(4)

P

=P

-

P

(5)

P

= INTEG(

P

,

4.516 1

)

(6)

式中：

WD

為生活需水量(億m/月)；

WQ

為城鎮(zhèn)居民生活用水定額[m/(月·人)]；

WQ

為城鎮(zhèn)公共用水定額[m/(月·人)]；

WQ

為農(nóng)村居民生活用水定額[m/(月·人)]；

P

為城鎮(zhèn)人口

(

百萬人

)

；

P

為農(nóng)村人口

(

百萬人

)

；

U

為城鎮(zhèn)化率；

P

為總?cè)丝?p>(

百萬人

)

；

P

為總?cè)丝谠鲩L量

(

百萬人/月

)

。

(3) 農(nóng)業(yè)需水量

WD

=EIA

×

WQ

/10+

WD

(7)

式中：

WD

為農(nóng)業(yè)需水量(億m/月)；

EIA

為有效灌溉面積

(

hm

)

；

WQ

為農(nóng)業(yè)用水定額(主要集中在每年4～9月份)[m/(hm·月)]；

WD

為林牧漁畜需水量(億m/月)。

(4) 生態(tài)需水量

WD

=GA

×

WQ

/10

(8)

GA

= INTEG(

GA

,

6 287

)

(9)

式中：

WD

為生態(tài)需水量(億m/月)；

WQ

為生態(tài)用水定額[m/(hm·月)]；

GA

為園林綠地面積

(

hm

)

；

GA

為園林綠地面積增長量(hm/月)。

(5) 水資源

SW

+1

=SW

+

IF

-

OF

+

EX

+

AD

-

SWD

+

SWR

-

EPS

(10)

GW

+1

=GW

+

LI

-

LO

-

EX

+

AR

-

GWA

+

INF

-

EPG

(11)

式中：

SW

和

SW

+1分別為

t

月和

t

+1月地表水體積(億m)；

IF

為

t

月地表水入流量(億m/月)；

OF

為

t

月地表水出流量(億m/月)；

EX

為

t

月地表水與地下水之間交換水量(億m/月)；

AD

為

t

月地表水人工排泄量(億m/月)；

SWD

為

t

月地表水取水量(億m/月)；

SWR

為

t

月地表產(chǎn)流量(億m/月)；

EPS

為

t

月地表水蒸發(fā)量(億m/月)；

GW

和

GW

+1分別為

t

月和

t

+1月地下水儲存量(億m)；

LI

為

t

月地下水側(cè)向流入量(億m/月)；

LO

為

t

月地下水側(cè)向流出量(億m/月)；

AR

為

t

月地下水人工回灌量(億m/月)；

GWA

為

t

月地下水開采量(億m/月)；

INF

為

t

月降水入滲量(億m/月)；

EPG

為

t

月地下水蒸發(fā)量(億m/月)。

(6) 供需平衡

WSWD=

WS

/

WD

(12)

WD

=WD

+

WD

+

WD

+

WD

(13)

WS

=WS

+

WS

+

WS

(14)

WS

=

min

(SW

,WD

)

(15)

SW

=

SW

-

WD

(16)

SW

=(

0.046 2×

R

-9.738 3

)

×

R

/100

(17)

WD

=

SW

×

P

(18)

WD

=

WD

-

GW

-

WS

(19)

式中：

WSWD

為水資源供需比；

WD

為總需水量(億m/月)；

WS

為總供水量(億m/月)；

WS

為地表水供水量(億m/月)；

WS

為地下水供水量(億m/月)；

WS

為其他水源供水量(億m/月)；

SW

為地表水資源可利用量(億m/月)；

SW

為地表水資源量(億m/月)，其計(jì)算公式是由水資源公報(bào)中年降水量與地表水資源量數(shù)據(jù)擬合而來；

WD

為河道內(nèi)生態(tài)需水量(億m/月)，其值采用Tennant法計(jì)算，由于無實(shí)測徑流量資料，故利用研究區(qū)地表水資源量代替；

P

為河道內(nèi)生態(tài)需水占徑流量的比例，取值為0.05；

R

為年降水量(mm)；

R

為年內(nèi)每月降水比例；

WD

為地表水需水量(億m/月)；

GW

為現(xiàn)狀地下水開采量(億m/月)。

(7) 地下水應(yīng)急供水

(20)

W

=

W

×

(WD

/

WD

)

(21)

(22)

BF

=BF

/

BF

(23)

EX=BF

-

BF

(24)

BF

=W

=K

×

(

2×

π

×

r

×

H)

×

J

(25)

J=V

/

(π

×

r

×

r)

/

r

/10

(26)

V

=INTEG(

V

-

V

,

0

)

(27)

V

=

W

/

μ

(28)

V

=W

/

μ

(29)

式中：

W

為水資源缺口(億m/月)；

W

為地下水應(yīng)急開采量(億m/月)；

Y

為應(yīng)急開采控制因子

,

取值為0表示不進(jìn)行地下水應(yīng)急供水，其余數(shù)值均表示進(jìn)行地下水應(yīng)急供水；

BF

為基流減少比例；

BF

為基流減少量(億m/月)；

BF

為基流量(億m/月)，取多年平均值0.86億m/月；

W

為漏斗區(qū)回補(bǔ)流量(億m/月)；

J

為水力坡度；

r

為漏斗半徑(km)，取值為4 km；

V

為漏斗體積(億m)；

V

為漏斗體積增加值(億m/月)；

V

為漏斗體積增加值(億m/月)；

μ

為給水度；

K

為含水層滲透系數(shù)(m/d)，取值為50 m/d；

H

為含水層厚度(m)，取值為30 m。其中，水資源缺口(

W

)是根據(jù)地表水需水量與地表水資源可利用量的差值計(jì)算得到；地下水應(yīng)急開采量(

W

)是由水資源缺口與生活需水量占總需水量之比的乘積計(jì)算得到，模型假設(shè)各行業(yè)受水資源短缺的影響程度相同；地下水開采量(

WS

)受應(yīng)急開采控制因子的影響，若不進(jìn)行地下水應(yīng)急供水，地下水開采量等于現(xiàn)狀開采量，若進(jìn)行地下水應(yīng)急供水，地下水開采量等于現(xiàn)狀開采量與地下水應(yīng)急開采量之和；基流減少比例(

BF

)為基流減少量與基流量的比值；公式(25)～(29)為依據(jù)達(dá)西定律計(jì)算基流減少量(

BF

)的過程。

3.3 模型驗(yàn)證

為了保證建立的南昌市水資源供需平衡的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，需要對模型進(jìn)行檢驗(yàn)。根據(jù)南昌市2006—2018年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選取工業(yè)增加值、總?cè)丝?、園林綠地面積、總供水量等模型主要變量進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：這些變量的相對誤差基本都在10%以內(nèi)，大部分變量的相對誤差保持在5%以內(nèi)。模型主要變量的模擬結(jié)果與實(shí)際情況較為一致，見表1。

表1 模型主要變量驗(yàn)證結(jié)果Table 1 Validation results of main variables of the model

南昌市水資源供需比的模擬結(jié)果，見圖5。

圖5 南昌市水資源供需比的模擬結(jié)果Fig.5 Simulated result of water resource supply- demand ratio of Nanchang city

由圖5可見，南昌市出現(xiàn)水資源季節(jié)性供需失衡的年份有5年，分別為2007年、2008年、2009年、2011年和2013年。實(shí)際資料顯示，贛江流域2007—2009年、2011年、2013年和2017—2018年均發(fā)生了不同程度的季節(jié)性干旱，水資源供需情況的模擬結(jié)果與實(shí)際情況一致。

綜上所述，本文建立的南昌市水資源供需平衡系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)合理且運(yùn)行正確，能夠較準(zhǔn)確地模擬南昌市水資源供需平衡的動(dòng)態(tài)變化，且發(fā)展趨勢與實(shí)際情況相符，可用于不同情景下地下水應(yīng)急供水方案的預(yù)測分析。

4 南昌市地下水應(yīng)急供水方案的模擬研究

4.1 模擬情景設(shè)置

為了應(yīng)對季節(jié)性水資源短缺需要進(jìn)行地下水應(yīng)急供水方案研究，即需綜合考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和氣候變化對水資源供需平衡進(jìn)行模擬預(yù)測。居民生活、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、工業(yè)發(fā)展以及生態(tài)系統(tǒng)都高度依賴水資源的支撐，因此經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展是導(dǎo)致需水量增加的主要驅(qū)動(dòng)力；另外，氣候變化會影響供水的不確定性，在干旱條件下供水不足會導(dǎo)致水資源短缺問題。因此，本文同時(shí)考慮未來經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和氣候變化情景對地下水應(yīng)急供水需求量的動(dòng)態(tài)影響。

經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景主要從各行業(yè)用水定額以及經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度等方面進(jìn)行分析，設(shè)定了以下3個(gè)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景：①情景1(現(xiàn)狀型)，假設(shè)系統(tǒng)變量在2018年水平的基礎(chǔ)上有一個(gè)適度的發(fā)展趨勢；②情景2(發(fā)展型)，在情景1的基礎(chǔ)上，注重經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工業(yè)增加值增速每月由0.007提高至0.01；③情景3(節(jié)水型)，在情景1的基礎(chǔ)上，工業(yè)用水定額、生態(tài)用水定額和農(nóng)業(yè)用水定額到2030年分別降低25%、20%和20%。南昌市農(nóng)業(yè)需水占比較大且比較集中，主要發(fā)生在農(nóng)作物的生長期4～9月份。

本文在對1951—2019年南昌站年降水量進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用歷史重現(xiàn)法，設(shè)置了3種氣候變化情景：①情景A(穩(wěn)定型)，降水量無明顯變化，線性擬合斜率

k

=6.28 mm/a，

R

=0.09(1976—1987年降水量)；②情景B(下降型)，降水量呈顯著減小的趨勢，線性擬合斜率

k

=-77.38 mm/a，

R

=0.41(1998—2009年降水量)；③情景C(上升型)，降水量呈顯著增加的趨勢，線性擬合斜率

k

=48.30 mm/a，

R

=0.28(1987—1998年降水量)。

綜上所述，在綜合考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和氣候變化的基礎(chǔ)上，本文共設(shè)置了9種模擬情景，具體模擬情景設(shè)置見表2。

表2 不同模擬情景設(shè)置一覽表Table 2 Settings of different simulation scenarios

4.2 水資源供需平衡動(dòng)態(tài)分析

需水量預(yù)測是水資源供需平衡分析的重要組成部分，不同模擬情景下南昌市總需水量隨經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展呈現(xiàn)增長趨勢，到2030年，不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市總需水量大小總體表現(xiàn)為節(jié)水型<現(xiàn)狀型<發(fā)展型。發(fā)展型情景下工業(yè)增加值相比現(xiàn)狀型會提高44.47%～48.56%，但總需水量會提高18.25%～19.68%，總需水量最大可達(dá)多年平均水資源量的77.82%；節(jié)水型情景下總需水量相比現(xiàn)狀型會減少18.33%～19.65%，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)工業(yè)增加值0.62%～1.79%的提升。

不同模擬情景下南昌市水資源供需平衡狀況的預(yù)測結(jié)果,見圖6。

圖6 不同模擬情景下南昌市水資源供需平衡狀況的 預(yù)測結(jié)果Fig.6 Predictive results of water resource supply and demand balance of Nanchang city in different simnlation scenarios

由圖6可以看出：

(1) 氣候情景為穩(wěn)定型時(shí)，現(xiàn)狀型、發(fā)展型和節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市的缺水年數(shù)分別為9 a、10 a和8 a，年平均缺水月數(shù)分別為3.0月、3.8月和2.1月；氣候變化情景為下降型時(shí)，現(xiàn)狀型、發(fā)展型和節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市的缺水年數(shù)分別為7 a、9 a和7 a，年平均缺水月數(shù)分別為3.9月、4.6月和2.4月；氣候變化情景為上升型時(shí)，現(xiàn)狀型、發(fā)展型和節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市的缺水年數(shù)分別為6 a、9 a和4 a，年平均缺水月數(shù)分別為2.7月、3.1月和2.5月。

(2) 發(fā)展型情景下南昌市的總?cè)彼聰?shù)相比現(xiàn)狀型提高了41%～75%，年平均缺水量提高了39%～62%；節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情況下南昌市的總?cè)彼聰?shù)相比現(xiàn)狀型降低了約37%，年平均缺水量降低了33%～58%。

(3) 不同模擬情景下南昌市最小水資源供需比變化范圍為0.45～0.82，其中B2情景下最小水資源供需比最小(為0.45)，C3情景下最小水資源供需比最大(為0.82)。

4.3 地下水應(yīng)急供水方案的模擬研究

根據(jù)預(yù)測結(jié)果可知，穩(wěn)定型氣候條件下，不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市地下水應(yīng)急供水需求量平均值為0.11億m/a～0.35億m/a；下降型氣候條件下，不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市地下水應(yīng)急供水需求量平均值為0.16億m/a～0.46億m/a；上升型氣候條件下，不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市地下水應(yīng)急供水需求量平均值為0.08億m/a～0.19億m/a。因受農(nóng)業(yè)灌溉需水主導(dǎo)，地下水應(yīng)急供水需求量主要集中在每年的7～8月份。

南昌市地下水應(yīng)急供水需求量和地下水水位的預(yù)測結(jié)果，見圖7。

圖7 南昌市地下水應(yīng)急供水需求量和地下水水位變化經(jīng)濟(jì)社會預(yù)測結(jié)果Fig.7 Predictive results of emergency groundwater supply demand and changes of the groundwater level of Nanchang city

由圖7可以看出：

(1) 穩(wěn)定型氣候條件下，由地下水應(yīng)急供水需求量及開采條件下應(yīng)急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值的逐月動(dòng)態(tài)結(jié)果可知，現(xiàn)狀型、發(fā)展型和節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市的地下水應(yīng)急供水需求量分別為52.04萬m/d、74.74萬m/d和40.90萬m/d，年平均應(yīng)急供水天數(shù)分別為90 d、114 d和63 d。其中，現(xiàn)狀型和節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下2030年末應(yīng)急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值均大于1/2，對地下水系統(tǒng)的影響較小；發(fā)展型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下應(yīng)急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值小于1/3[見圖7(a)]。因此，穩(wěn)定型氣候條件下，南昌市地下水應(yīng)急供水可以支撐現(xiàn)狀型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景，但不能支撐經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展。

(2) 下降型氣候條件下，現(xiàn)狀型、發(fā)展型和節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市的地下水應(yīng)急供水需求量分別為63.62萬m/d、82.21萬m/d和49.36萬m/d，年平均應(yīng)急供水天數(shù)分別為117 d、138 d和72 d。其中，現(xiàn)狀型和節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下，2030年末應(yīng)急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值均大于1/2，對地下水系統(tǒng)的影響較?。话l(fā)展型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下應(yīng)急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值小于10%[見圖7(b)]。因此，下降型氣候條件下，南昌市地下水應(yīng)急供水難以支撐經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，需聯(lián)合采取節(jié)水措施。

(3) 上升型氣候條件下，現(xiàn)狀型、發(fā)展型和節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市的地下水應(yīng)急供水需求量分別為44.55萬m/d、67.25萬m/d和26.74萬m/d，年平均應(yīng)急供水天數(shù)分別為81 d、96 d和75 d。不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下，2030年末應(yīng)急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值均大于1/2[見圖7(c)]。因此，上升型氣候條件下南昌市地下水應(yīng)急供水能夠支撐經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展，且對地下水系統(tǒng)的影響較小。

(4) 由不同模擬情景下南昌市地下水應(yīng)急供水需求量及應(yīng)急水源地地下水水位降幅與初始含水層厚度比值的對比結(jié)果可知，現(xiàn)狀型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下南昌市的地下水應(yīng)急供水可以滿足不同氣候條件下居民用水需求，且并未對地下水系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的影響；過度追求經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，工業(yè)增加值會顯著增加，但地下水應(yīng)急供水需求量相比現(xiàn)狀型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景平均增加20.65萬m/d，而地下水應(yīng)急供水量過大會對地下水系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，在不利的氣候條件下難以支撐經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展；節(jié)水型情景下地下水應(yīng)急供水需求量相比現(xiàn)狀型平均減少14.48萬m/d，且對地下水系統(tǒng)的影響減弱，因此非常有必要采取節(jié)水措施。

4.4 生態(tài)環(huán)境影響分析

4.4.1 河道內(nèi)生態(tài)需水量分析

地表水與地下水間存在著密切的水力聯(lián)系，因此地下水應(yīng)急開采可能會對地表水生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響。相反，地表水資源的可利用性同樣影響著地下水應(yīng)急開采。當(dāng)可利用的地表水資源量無法滿足地表水需水量時(shí)則需要進(jìn)行地下水應(yīng)急供水，而可利用地表水資源量定義為地表水資源量與河道內(nèi)生態(tài)需水量的差值，因此河道內(nèi)生態(tài)需水量間接地對地下水應(yīng)急供水構(gòu)成約束。

上節(jié)中關(guān)于水資源供需平衡和地下水應(yīng)急供水方案的分析，均是以河道內(nèi)生態(tài)需水量占徑流量的5%作為約束條件進(jìn)行的。為了探究河道內(nèi)生態(tài)需水量對于地下水應(yīng)急供水的影響，增加了河道內(nèi)生態(tài)需水量占徑流量的比例分別為10%、20%和30%的模擬情景，使得徑流量分別達(dá)到一般、良好和較好的狀態(tài)。因?yàn)椴煌瑲夂驐l件下，河道內(nèi)生態(tài)需水量對系統(tǒng)的約束作用相同，故只選取了穩(wěn)定性氣候條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，不同生態(tài)流量約束條件下南昌市地下水應(yīng)急供水需求量與地下水水位降幅與含水層厚度比例的模擬結(jié)果見圖8。

圖8 不同生態(tài)流量約束下南昌市的模擬結(jié)果對比圖Fig.8 Comparison of simulation results under different ecological flow constraints of Nanchang city

由圖8可見，相比河道內(nèi)生態(tài)需水量占徑流量5%的情景，河道內(nèi)生態(tài)需水量占徑流量的10%、20%和30%情景下南昌市地下水應(yīng)急供水需求量平均分別增加7.54%、22.41%和36.31%，地下水水位降幅平均分別增加30.35%、110.67%和205.98%。發(fā)展型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下，地下水水位降幅始終大于含水層厚度的2/3，且河道內(nèi)生態(tài)需水量占徑流量20%的約束條件下含水層已疏干；現(xiàn)狀型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下，河道內(nèi)生態(tài)需水量占徑流量30%的約束條件下，地下水水位降幅大于含水層厚度的2/3；節(jié)水型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下，即使在河道內(nèi)生態(tài)需水量占徑流量30%的約束條件下，地下水水位降幅也未超過含水層厚度的1/2。由此可見，地下水應(yīng)急供水過程與河道內(nèi)生態(tài)需水量之間存在矛盾，在地下水應(yīng)急供水過程中有必要統(tǒng)籌兩者之間的關(guān)系。

4.4.2 地表水環(huán)境容量分析

地下水應(yīng)急開采會影響地表水徑流量，而地表水徑流量又是影響地表水環(huán)境容量的重要因素。由于地下水應(yīng)急供水水源地主要位于城區(qū)周邊，并且多為傍河取水方式，地下水應(yīng)急開采量主要來源于襲奪地下水向河流的排泄量和激發(fā)河流向地下水的補(bǔ)給量，因此地下水應(yīng)急開采會導(dǎo)致河流基流量的減少。根據(jù)模擬結(jié)果可知，不同模擬情景下南昌市地下水應(yīng)急供水需求量在26.74萬m/d～82.61萬m/d之間，相應(yīng)的河流基流量會減少0.86萬m/d～13.56萬m/d，河流基流減少量占河流基流量的比例約為0.30%～4.73%，故不同模擬情景下南昌市地下水應(yīng)急供水對河流基流量影響程度的大小表現(xiàn)為發(fā)展型>現(xiàn)狀型>節(jié)水型。根據(jù)以上分析可知，南昌市地下水應(yīng)急開采導(dǎo)致的河流基流減少量要小于地下水應(yīng)急開采量，并且在地下水應(yīng)急開采結(jié)束后仍會存在一定程度的影響，由此可見，地下水應(yīng)急開采對河流基流量的影響存在著滯后效應(yīng)。

地下水應(yīng)急開采條件下，河流徑流量的減少會導(dǎo)致地表水環(huán)境容量減小。胡鋒平等計(jì)算了贛江—南昌段在保證率為90%的枯水期，河流徑流量為374 m/s時(shí)的地表水環(huán)境容量為139 380 t/a。地下水應(yīng)急開采條件下河流基流減少量約為0.10～1.57 m/s，因此導(dǎo)致地表水環(huán)境容量會相應(yīng)減少37～584 t/a，約占地表水環(huán)境總量的0.02%～0.42%。其中，不同模擬情景下南昌市地表水環(huán)境容量的減少量由大至小依次為發(fā)展型>現(xiàn)狀型>節(jié)水型。綜上所述，南昌市地下水應(yīng)急開采對河流基流量存在一定程度的影響，但是由于河流基流量占河流徑流量的比例較小，故對地表水環(huán)境容量的影響程度較小。

5 結(jié)論與建議

本文采用系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法，以南昌市為例，建立了社會經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與水資源系統(tǒng)耦合的概念模型，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了水資源供需平衡的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從地表水-地下水聯(lián)合使用的角度出發(fā)，在不同經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和氣候變化情景下，開展了2019—2030年南昌市地下水應(yīng)急供水方案的模擬研究，主要得到如下結(jié)論：

(1) 基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法的水資源供需平衡分析和地表水-地下水的聯(lián)合使用，能夠綜合考慮經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和氣候條件變化的影響，從而確定不同模擬情景下城市地下水應(yīng)急供水需求量，為解決季節(jié)性水資源短缺問題提供了一種新思路。

(2) 現(xiàn)狀型經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展情景下，穩(wěn)定型、下降型和上升型氣候條件下南昌市地下水應(yīng)急供水需求量分別為52.04萬m/d、63.62萬m/d和44.55萬m/d，且不會對地下水系統(tǒng)產(chǎn)生顯著的影響，可滿足南昌市應(yīng)急供水需求；僅考慮經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展時(shí)，在不利的氣候條件下南昌市地下水應(yīng)急供水難以支撐經(jīng)濟(jì)社會快速發(fā)展；實(shí)施節(jié)水措施后，南昌市地下水應(yīng)急供水需求量減少，對地下水系統(tǒng)的影響也會減小，因此在季節(jié)性干旱條件下進(jìn)行地下水應(yīng)急供水的同時(shí)，采取節(jié)水措施也十分必要。

(3) 河道內(nèi)生態(tài)需水量與地下水應(yīng)急供水過程存在著矛盾，為了使應(yīng)急開采條件下河流生態(tài)環(huán)境較好，需要采取嚴(yán)格的節(jié)水措施。地下水應(yīng)急開采后，對河流基流量會產(chǎn)生一定的影響，并且存在滯后效應(yīng)；另外，由于河流基流量占河流徑流量的比例較小，因此地下水應(yīng)急開采對地表水環(huán)境容量的影響較小。

(4) 基于達(dá)西定律的地表水-地下水交換量計(jì)算方法為評價(jià)應(yīng)急地下水開采對地下水系統(tǒng)的影響奠定了基礎(chǔ)，后續(xù)可結(jié)合分布式建模方法開展地表水-地下水耦合模型研究，從而進(jìn)一步提高模型的預(yù)測精度。