華北典型灌區氣候變化條件下地下水響應研究

韓宇平　劉存強　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為例，結合研究區水文地質條件，建立地下水運動數值模擬模型，通過參數校準和模型驗證，表明建立的地下水運動模型能夠合理地反映研究區2012-2013年的地下水運動狀況，模擬結果表明該灌區地下水處于負均衡狀態。基于模擬結果，進一步預測了氣候情景（選取RCP4.5情景NorESM1-M模式）下灌區2030年地下水水位情況。結果表明與1997-2013年相比，2030年灌區地下水位持續下降，漏斗面積逐漸擴大。以此為基礎，開展地下水開采量情景分析，將開采量分別增加和減少20%，預測2030年在不同開采量情景下地下水水位變化情況。最后根據預測結果初步提出地下水開采量減少20%的調控方案，以保證地下水水位有所上升，漏斗面積減少。

關鍵詞：MODFLOW;灌區;地下水;氣候變化;情景分析

中圖分類號：P641文獻標志碼：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

農業用水是我國水資源利用的主體，多年平均用水量約占全國總用水量的70%以上。其中地下水是我國農業灌溉的重要水源，在城鄉生活用水、社會經濟發展、生態平衡等方面也起著非常重要的作用[1]。然而我國地下水采補平衡方面面臨嚴重問題，北方地區特別是黃淮海流域，地下水用水比例不斷上升[2]，地下水開采量的不斷增加引起了一系列生態環境問題[3]。研究表明地下水超采會導致水源地地下水位下降過大，形成地下水降落漏斗[4-6]，在沿海地區甚至還會造成海水入侵[7]。因此研究農業用水對地下水水位的影響對于地下水資源的可持續利用和農業的可持續發展非常必要[8]。

地下水作為水循環的主要組成部分其動態變化與人類活動和氣候變化密切相關。隨著人類對地下水開采量的增加，地下水的補排平衡被破壞，導致地下水水位逐年下降。與此同時，氣候變化導致的降水、蒸散發、潛水蒸發變化也影響著地下水補排關系[9]。為研究其對地下水動態的影響，國內外學者應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，研究了南水北調工程實施后對白洋淀水文過程的影響。陳皓銳等[11]應用MODFLOW模擬了未來不同情景下未來的潛水位對氣候和人類活動的響應情況。Scibek等[12]耦合了氣候模式和地下水模型，研究Grand Forks地區不同氣候情景下地下水的補排情況。Kirshen[13]結合MODFLOW模型研究了全球變暖對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地下水的影響更為嚴重。Oude Essink等[14]建立了地下水運動模型，研究氣候變暖情況下荷蘭沿海地區地下水動態變化情況。廖梓龍[15]的研究表明，降雨補給變化對地下水水位變化影響非常大，同時人類開采活動也對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不同灌溉方式、地下水開采量和種植結構情況下地下水位的響應，結果表明井渠聯合可以很好地控制地下水位。王電龍等[17]應用了水量平衡原理、統計降尺度和概率統計等方法研究了不同氣候變化情景下華北平原井灌糧區未來50年糧食生產地下水保障能力，從糧食生產安全用水角度建議了合理的發展模式。林艷竹[18]應用了GMS及改進后的MODFLOW模型預測了現狀氣候和未來不同模式的長期氣候情景下地下水流場和動態變化趨勢，分析氣候變化對華北平原地下水流場和均衡的影響。王利書等[19]研究發現石羊河流域近20年來氣象因素中降水量、蒸發量的變化對地下水位影響較小，徑流量的變化對地下水位影響較大。大量觀測證據表明，由于大氣中溫室氣體濃度的增加，目前全球正經歷明顯的氣候變化[20-22]。以往研究表明氣候變化與地下水開采可能是造成地下水位變化的主要因素，因此，研究長期氣候變化和農業用水條件下地下水的演變規律研究及發展趨勢具有重要的意義。

2.2 未來氣候情景構建

氣候模式是目前預測未來氣候變化和影響的最主要的工具。氣候模式的輸出結果，通常是在一定溫室氣體和氣溶膠的排放情景（濃度情景或響應輻射強迫情景）下模擬得到[30]。本文選取聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告中確定使用的“典型濃度路徑”（representative concentration pathways，RCPs）為未來的濃度情景。選取RCP4.5作為氣候模式的模擬情景，因為該情景是當前應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定在6.5×10-4CO2當量，輻射強迫穩定在4.5 W/m2，大氣溫度預計平均升高3.6 ℃。氣候模式模擬數據來源于ISI-MIP提供，中國農科院環發所收集整理的中國大陸地區氣候變化情景數據集，本文選取NorESM1-M模式作為建立模型的氣候模式。該數據集經時間范圍為1951-2050年，空間水平分辨率為0.5°×0.5°。覆蓋研究區有兩個網格，以這兩個網格的模擬值的算術平均結果作為區域氣候變化情景。2014-2030年研究區蒸發量根據NorESM1-M模式輸出結果計算得到。Noresm1-M模式下2014-2030年灌區平均氣溫升高1.9 ℃，年平均降水量585 mm，年平均潛在蒸散量為1 335 mm。為闡明氣候變化對地下水的影響，基于2012-2013年地下水開采情況，2014-2030年氣候變化條件下模型模擬結果與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）下灌區地下水變化情況進行對比。另外，本文開展了氣候變化條件下開采方案情景分析，目的是為了分析未來氣候下人工開采量變化對地下水的影響，為提出合理的地下水開采方案提供依據。基于未來全球變暖情景下，大氣溫度升高，作物需水量的增加，同時工業、生活、生態的用水量也增加，設置地下水開采量增加20%的情景。基于未來限制地下水開采同時采用節水灌溉設施，設置地下水開采量降低20%的情景[31]。

3 結果與討論

3.1 模型校準與驗證

以2012年1月實測地下水位為MODFLOW模型的初始水位，模型的校準期選取2012年1月1日至2012年12月31日，校準期間通過反復調整參數使模型模擬值與實測值盡量接近以確定最優參數（表2）。模型的驗證期選取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個地下水位觀測井的實測值和模擬值對比見圖4，模型擬合統計參數見表3。結果表明，觀測點在各個時段的模擬水位與觀測水位擬合程度較好（圖4）。模型校準期和驗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）。以上結果表明MODFLOW模型能夠較好的模擬各觀測井地下水水位及反映研究區地下水系統的變化規律。MODFLOW模型模擬的數據，研究期間水量補給項、排泄項總水量見表4。由表4可看出，降水入滲是主要的補給項，地下水開采灌溉是主要的排泄項。研究期間灌區地下水量呈負均衡態勢，即地下水位呈下降趨勢。地下水過度開采是造成下水量呈負均衡態勢的主要原因。最后，需要指出的是雖然在MODFLOW模型校準與驗證過程中取得較好的模擬效果，但仍存在一些不足。本研究實測地下水位資料的時間序列較短，觀測井數量較少，僅對兩年以月為單位的6個觀測井的地下水變化進行模擬與驗證，今后仍需進一步增加監測井數量和延長監測時間，補充校準模型所需實測數據，以降低模型參數的不確定性和提高模擬結果準確性。

3.2 氣候變化對地下水位影響及情景分析

為了評價氣候變化對地下水水位影響，選取2012年末地下水位圖（圖5）作為水位的對比圖。氣候變化情景下，基于已校準的MODFLOW模型，以2012年末觀測井的水位作為模型的初始水位，控制開采量、側向流入、河道滲漏、側向流出不變，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，進而分析氣候變化對地下水的影響。

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果見圖6。模擬結果表明2013年末和2030年末灌區地下水仍然呈現西南多東北少態勢，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。本文將灌區地下水水位低于60 m的區域劃分為地下水漏斗區域。從圖6的地下水漏斗分布可以看出，灌區地下水漏斗從夏莊附近逐漸往西南方向延伸，漏斗區域面積顯著增大，2013年末漏斗面積小于2030年末漏斗面積。2014-2030年和1997-2013年期間地下水補排量分別見表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給量比2014-2030年氣候變化條件下地下水補給量多。在模擬期間地下水的主要補給項為降水入滲，排泄項中，開采量為主要的排出項。氣候變化條件下補給項中降水入滲量降低，排泄項中潛水蒸發量增大。2014-2030年期間與1997-2013年期間相比降水入滲補給地下水量降低3.9%，溫度升高，潛水蒸發量增加23.8%。

3.3 氣候變化條件下地下水開采方案情景分析

為了深入了解2014-2030年未來氣候情景下開采量增加及開采量減少對灌區地下水位影響，本研究開展地下水開采方案情景分析。地下水開采量變動20%情景對應的各灌溉區域（圖2）的開采量見表7。地下水開采量分別增加和減少20%，模擬2030年地下水流場變化情況，不同情景下地下水位見圖7。從預測結果來看，開采量增加或減少20%呈現的結果差異較大。地下水開采量增加20%的情景分析結果表明，預測的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，灌區地下水下降明顯，地下水漏斗面積增大。地下水開采量減少20%的情景分析結果表明，[HJ2.08mm]預測的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。整體來講，開采量減少20%與增加20%情景模擬結果對比發現地下水位有所上升，地下水漏斗面積明顯減小。為了減緩地下水位持續下降趨勢，降低地下水漏斗的面積，在未來氣候情景下，建議采取地下水開采量減少20%的方案，進而恢復地下水水位和降低漏斗區面積。為減少農業灌溉對地下水的開采，可以采取以下措施：（1）優化灌區的渠系工程，增加地表水灌溉量，減少地下水開采量，推廣先進的灌溉技術，比如噴灌，滴灌，以此來提高農業灌溉用水效率。（2）對灌區內的自備井加強管理，廢棄一些違反規定而開掘的用水井[32-33]。

表7 地下水開采量增加及減少20%后各灌溉區域開采量

Tab.7

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

區域[]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（開采量增加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 結論

氣候變化與地下水開采是造成灌區地下水位變化的主要因素，基于MODFLOW模型對華北平原典型灌區人民勝利渠灌區地下水對農業用水和氣候變化的響應進行了模擬，研究發現在2012-2013年氣象條件和農業用水影響下地下水處于負均衡狀態。將驗證后的MODFLOW模型進一步與未來氣候變化情景（RCP4.5情景NorESM1-M模式）耦合模擬發現，灌區2030年地下水位持續下降，地下水漏斗逐漸擴大。情景分析表明地下水開采量減少20%可以保證地下水水位有所上升，漏斗面積減少，而開采量增加20%將導致地下水漏斗面積明顯擴大。基于地下水運動數值模擬模型MODFLOW開展未來氣候情景下地下水的響應研究可以為防止地下水位的持續下降提出調控方案，為灌區地下水資源持續利用提供指導，進而防止地下水超量開采引起的生態環境問題。本文設定的開采量情景仍存在一定的不足，僅考慮了開采量增加和減少20%的情景，建議以后的研究綜合考慮影響開采量的自然和人為因素，更為準確的估算氣候變化條件下的地下水開采情況。

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