华北典型灌区气候变化条件下地下水响应研究

韩宇平　刘存强　赵雨婷　刘中培　王春颖

摘要：基于MODFLOW模型，以华北平原人民胜利渠灌区为例，结合研究区水文地质条件，建立地下水运动数值模拟模型，通过参数校准和模型验证，表明建立的地下水运动模型能够合理地反映研究区2012-2013年的地下水运动状况，模拟结果表明该灌区地下水处于负均衡状态。基于模拟结果，进一步预测了气候情景（选取RCP4.5情景NorESM1-M模式）下灌区2030年地下水水位情况。结果表明与1997-2013年相比，2030年灌区地下水位持续下降，漏斗面积逐渐扩大。以此为基础，开展地下水开采量情景分析，将开采量分别增加和减少20%，预测2030年在不同开采量情景下地下水水位变化情况。最后根据预测结果初步提出地下水开采量减少20%的调控方案，以保证地下水水位有所上升，漏斗面积减少。

关键词：MODFLOW;灌区;地下水;气候变化;情景分析

中图分类号：P641文献标志码：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

農业用水是我国水资源利用的主体，多年平均用水量约占全国总用水量的70%以上。其中地下水是我国农业灌溉的重要水源，在城乡生活用水、社会经济发展、生态平衡等方面也起着非常重要的作用[1]。然而我国地下水采补平衡方面面临严重问题，北方地区特别是黄淮海流域，地下水用水比例不断上升[2]，地下水开采量的不断增加引起了一系列生态环境问题[3]。研究表明地下水超采会导致水源地地下水位下降过大，形成地下水降落漏斗[4-6]，在沿海地区甚至还会造成海水入侵[7]。因此研究农业用水对地下水水位的影响对于地下水资源的可持续利用和农业的可持续发展非常必要[8]。

地下水作为水循环的主要组成部分其动态变化与人类活动和气候变化密切相关。随着人类对地下水开采量的增加，地下水的补排平衡被破坏，导致地下水水位逐年下降。与此同时，气候变化导致的降水、蒸散发、潜水蒸发变化也影响着地下水补排关系[9]。为研究其对地下水动态的影响，国内外学者应用了各种方法和模型。王蕊等[10]建立了地表水地下水耦合模型，研究了南水北调工程实施后对白洋淀水文过程的影响。陈皓锐等[11]应用MODFLOW模拟了未来不同情景下未来的潜水位对气候和人类活动的响应情况。Scibek等[12]耦合了气候模式和地下水模型，研究Grand Forks地区不同气候情景下地下水的补排情况。Kirshen[13]结合MODFLOW模型研究了全球变暖对马萨诸塞州东部地下水的潜在影响，研究表明干旱情景下气候变化对地下水的影响更为严重。Oude Essink等[14]建立了地下水运动模型，研究气候变暖情况下荷兰沿海地区地下水动态变化情况。廖梓龙[15]的研究表明，降雨补给变化对地下水水位变化影响非常大，同时人类开采活动也对地下水位变化造成很大影响。刘路广等[16]基于MODFLOW模型模拟了柳园口灌区不同灌溉方式、地下水开采量和种植结构情况下地下水位的响应，结果表明井渠联合可以很好地控制地下水位。王电龙等[17]应用了水量平衡原理、统计降尺度和概率统计等方法研究了不同气候变化情景下华北平原井灌粮区未来50年粮食生产地下水保障能力，从粮食生产安全用水角度建议了合理的发展模式。林艳竹[18]应用了GMS及改进后的MODFLOW模型预测了现状气候和未来不同模式的长期气候情景下地下水流场和动态变化趋势，分析气候变化对华北平原地下水流场和均衡的影响。王利书等[19]研究发现石羊河流域近20年来气象因素中降水量、蒸发量的变化对地下水位影响较小，径流量的变化对地下水位影响较大。大量观测证据表明，由于大气中温室气体浓度的增加，目前全球正经历明显的气候变化[20-22]。以往研究表明气候变化与地下水开采可能是造成地下水位变化的主要因素，因此，研究长期气候变化和农业用水条件下地下水的演变规律研究及发展趋势具有重要的意义。

2.2 未来气候情景构建

气候模式是目前预测未来气候变化和影响的最主要的工具。气候模式的输出结果，通常是在一定温室气体和气溶胶的排放情景（浓度情景或响应辐射强迫情景）下模拟得到[30]。本文选取联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告中确定使用的“典型浓度路径”（representative concentration pathways，RCPs）为未来的浓度情景。选取RCP4.5作为气候模式的模拟情景，因为该情景是当前应用较为广泛的一种排放情景，该情景下2100年大气温室气体浓度稳定在6.5×10-4CO2当量，辐射强迫稳定在4.5 W/m2，大气温度预计平均升高3.6 ℃。气候模式模拟数据来源于ISI-MIP提供，中国农科院环发所收集整理的中国大陆地区气候变化情景数据集，本文选取NorESM1-M模式作为建立模型的气候模式。该数据集经时间范围为1951-2050年，空间水平分辨率为0.5°×0.5°。覆盖研究区有两个网格，以这两个网格的模拟值的算术平均结果作为区域气候变化情景。2014-2030年研究区蒸发量根据NorESM1-M模式输出结果计算得到。Noresm1-M模式下2014-2030年灌区平均气温升高1.9 ℃，年平均降水量585 mm，年平均潜在蒸散量为1 335 mm。为阐明气候变化对地下水的影响，基于2012-2013年地下水开采情况，2014-2030年气候变化条件下模型模拟结果与1997-2013年历史气象条件（年平均降水量608 mm，年平均潜在蒸散量1 078 mm）下灌区地下水变化情况进行对比。另外，本文开展了气候变化条件下开采方案情景分析，目的是为了分析未来气候下人工开采量变化对地下水的影响，为提出合理的地下水开采方案提供依据。基于未来全球变暖情景下，大气温度升高，作物需水量的增加，同时工业、生活、生态的用水量也增加，设置地下水开采量增加20%的情景。基于未来限制地下水开采同时采用节水灌溉设施，设置地下水开采量降低20%的情景[31]。

3 结果与讨论

3.1 模型校准与验证

以2012年1月实测地下水位为MODFLOW模型的初始水位，模型的校准期选取2012年1月1日至2012年12月31日，校准期间通过反复调整参数使模型模拟值与实测值尽量接近以确定最优参数（表2）。模型的验证期选取2013年1月1日至2013年12月31日。模型模拟期间亢村、夏庄、后河、北翟坡、庄岩、张村6个地下水位观测井的实测值和模拟值对比见图4，模型拟合统计参数见表3。结果表明，观测点在各个时段的模拟水位与观测水位拟合程度较好（图4）。模型校准期和验证期归一化均方根误差（NRMS）分别为3.9%和3.1%，均方差（RMS）为0.77 m和0.56 m（表3）。以上结果表明MODFLOW模型能够较好的模拟各观测井地下水水位及反映研究区地下水系统的变化规律。MODFLOW模型模拟的数据，研究期间水量补给项、排泄项总水量见表4。由表4可看出，降水入渗是主要的补给项，地下水开采灌溉是主要的排泄项。研究期间灌区地下水量呈负均衡态势，即地下水位呈下降趋势。地下水过度开采是造成下水量呈负均衡态势的主要原因。最后，需要指出的是虽然在MODFLOW模型校准与验证过程中取得较好的模拟效果，但仍存在一些不足。本研究实测地下水位资料的时间序列较短，观测井数量较少，仅对两年以月为单位的6个观测井的地下水变化进行模拟与验证，今后仍需进一步增加监测井数量和延长监测时间，补充校准模型所需实测数据，以降低模型参数的不确定性和提高模拟结果准确性。

3.2 气候变化对地下水位影响及情景分析

为了评价气候变化对地下水水位影响，选取2012年末地下水位图（图5）作为水位的对比图。气候变化情景下，基于已校准的MODFLOW模型，以2012年末观测井的水位作为模型的初始水位，控制开采量、侧向流入、河道渗漏、侧向流出不变，分别输入1997-2013年、2014-2030年的气候变化条件下降水和潜水蒸发，进而分析气候变化对地下水的影响。

1997-2013年历史气象条件下及2014-2030年气候变化条件下模型模拟结果见图6。模拟结果表明2013年末和2030年末灌区地下水仍然呈现西南多东北少态势，地下水流向由西南部流向东北部。

历史气象条件下2013年末及气候变化条件下2030年末地下水水位与初始水位相比，整体有下降趋势。本文将灌区地下水水位低于60 m的区域划分为地下水漏斗区域。从图6的地下水漏斗分布可以看出，灌区地下水漏斗从夏庄附近逐渐往西南方向延伸，漏斗区域面积显著增大，2013年末漏斗面积小于2030年末漏斗面积。2014-2030年和1997-2013年期间地下水补排量分别见表5和表6，从表中可以看出，1997-2013年历史气象条件下地下水补给量比2014-2030年气候变化条件下地下水补给量多。在模拟期间地下水的主要补给项为降水入渗，排泄项中，开采量为主要的排出项。气候变化条件下补给项中降水入渗量降低，排泄项中潜水蒸发量增大。2014-2030年期间与1997-2013年期间相比降水入渗补给地下水量降低3.9%，温度升高，潜水蒸发量增加23.8%。

3.3 气候变化条件下地下水开采方案情景分析

为了深入了解2014-2030年未来气候情景下开采量增加及开采量减少对灌区地下水位影响，本研究开展地下水开采方案情景分析。地下水开采量变动20%情景对应的各灌溉区域（图2）的开采量见表7。地下水开采量分别增加和减少20%，模拟2030年地下水流场变化情况，不同情景下地下水位见图7。从预测结果来看，开采量增加或减少20%呈现的结果差异较大。地下水开采量增加20%的情景分析结果表明，预测的2030年地下水位中，后河附近地下水水位在64 m左右，庄岩附近水位在68 m左右，亢村附近水位在58 m左右，夏庄为漏斗中心，水位在29 m左右，灌区地下水下降明显，地下水漏斗面积增大。地下水开采量减少20%的情景分析结果表明，[HJ2.08mm]预测的2020年地下水位中，后河附近地下水水位在65 m左右，庄岩附近水位在69 m左右，亢村附近水位在66 m左右，夏庄漏斗中心附近水位在50 m左右。整体来讲，开采量减少20%与增加20%情景模拟结果对比发现地下水位有所上升，地下水漏斗面积明显减小。为了减缓地下水位持续下降趋势，降低地下水漏斗的面积，在未来气候情景下，建議采取地下水开采量减少20%的方案，进而恢复地下水水位和降低漏斗区面积。为减少农业灌溉对地下水的开采，可以采取以下措施：（1）优化灌区的渠系工程，增加地表水灌溉量，减少地下水开采量，推广先进的灌溉技术，比如喷灌，滴灌，以此来提高农业灌溉用水效率。（2）对灌区内的自备井加强管理，废弃一些违反规定而开掘的用水井[32-33]。

表7 地下水开采量增加及减少20%后各灌溉区域开采量

Tab.7

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

区域[]1、2[]3[]4[]5[]6[]7

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

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

[HT]

圖7 2030年末地下水等水位线（开采量增加20%及减少20%）

Fig.7

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

4 结论

气候变化与地下水开采是造成灌区地下水位变化的主要因素，基于MODFLOW模型对华北平原典型灌区人民胜利渠灌区地下水对农业用水和气候变化的响应进行了模拟，研究发现在2012-2013年气象条件和农业用水影响下地下水处于负均衡状态。将验证后的MODFLOW模型进一步与未来气候变化情景（RCP4.5情景NorESM1-M模式）耦合模拟发现，灌区2030年地下水位持续下降，地下水漏斗逐渐扩大。情景分析表明地下水开采量减少20%可以保证地下水水位有所上升，漏斗面积减少，而开采量增加20%将导致地下水漏斗面积明显扩大。基于地下水运动数值模拟模型MODFLOW开展未来气候情景下地下水的响应研究可以为防止地下水位的持续下降提出调控方案，为灌区地下水资源持续利用提供指导，进而防止地下水超量开采引起的生态环境问题。本文设定的开采量情景仍存在一定的不足，仅考虑了开采量增加和减少20%的情景，建议以后的研究综合考虑影响开采量的自然和人为因素，更为准确的估算气候变化条件下的地下水开采情况。

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