地下水开采对海河流域水循环过程影响的模拟

姜姗姗 占车生 王会肖 富可荣 王飞宇

摘要：利用分布式时变增益水文模型（DTVGM）的产流机制改进CLM3.5（Community Land Model version 3.5）的水文过程参数化，同时嵌入地下水开采对流域水循环影响的模块，并考虑经济社会用水，建立能够描述流域自然-人文过程的大尺度陆地水循环模型（CLM-DTVGM）。以地下水开采严重的海河流域为研究区，以中科院青藏高原研究所建立的中国区域高时空分辨率地面气象要素数据集作为大气强迫驱动，针对海河流域1980年-2010年的水循环过程进行模拟，分析地下水开采活动对流域水循环过程的影响。结果表明：地下水开采活动引起海河流域地表径流和土壤湿度整体有所减少，蒸散发则呈增加趋势，且各水循环要素空间分异较大。

关键词：海河流域；陆面过程；地下水开采；水循环；模拟研究

中图分类号：P641 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0054-06

Abstract：By improving the hydrological parameterization schemes of the land surface model （CLM3.5） using the Distributed Time Variant Gain Model（DTVGM） which was developed independently，embedding a module which reflects the impact of groundwater exploitation on water cycle process，considering domestic water，industrial water and ecological water，a large-scale land water cycle model was developed which could describe the nature and human process of a basin.The Haihe River Basin where groundwater is extracted seriously was chosen as the study area，using high spatial and temporal resolution meteorological element data sets of China established by the Institute of Tibetan Plateau as atmospheric forcing drivers，this paper conducted simulation test for the water cycle process in 1980-2010 in the Haihe River Basin， and analyzed the impacts of groundwater exploitation activities on the water cycle process.The results showed that：groundwater exploitation caused the decrease in runoff and soil moisture in the overall basin；the evapotranspiration in the overall basin increased， and the spatial variation of water cycle elements was large.

Key words：the Haihe River Basin；land surface processes；groundwater exploitation；water cycle；simulation

近年来，人类对水资源的开发利用日趋广泛，极大地扰乱了自然水循环过程。尤其在地表水资源量无法满足用水需求或地表水污染严重的地区，持续开采地下水不但会造成地面沉降、湿地减少、海水入侵以及地下水污染，而且会导致陆地水资源的枯竭[1-2]，同时由于更多的水分被抽取至地表，引起局地土壤湿度和地面温度的变化，进而影响水循环过程[3-7]。因此，考虑地下水开采活动对流域水循环影响研究是十分必要的。

已有很多学者就地下水开采活动对水循环的影响进行了研究探索：束龙仓和Xunhong Chen以内布拉斯加州普拉特河谷为例，采用Visual MODFLOW研究了地下水开采对河流流量衰减的影响，认为地下水位高出河水位的值越大，抽水对河流基流量减少的影响越明显，对河流渗漏增加的影响微弱[8]；贾仰文等综合考虑水文气象、地下水开采、南水北调等因素的影响，建立了海河流域二元水循环模型，得出不同规划水平年水资源管理推荐方案[9-10]；王中根等针对海河流域的地下水超采问题，利用较为成熟的流域地表水模型SWAT与地下水模型MODFLOW构建了海河流域地表水与地下水耦合模型，用于评估地下水开采对流域水资源的影响[11]。这些模型主要基于水量平衡，侧重于对降雨径流和水分收支的模拟与计算，缺乏对能量平衡的考虑，无法表达陆气界面的水气能量交换过程[12]。虽然水文模型研究在耦合社会经济水循环、嵌入人类活动模块方面有了一定进展，但是为了适应全球气候变化研究，水文模型还需要从大尺度和高精度模拟方向进行新的突破[13]。陆面过程模式作为水文模型和气候模型联系的桥梁，可以作为大尺度水文模型发展的基础。耦合陆面过程模式和水文模型可以保留水文模型的水量平衡模拟方法，尤其是产汇流过程等，而能量平衡、植被作用等采用陆面模式参数化方案进行描述，以此改善陆面模式对水文过程描述的不足，提高模式模拟预报的精度。

由于受到地下水农业灌溉、河道取用水等高强度人为活动的影响，海河流域地表产汇流非线性特征明显，水文过程模拟的不确定性较大。夏军等[14]结合水文非线性系统方法与分布式流域水文模拟技术自主研发了一种分布式时变增益水文模型（DTVGM），其特点在于能模拟人类活动影响下的降雨、径流等水文变量之间非线性关系[15]，对下垫面实时反应能力较强，尤其在海河、黑河、黄河等半干旱-半湿润流域的模拟效果较好，且计算消耗小[16]。因此，本研究利用DTVGM的产流机制改进CLM3.5的产流过程，同时嵌入地下水开采对流域水循环影响的模块，并考虑经济社会用水，构建能够描述流域自然-人文过程的大尺度陆地水循环模型（CLM-DTVGM），然后以中国科学院青藏高原研究所基于Princeton 再分析数据建立的一套中国区域高时空分辨率地面气象要素数据集作为大气强迫驱动，设置两种模式（无人类活动影响S1和仅考虑开采地下水S2），对海河流域过去30年的地表径流、蒸散发和土壤湿度进行模拟，分析地下水开采活动对海河流域水循环过程的影响。

1 研究区和数据介绍

1.1 研究区

海河流域（图1）位于东经112°-120°，北纬35°-43°之间，总面积约31.8万km²。按照流域西北高，东南低的地势，大致可分高原、山地和平原三种地貌类型。流域西部和北部的高原及山地占流域总面积的60%，流域东部和南部以农田为主，也是主要的人口居住地，占流域总面积的40%。海河流域多年平均降水量为539 mm，自20世纪50年代以来，降水总体上呈现逐步减少的趋势。流域年平均气温为10.8 ℃，年内变化较为平缓。海河流域作为严重的资源性缺水地区，水资源供需矛盾十分突出，用不足全国1.3%的水资源量，承担着全国11%的耕地面积和10%人口用水任务 [17]。由于流域内地表水资源非常匮乏，主要通过开采地下水进行灌溉，区内已形成大范围常年性浅层地下水位降落漏斗，地下水超采是地下水位下降的主导原因[18]。近50年来，海河流域累计超采地下水高达1 900 亿m³，目前地下水年开采量约占流域总供水量的2/3[19]。大范围超采活动已使海河流域地下水处于不可持续状态，严重威胁该地区的可持续发展。

1.2 数据介绍

已有的可用于陆面过程模式输入的再分析数据产品，在中国区域上往往存在着系统偏差，如以Princeton 数据。因此，本研究采用中国科学院青藏高原研究所开发的中国区域的长时间序列、高时空分辨率的陆面模式驱动数据，简称ITPCAS数据集。该套数据以国际上现有的Princeton 再分析资料、GEWEX-SRB 辐射资料以及TRMM 降水资料为基础，利用中国气象局常规气象观测数据进行校正以消除系统偏差，并通过空间降尺度的方式，得到最高时间分辨率为3 h、最高水平空间分辨率为0.1°的再分析数据（包含近地面气温、近地面气压、近地面空气比湿、近地面全风速、地面向下短波辐射、地面向下长波辐射、地面降水率）[20]，可以满足国内陆面过程研究的需要。

经济社会数据为2000年的数据。其中人口、GDP、农田面积数据是基于国家统计局城市社会经济调查总队编纂出版的《中国城市统计年鉴2000》，并由中国科学院资源环境科学数据中心（www.resdc.cn/english/default.asp）处理为分辨率1 km×1 km的栅格数据。这组数据在本研究中被处理为0.25°×0.25°的分辨率，以适应陆面模式的要求。

工业、生活和农业的单位用水数据来自《中国水资源公报2000》（表1），并且在流域内保持固定不变。

2 研究方法

2.1 模型介绍

CLM3.5模式是NCAR发布的新一代陆面过程模式，是在CLM3.0的基础上对陆面参数和水文过程加以改进，引进并完善了径流、地下水、碳循环和冻土过程，其具体物理过程在文献中有较为详尽的描述[21-22]。CLM3.5原有的地表产流采用TOPMODEL模型中的SIMTOP参数化方案，即根据蓄满产流和超渗产流的机制来计算，其中关键参数是计算单元的饱和因子，其依赖表层土壤的不透水面积，计算较为复杂。

本研究采用DTVGM模型的时变增益因子来改进CLM3.5中的产流模型，即考虑降雨径流的非线性关系，以及产流过程中土壤湿度不同引起的产流量变化，通过时变增益因子简化了水文循环系统的输入输出之间复杂的非线性关系，达到与一般Volterra泛函级数相同的模拟效果。

在对CLM3.5产流模块改进的基础上，构建人类活动影响概化模型（图2），并成功嵌入CLM-DTVGM中。为了满足每个时间步长内的总需水量Dt，人类需要从附近的河流和含水层汲取水源，从河流中和含水层汲取的水量分别记为Qs和Qg，而开采的水资源量主要用于人类生活Dd、工业生产Di和农业灌溉Da三个方面。其中，生活和工业用水主要消耗于蒸发，而剩余的水量作为废水（Dg）返回河道；农业灌溉用水则作为有效降水降落到土壤表面，并继续参加随后的产流等计算过程。

在图2中的水资源开采部分，从河流汲取的地表水供水量Qs在CLM3.5中主要从每个格点的总径流（地表径流与地下径流之和）中扣除；而从含水层中汲取的地下水供水量Qg是在计算陆地水储量时扣除，因此有：

在图2中的水资源利用部分，工业和生活产生的废水量Dg视为α（Di+Dd），且被直接从模式格点柱内移除，不再参与格点柱内的计算（α为工业和生活用水中返回河道的废水比例），而模式中的蒸发量相应地增加（1-α）×（Di+Dd），到达地表的有效降水量也因灌溉而增加Da。

基于这种人类活动影响概化模型，模拟设置了两种情景：无人类活动影响（S1）、考虑开采地下水（S2）。通过比较两种情景的模拟结果，可以探讨人类对水资源开采利用对水循环过程产生的影响。本次模拟的区域范围设为112°-120°E，35°-43°N，时间范围是1980年-2010年，输入数据空间分辨率为0.1°×0.1°，输出数据的空间分辨率为0.5°×0.5°。其中，需水量采用2000年统计值（表1）。

2.2 参数率定与模型验证

DTVGM 模型的参数见表2，在进行数值模拟前需根据实测流量资料进行参数率定。本文采用海河流域滦县和观台水文站的实测流量资料率定上述参数。图3为滦县站（1997年-2006）和观台站（1997年-2006）实测及模拟年径流过程，可以看出实测和模拟年径流过程总体上一致，率定的参数能够有效地模拟研究区域的径流过程。

3 结果分析

3.1 两种情景下海河流域年平均径流深时空变化

基于S1和S2两种情景模式，由CLM-DTVGM对海河流域1980年-2010年径流进行模拟，得到地下水开采活动影响下的海河流域多年平均径流深空间分布变化情况）如图4、图5）。两种情景下海河流域多年平均径流深整体分布趋势大致相同：从西北至东南逐渐增大，其中平原区和入海口处径流较大，山区径流较小；S2比S1情景下径流深有所减少，尤其是在东部平原区变化较为明显，这与东部平原区地下水开采较为严重有关。

3.2 两种情景下海河流域年平均蒸散发时空特征

基于S1和S2两种情景模式，由CLM-DTVGM对海河流域1980年-2010年蒸散发进行模拟，得到多年平均蒸散发空间分布情况（图6、图7）可以看出从西北到东南，两种情景下海河流域多年平均蒸散发逐渐增大，这与海河流域降雨的空间分布呈现出较好的一致性。考虑地下水开采活动后，局部地区尤其在平原区的取用水高值区和入海口地区，蒸发变异更明显。

3.3 两种情景下海河流域土壤湿度时空特征

S1和S2两种情景下，海河流域1980年—2010年多年平均土壤湿度（地表以下3.43 m）空间分布模拟结果如图8、图9所示，可以看出两种情景下多年平均土壤湿度空间特征基本一致，其中山区偏低，东北、西部及西南较高，总体表现为东北、西南高于中部地区，这主要受气温和降水空间分布的影响。考虑地下水开采活动后，研究区局部的土壤湿度有较为明显的变化，整个流域呈降低现象，在平原取用水高值区降低程度较为明显。

4 结论和讨论

本研究采用构建的CLM-DTVGM和中国科学院青藏高原所气候驱动数据集，选用无人类活动影响和考虑开采地下水两种情景，对过去30年海河流域地表径流、蒸散发和土壤湿度变化进行模拟分析，得到如下结论：地下水开采导致海河流域地表径流整体上呈减少趋势，但在不同空间分布上影响程度不同，其中东部平原区地表径流减少较为明显；地下水开采导致流域蒸散发整体上呈增加趋势，但平原区的取用水高值区和入海口地区蒸散发呈减少趋势；地下水开采导致海河流域土湿整体上呈下降趋势，考虑地下水开采活动后，研究区局部的土壤湿度有较为明显的变化，其中在研究区东北部和西部山区土壤湿度有一定增加，平原取用水高值区土壤湿度降低。

Zou等[23]用采用CLM3.5陆面参数化方案的区域气候模式RegCM4对海河流域1970年-2000年的陆面过程进行了模拟，得到的多年平均地表径流约为48.8 mm。本研究不考虑人类活动过程的情景下模拟的多年平均地表径流约为35 mm，略小于Zou等模拟结果。不过，本研究模拟时期为1980年-2010年，属于气候变暖和人类活动加剧时期，海河流域地表径流已经呈现了减少的趋势[24]，所以本文模拟结果也相对合理的。Zou等模拟的多年平均蒸散发为534.7 mm，本研究不考虑人类活动过程的情景下模拟的多年平均蒸散发为440 mm，蒸散发模拟偏小可能与近年来海河流域地表径流减少有关，与径流的模拟结果保持一致，并且2006年研究资料显示海河流域多年平均蒸散发为425.4 mm[25]，进一步验证了模拟结果的可靠性。

实际上，海河流域地表径流、蒸散发和土湿变化的原因很复杂，包括降雨量减少，气温增加等气候变化以及水资源过度开发利用等，在今后的研究中还应设置不同的模拟情景，分析其他要素对水循环过程的影响。

参考文献（References）：

[1] Konikow L F，Kendy E.Groundwater depletion：a global problem [J].Hydrogeology Journal，2005（13）：317-320.

[2] 郭孟卓，赵辉.世界地下水资源利用与管理现状[J].中国水利，2005（3）：59-62.（GUO Meng-zhuo，ZHAO Hui.Groundwater utilization and present management condition in the whole world [J].China Water Resources，2005（3）：59-62.（in Chinese））

[3] Vorosmarty C J，Sahagian D.Anthropogenic disturbance of the terrestrial water cycle [J].Bioscience，2000，50（9）：752-765.

[4] Pielke R A.Influence of the spatial distribution of vegetation and soils on the prediction of cumulus convective rainfall [J].Reviews of Geophysics，2001，39（2）：151-177.

[5] Kanamitsu M，Mo K C.Dynamical effect of land surface processes on summer precipitation over the southwestern United States [J].Journal of Climate，2003，16（3）：496-509.

[6] Betts A K.Understanding hydrometeorology using global models [J].Bulletin of the American Meteorological Society，2004，85（11）：1673-1688.

[7] Haddeland I，Skaugen T，Lettenmaier D P.Anthropogenic impacts on continental surface water fluxes [J].Geophysical Research Letters，2006，33（8）.doi：10.1029/2006GL026047.

[8] 束龙仓，CHEN Xun-hong，地下水开采对河流流量衰减的影响分析[J].水利学报，2003， 2：112-116.（SHU Long-cang，CHEN Xun-hong.Impact of groundwater pumping on stream flow depletion[J].Journal of Hydraulic Engineering，2003（2）：112-116.（in Chinese））

[9] 贾仰文，王浩，甘泓，等.海河流域二元水循环模型开发及其应用—II 水资源管理战略研究应用[J].水科学进展， 2010， 21（1）：9-15.（JIA Yang-wen， WANG Hao， GAN Hong et al.Development and application of dualistic water cycle model in Haihe River Basin：II.Strategic research and application for water resources management[J].Advances in Water Science，2010，21（1）：9-15.（in Chinese））

[10] 贾仰文，王浩，周祖昊，等.海河流域二元水循环模型开发及其应用—I 模型开发与验证[J].水科学进展， 2010， 21（1）：1-8.（JIA Yang-wen， WANG Hao， ZHOU Zu-hao ，et al.Development and application of dualistic water cycle model in Haihe River Basin：I.Model development and validation[J].Advances in Water Science， 2010， 21（1）：1-8.（in Chinese） ）

[11] 王中根， 朱新军， 李尉， 等.海河流域地表水与地下水耦合模拟[J].地理科学进展， 2011， 30（11）：1345-1353.（ WANG Zhong-gen， ZHU Xin-jun， LI Wei， et al.A coupled surface-water/groundwater model for Haihe River Basin[J].Process in Geography，2011， 30（11）：1345-1353.（in Chinese））

[12] 苏凤阁，郝振纯.陆面水文过程研究综述[J].地球科学进展，2001，16（6）：795-800.（SU Feng-ge，HAO Zhen-chun.Review of land-surface hydrologocal process parameterization[J].Advances in Earth Sciences，2001，16（6）：795-800.（in Chinese））

[13] Arnell N W.A simple water balance model for the simulation of streamflow over a large geophysical domain[J].Hydrol，1999，217，314-355.

[14] 夏军，王纲胜，吕爱峰，等.分布式时变增益流域水循环模拟.地理学报，2003，58（5）：789-796.（XIA Jun， WANG Gang-sheng，LV Ai-feng，et al.A research on distributed time variant gain modeling[J].Journal of Geography Sciences，2003，58（5）：789-796.（in Chinese））

[15] LI L，XIA J，XU C，et al.Evaluation of the subjective factors of the GLUE method and comparison with the formal Bayesian method in uncertainty assessment of hydrological models[J].Hydrol，2010，390，210-221.

[16] 夏军，叶爱中，王纲胜.黄河流域时变增益分布式水文模型（I）-模型的原理与结构[J].武汉大学学报：工学版.2005（6）：10-15.（XIA Jun，YE Ai-zhong，WANG Gang-sheng.A distributed time-variant gain model applied to Yellow River[J].Engineering Journey of Wuhan University，2005（6）：10-15.（in Chinese））

[17] [JP5]陈雷.在海河水利委员会干部大会上的讲话.水利部水利信息中心，2009，http：//www.mwr.cn：81/ldxw/cl/zyjh/20090508082850ea5049.aspx.（CHEN Lei.Speech at the meeting of cadres in the Haihe River Commission.Misitry of Water Resources， Ministry of Water Resources Information Center，2009， http：//www.mwr.cn：81/ldxw/cl/zyjh/20090508082850ea5049.aspx.（in Chinese））

[18] 张光辉，费宇红，李惠娣，等.海河流域平原浅层地下水位持续下降动因与效应[J].干旱区资源与环境，2002，16（2）：32-36.（ ZHANG Guang-hui， FEI Yu-hong， LI Hui-di，et al.Mechanism and consequence of continual decline of shallow ground water level in Haihe River Basin[J].Journal of Arid Land Resources and Environment，2002，16（2）：32-36.（in Chinese））

[19] 水利部.2008 年中国水资源公报.2010，http：//www.mwr.gov.cn/zwzc/hygb/szygb/.（ Ministry of Water Resources， China Water Resources Bulletin in 2008.2010， http：//www.mwr.gov.cn/zwzc/hygb/szygb/.（in Chinese））

[20] 何杰.中国区域高时空分辨率地面气象要素数据集的建立[D].北京：中国科学院青藏高原研究所，2010.（HE Jie.Development of surface meteorological dataset of China with high temporal and spatial resolution[D].Beijing：Institute of Qinghai Tibet Plateau，Chinese Academy of Sciences，2010.（in Chinese））

[21] Oleson K W， Dai Y， Bonan G， et al.Technical description of the community land model（CLM）[J].Tech.Note NCAR/TN-461+ STR，2004.

[22] Oleson K W， Niu G Y， Yang Z L， et al.CLm3.5 documentation[J].National Center for Atmospheric Research， Boulder， 2007，34.

[23] ZOU J，XIE Z，YU Y，et al.Climatic responses to anthropogenic groundwater exploitation：a case study of the Haihe River Basin，Northern China[J].Climate Dynamics，2014，42（7-8）：2125-2145.

[24] 张建云，王国庆.气候变化对水文水资源影响研究[M].北京：科学出版社.2007.（ZHANG Jian-yun，WANG Guo-qing.Research on climate change impact on hydrology and water resources[M].Beijing：Science Press，2007（in Chinese））

[25] 中华人民共和国水利部.中华人民共和国发展和改革委员会.2006.中国水资源及其开发利用调查评价.（Ministry of Water Resources，People′s Republic of China.Development and Reform Commission，People′s Republic of China .2006.Development and utilization of water resources in China and its investigation and evaluation.（in Chinese））