變化環(huán)境對華北平原地下水可持續(xù)利用的影響研究

賴冬蓉， 陳益平， 秦歡歡,， 高 柏， 孫占學(xué),

(1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點實驗室， 江西 南昌 330013； 2.東華理工大學(xué) 水資源與環(huán)境工程學(xué)院， 江西 南昌 330013)

1 研究背景

以氣候變化和人類活動為代表的變化環(huán)境對大多數(shù)國家的陸面水文循環(huán)過程和水資源利用產(chǎn)生了不可忽視的影響[1-5]，針對變化環(huán)境下的水資源可持續(xù)利用問題也成為水科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一[2]。氣候變化突出表現(xiàn)為全球氣溫升高，據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)的預(yù)測，全球平均氣溫到2081-2100年將上升0.3～4.8 ℃[6]，將會對全球陸面水文循環(huán)過程產(chǎn)生嚴(yán)重影響，導(dǎo)致區(qū)域水資源總量和時空分布的劇烈變化，從而加劇區(qū)域水資源短缺矛盾[7]，深刻影響區(qū)域的社會經(jīng)濟和生態(tài)環(huán)境[1]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步，人類對水資源的需求和利用程度越來越大，導(dǎo)致人類活動(農(nóng)業(yè)灌溉、引水工程、土地利用、修建水庫大壩等)[8]對陸面水文循環(huán)過程及水量和水質(zhì)的時空分布等產(chǎn)生了顯著影響[9-11]，這成為加劇區(qū)域水資源短缺矛盾的重要驅(qū)動因素。因此，針對變化環(huán)境下區(qū)域水資源利用進行研究，探討氣候變化和人類活動的影響，對于區(qū)域水資源短缺矛盾的解決、社會經(jīng)濟的發(fā)展及資源環(huán)境的保護都具有重要意義。

大尺度分布式水文模型可以模擬陸面水文循環(huán)全過程，在區(qū)域水資源可持續(xù)利用和管理中發(fā)揮了重要作用，許多學(xué)者采用這種模型研究水資源利用和管理[12-15]。MIKE SHE模型是丹麥DHI公司開發(fā)的基于物理過程的、確定性的大尺度分布式水文模型軟件，它涵蓋了水文循環(huán)主要過程及它們之間的相互作用，在水文、生態(tài)、環(huán)境等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[16-17]。2011年，Sultana等[18]以加拿大安大略南部Spencer Creek流域為研究區(qū)，建立了MIKE SHE/MIKE 11耦合的水文模型，模擬氣候變化對該流域水文過程的影響，結(jié)果表明，氣候變化會導(dǎo)致年均河流流量增加約10%～25%，耦合的MIKE SHE/MIKE 11模型能有效地體現(xiàn)氣候變化對復(fù)雜流域尺度水文過程的綜合影響。因此，采用MIKE SHE模型對變化環(huán)境下區(qū)域水資源利用與管理進行研究是適用的。

華北平原是我國水資源壓力最大的區(qū)域之一，人均水資源占有量僅有全國平均值的23%[19]，70%的用水量來自地下水[20-21]，淺層和深層含水層地下水開發(fā)利用率分別為112%和139%[22]，地下水超采給華北平原帶來了諸多生態(tài)環(huán)境問題，如地面沉降、土壤鹽漬化、地下水降落漏斗擴大、含水層疏干等。氣候變化和人類活動是造成華北平原水資源供需矛盾最主要的兩大因素，而且隨著全球變暖的持續(xù)發(fā)展及地下水開采、引水工程、農(nóng)業(yè)灌溉等人類活動的持續(xù)進行，華北平原地下水可持續(xù)利用形勢將更加嚴(yán)峻。

本文在文獻[19]和[23]建立、校準(zhǔn)的MIKE SHE模型的基礎(chǔ)上，采用情景分析和數(shù)值模擬方法，考慮氣候變化(A1B CO2排放情景下代表濕潤、正常和干旱的3種大氣環(huán)流模型)和人類活動(農(nóng)業(yè)節(jié)水和南水北調(diào)工程)對華北平原地下水利用的影響，從地下水水位、水均衡和含水層儲量等方面進行定量分析與比較，由此探討變化環(huán)境下適合于華北平原社會經(jīng)濟和水資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的策略和方案，為華北平原地下水可持續(xù)利用提供科學(xué)依據(jù)和建議。

2 資料來源與研究方法

2.1 研究區(qū)概況

位于我國黃河以北、燕山以南、太行山以東的華北平原(34°48′～40°30′N，113°10′～119°26′E)是我國政治、經(jīng)濟和文化中心，該平原地區(qū)人口密集，大中城市眾多，總面積為13.73×104km2，人口密度為1 456人/km2。華北平原屬于大陸性半干旱氣候，年平均降水量為554 mm，年平均氣溫為12.5 ℃，年平均蒸發(fā)量約為1 550 mm，降水量年內(nèi)分布不均(汛期降水量占全年的75%以上)、年際變化大，是我國水資源供需壓力最大的區(qū)域之一[19,23-24]。華北平原總供水量的70%來自地下水，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的85%。該地區(qū)典型農(nóng)作物輪作方式為冬小麥和夏玉米，這兩種作物約占總耕地面積的80%和糧食產(chǎn)量的90%，冬小麥生長季降水量僅占全年降水量的20%～30%。南水北調(diào)工程(South-to-North Water Diversion Project, SNWDP)通過跨流域的水資源合理配置，可以大大緩解我國北方水資源嚴(yán)重短缺狀況，促進南北方經(jīng)濟、社會與人口、資源、環(huán)境等多方面的協(xié)調(diào)發(fā)展，該工程分為東、中、西3條調(diào)水線路。

調(diào)查表明，華北平原天然地下水量為227.4×108m3/a，淺層和深層地下水可開采量分別為168.3×108和24.2×108m3/a。由于地下水開采布局不合理，華北平原深層地下水水位低于海平面的范圍已達76 732 km2，占平原區(qū)總面積的56%。地下水超采嚴(yán)重、水資源綜合利用率低、浪費和污染嚴(yán)重、生態(tài)環(huán)境惡化及干旱頻率增加等生態(tài)環(huán)境問題已成為華北平原水資源利用過程中比較突出的問題。華北平原地理位置及地下水水位降深分布見圖1，其數(shù)據(jù)來源于1993-2006年該地區(qū)的165口觀測井，圖1中還標(biāo)出了本研究選用的6口觀測井，各觀測井信息見表1。

圖1 華北平原地理位置及地下水水位降深分布

表1 本文選用的研究區(qū)6口觀測井信息

2.2 華北平原MIKE SHE模型概述

MIKE SHE是一個確定性、分布式、基于物理過程的水文建模系統(tǒng)，涵蓋了水文循環(huán)的主要過程[25-27]，采用有限差分法求解描述地表水流(二維圣維南(Saint-Venant)方程)、河道水流(運動學(xué)路徑求解器，kinematic routing solver)、非飽和水流(兩層水平衡法)和飽和水流(三維布西涅斯克(Boussinesq)方程)過程的偏微分方程，同時利用解析解對蒸散量和截留量進行模擬。

本文的MIKE SHE模型是基于文獻[19]和[23]所建立和校準(zhǔn)的模型而進行地表水與地下水耦合模擬的模型。氣候數(shù)據(jù)為熱帶降雨測量任務(wù)(tropical rainfall measuring mission, TRMM)的3B42日產(chǎn)品，分辨率為0.25°；參考ET數(shù)據(jù)使用19個氣象站數(shù)據(jù)生成，并使用Penman-Monteith方程進行計算。由于自2000年以來，華北平原的其他河流基本都已經(jīng)干涸，因此模型中考慮了5條主要河流(灤河、永定河、滹沱河、漳河和衛(wèi)河)。華北平原MIKE SHE模型中土壤分為3種不同參數(shù)類型(壤土、粉砂壤土和砂土)，飽和含水層被概念化為3層(一層淺層含水層和兩層深層含水層)，用于描述多層、非均質(zhì)和各向異性的含水層系統(tǒng)[19,24]。模型中采用水文地質(zhì)單元進行參數(shù)賦值，共劃分為27個單元。經(jīng)過校準(zhǔn)的水平滲透系數(shù)取值范圍為4.91×10-5～5.59×10-5m/s，給水度取值范圍為0.06～0.19。利用226口觀測井的地下水水位資料，對模型進行了校準(zhǔn)(2000-2005年)和驗證(2006-2008年)，模型中地下水流模擬的時間步長為1 d，河流模擬的時間步長為5 min，文獻[19]中模擬期末結(jié)果作為本文模型模擬的初始條件。

2.3 華北平原地下水利用情景設(shè)計

本文考慮氣候變化和人類活動兩類變化環(huán)境的影響。氣候變化情景設(shè)計是在A1B CO2排放情景下基于IPCC第四次評估報告的預(yù)測，選取了代表濕潤(UKMO_HADCM3)、正常(CSIRO_MK3)和干旱(CNRM_ CM3)氣候條件的3種大氣環(huán)流模型(global circulation model, GCM)對華北平原未來氣候變化情況進行預(yù)測。人類活動情景設(shè)計考慮了農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和南水北調(diào)工程供水兩類人類活動。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了4大類情景，包括現(xiàn)狀保持型情景SQM(statusquomaintenance)、農(nóng)業(yè)節(jié)水型情景AWS(agricultural water saving)、南水北調(diào)工程供水型情景SNWDP和綜合利用型情景CU(comprehensive utilization)。這4大類地下水利用情景中每個情景均增加了濕潤(humid climate, HC)、正常(normal climate, NC)和干旱(arid climate, AC)3個氣候狀況的子情景，即情景SQM、AWS、SNWDP和CU均考慮了氣候變化影響。這4大類情景中考慮氣候變化情景名稱分別為SQM-HC、SQM-NC和SQM-AC，AWS-HC、AWS-NC和AWS-AC，SNWDP-HC、SNWDP-NC和SNWDP-AC及CU-HC、CU-NC和CU-AC，具體情景設(shè)計見表2。模擬年份為2019-2028年，以經(jīng)過校準(zhǔn)的MIKE SHE模型2018年的模擬結(jié)果作為本研究的初始值，其他設(shè)置保持不變。

表2 華北平原地下水利用情景設(shè)計

3 結(jié)果與分析

3.1 地下水水位變化分析

地下水水位是華北平原MIKE SHE模型中非常重要的變量，是地下水含水層儲量變化的直接表現(xiàn)。本研究選取了6口觀測井(相關(guān)信息見圖1和表1)來展示不同地下水利用情景下華北平原地下水水位的動態(tài)變化，該6口觀測井的監(jiān)測深度不同，代表了不同深度的含水層類型。模擬期2019-2028年4種情景下華北平原6口觀測井地下水水位變化曲線及年均變幅分別見圖2和表3。

由圖2和表3可知，除情景CU外，其余3個情景下華北平原6口觀測井地下水水位整體上均呈下降趨勢。情景SQM、AWS和SNWDP中觀測井地下水水位的年均下降幅度分別為0.307～1.841、0.239～1.717和0.083～1.292 m/a，下降幅度以情景SNWDP最小，情景SQM最大，情景AWS居中。相對于情景SQM，情景AWS和SNWDP中觀測井地下水水位有一定的恢復(fù)，說明農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和南水北調(diào)工程均能對地下水水位的恢復(fù)起到一定的作用，且南水北調(diào)工程的作用要大于農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的作用。情景CU中觀測井地下水水位年均上升幅度為0.043～0.437 m/a，相比于其他3個情景，地下水水位從下降扭轉(zhuǎn)為上升，說明綜合各種節(jié)水和引水措施對研究區(qū)地下水水位的恢復(fù)有較大作用。

圖2 2019-2028年4種情景下華北平原6口觀測井地下水水位變化曲線

表3 2019-2028年4種情景下華北平原6口觀測井地下水水位年均變幅 m/a

3.2 地下水均衡分析

華北平原地下水系統(tǒng)補給量與排泄量之間的大小關(guān)系決定了地下水利用狀況，補給量小于排泄量(負(fù)均衡)意味著含水層儲量的消耗，導(dǎo)致地下水水位下降；補給量大于排泄量(正均衡)意味著含水層儲量的增加，導(dǎo)致地下水水位回升。圖3為模擬期2019-2028年4種情景下華北平原地下水系統(tǒng)年均補給量、排泄量和含水層儲量，由圖3可以看出，總體上情景SQM、AWS和SNWDP下華北平原地下水系統(tǒng)存在負(fù)均衡，地下水含水層儲量消耗量分別為119、108和81 mm/a，情景SNWDP消耗量最小，情景AWS次之，情景SQM最大；情景CU下華北平原地下水系統(tǒng)存在正均衡，地下水含水層儲量增加9 mm/a。

圖3 2019-2028年4種情景下華北平原地下水系統(tǒng)水均衡情況圖

表4為模擬期2019-2028年4種情景下華北平原主要水均衡項的平均值，其中補給項包括降水量、總灌溉量、邊界流入量和南水北調(diào)引水量，排泄項包括實際蒸散發(fā)量、總抽水量和邊界流出量。

由表4可看出，降水量為華北平原的主要補給來源，4種情景下占總補給量的比例分別為73.41%、77.27%、68.69%和74.42%；實際蒸散發(fā)量是華北平原的主要排泄項，4種情景下占總排泄量的比例分別為66.16%、69.09%、66.44%和76.45%；總抽水量是華北平原的次要排泄項，4種情景下占總排泄量的比例分別為33.37%、30.30%、32.65%和22.30%。由于農(nóng)業(yè)用水量占華北平原總用水量的比例在60%以上，而實際蒸散發(fā)量是農(nóng)業(yè)用水量的主要消耗部分，因此，實際蒸散發(fā)量是華北平原主要的排泄項，控制實際蒸散發(fā)量就可以控制華北平原地下水系統(tǒng)的排泄項，也就可以對華北平原地下水利用進行有效管理。作為中國主要的糧食產(chǎn)量基地之一，農(nóng)業(yè)是華北平原非常重要的用水部門，而作物生長過程中的蒸散發(fā)是華北平原的主要蒸散發(fā)項，因此，對于農(nóng)業(yè)及農(nóng)作物進行管理是控制華北平原實際蒸散發(fā)量的重要方法。

表4 2019-2028年4種情景下華北平原主要水均衡項的平均值 mm/a

3.3 含水層儲量變化分析

含水層儲量會隨著地下水利用而不斷發(fā)生變化，負(fù)均衡會導(dǎo)致含水層儲量下降，正均衡則會使含水層儲量上升。圖4為考慮與未考慮氣候變化和人類活動影響的4類情景下華北平原飽和含水層儲量變化曲線。

由圖4可以看出，對于4類情景來說，人類活動(農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和南水北調(diào)工程)影響下華北平原含水層儲量有不同程度的恢復(fù)，其中南水北調(diào)工程的作用要大于農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的作用，而將它們結(jié)合起來的作用將進一步加大。具體來說，相對于情景SQM，模擬期末(2028年12月31日)情景AWS、SNWDP和CU下華北平原飽和含水層儲量分別增加0.168、0.558和1.433 m。

圖4 考慮與未考慮氣候變化和人類活動影響的4類情景下華北平原飽和含水層儲量變化曲線

氣候變化對于4類情景的影響相類似，代表濕潤氣候的情景(情景SQM-HC、AWS-HC、SNWDP-HC和CU-HC)下華北平原含水層儲量有較大恢復(fù)；代表干旱氣候的情景(情景SQM-AC、AWS-AC、SNWDP-AC和CU-AC)下華北平原含水層儲量則出現(xiàn)較大下降；代表正常氣候的情景(情景SQM-NC、AWS-NC、SNWDP-NC和CU-NC)所起的作用則居前兩者之中。具體來說，到模擬期末(2028年12月31日)，相對于情景SQM，情景SQM-HC、AWS-HC、SNWDP-HC和CU-HC下華北平原飽和含水層儲量分別增加0.972、1.129、1.505和2.239 m，情景SQM-AC、AWS-AC、SNWDP-AC和CU-AC下華北平原飽和含水層儲量分別減少0.940、0.736、0.372和0.607 m，情景SQM-NC、AWS-NC、SNWDP-NC和CU-NC下華北平原飽和含水層儲量分別增加0.119、0.285、0.677和1.540 m。

圖5為模擬期2019-2028年氣候變化對4種情景下華北平原地下水飽和含水層儲量造成影響的不確定性范圍。

圖5 2019-2028年氣候變化對4種情景下華北平原飽和含水層儲量造成影響的不確定性范圍

由圖5可以看出，4種情景下氣候變化均給華北平原飽和含水層儲量帶來顯著影響，由此造成飽和含水層儲量變化的不確定性也不可忽視。結(jié)合圖4和5可知，氣候變化對華北平原地下水利用的影響與人類活動(農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和南水北調(diào)工程)的影響具有相同的量級，在重視人類活動影響的同時，也必須考慮氣候變化產(chǎn)生的影響。

3.4 地下水影響因素分析

人類活動和氣候變化是華北平原地下水利用過程中非常重要的兩類因素。一方面，地下水開采即為人類活動對地下含水層系統(tǒng)的影響，過度開采地下水會導(dǎo)致地下水水位下降、含水層儲量消耗，影響地下水可持續(xù)利用。同時，南水北調(diào)工程和農(nóng)業(yè)節(jié)水是從引水和節(jié)水角度影響地下水利用。本文研究表明，南水北調(diào)工程對華北平原地下水利用的影響大于農(nóng)業(yè)節(jié)水的影響。要徹底解決華北平原地下水含水層儲量消耗問題，保證地下水可持續(xù)利用，必須將農(nóng)業(yè)節(jié)水措施與南水北調(diào)工程相結(jié)合，采取綜合措施，才能起到較好效果。

另一方面，氣候變化對華北平原地下水利用會產(chǎn)生顯著影響，其對飽和含水層儲量影響的量級與人類活動的影響相當(dāng)。華北平原地下水水位、水均衡和飽和含水層儲量變化方向和大小與氣候的干濕程度正相關(guān)。氣候越濕潤，地下水利用越容易維持可持續(xù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)；反之，氣候越干旱，地下水利用越容易出現(xiàn)不可持續(xù)狀態(tài)。同時，華北平原面臨著人類活動和氣候變化雙重因素影響，對于地下水利用將起到“放大器”的作用，可以放大2～3倍[28]，即氣候變化導(dǎo)致降水量減少，人類活動的加劇將加大地下水開采力度，這將對地下水造成非常大的間接影響。

4 結(jié) 論

針對人類活動和氣候變化等變化環(huán)境下華北平原地下水可持續(xù)利用問題，采用MIKE SHE模型，設(shè)定4大類情景(每類情景中均設(shè)定了3類氣候變化情景)，模擬農(nóng)業(yè)節(jié)水措施、南水北調(diào)工程和氣候變化對2019-2028年華北平原地下水利用的影響，得到如下結(jié)論：

(1)農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和南水北調(diào)工程等人類活動對華北平原地下水水位、水均衡和含水層儲量有較大影響，它們均能使地下水水位和含水層儲量有一定程度的恢復(fù)，但南水北調(diào)工程的影響大于農(nóng)業(yè)節(jié)水措施的影響。相對于情景SQM，模擬期末(2028年12月31日)農(nóng)業(yè)節(jié)水型情景AWS、南水北調(diào)工程供水型情景SNWDP和綜合利用型情景CU下華北平原飽和含水層儲量分別增加0.168、0.558和1.433 m。

(2)氣候變化對華北平原地下水水位、水均衡和含水層儲量影響的量級與人類活動的影響相當(dāng)，且這三者變化方向和大小均與未來氣候條件的干濕程度正相關(guān)。到模擬期末(2028年12月31日)，相對于情景SQM，濕潤氣候情景下華北平原飽和含水層儲量增加0.972～2.239 m，干旱氣候情景下華北平原飽和含水層儲量減少0.372～0.940 m，而正常氣候情景下華北平原飽和含水層儲量增加0.119～1.540 m。

(3)僅靠單一方法無法徹底解決華北平原地下水不可持續(xù)利用問題，必須將農(nóng)業(yè)節(jié)水措施和南水北調(diào)工程相結(jié)合，采取綜合措施，才能保證華北平原地下水的可持續(xù)利用。人類活動和氣候變化往往共同起著“放大器”作用，因此在未來制定相關(guān)政策時，必須考慮氣候變化的影響。