地表水地下水联合耦合模拟进展

张永雷+许玉凤+潘网生

摘要 地表水与地下水相互作用的耦合模拟在一个地区水资源的开发利用与管理中是十分重要的。本文梳理并分析了地表水与地下水耦合模拟中的主要问题、主要方法以及地表水地下水联合调度的主要策略，认为分布式水文模型对较长时空跨度的地表水与地下水水文循环进行耦合是未来水文模拟的重要方向，以流域为尺度的地表水地下水联合模拟调度将成为提高水资管理水平、保障水资源安全的重要手段，随着人类活动的不断加大，流域整体水循环模拟必须综合考虑人类活动的影响。

关键词 地表水；地下水；耦合模拟；联合调度；数学模型

中图分类号 P641 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）24-0153-03

Summary on Joint Coupled Simulation of Surface Water and Groundwater

ZHANG Yong-lei XU Yu-feng PAN Wang-sheng

（School of Tourism and Resources Environment，Qiannan Normal University for Nationalities，Duyun Guizhou 558000）

Abstract The coupling simulation of the interaction between surface water and groundwater is very important in the development，utilization and management of water resources in a region.This paper combed and analyzed the main problems，methods，and strategies in both the coupling simulation and joint scheduling of surface water and groundwater，considering that the use of distributed hydrological model to simulate the hydrological cycle in long span of time and space between the surface water and the groundwater was an important direction in the future；To jointly simulate and deploy the surface water and the groundwater under watershed scale would become a key method in improving the management level and ensuring the safety of water resources；With the increasing human activities，its impact to the overall water cycle simulation of the basin must be taken into account.

Key words surface water；groundwater；coupling simulation；joint scheduling；mathematical model

水是生命之源，水資源短缺已成为全球性的问题。据统计，在地球上总水储量中，海水和其他咸水占97.47%，淡水仅占2.53%，其中人类真正可以利用的地表水和浅层地下水仅占全球总水储量的0.3%[1]。我国人口众多，水资源短缺问题尤为严峻，水资源紧缺的城市已超过550个，2014年人均水资源不足2 000 m3，辽河、黄河、长江、淮河等7大水系水污染严重，人均淡水资源量只相当于世界人均淡水资源量的1/4[2-3]。在严峻的水资源情势下，提高水资源利用率和有效治理水污染已成为整个社会的共识，受到人们尤其是学者和政府机构的高度重视。在我国，可以利用的淡水资源主要有浅层地下水和以河流水、湖泊水为代表的地表水，而河流、湖泊等水体的污染减少了可利用水资源数量，加剧了水资源紧缺，已成为制约经济和社会发展的重要瓶颈并曾引起严重的生态和社会问题[4]；随着工业化和城镇化的深入发展，地表水污染向地下延伸成为另一个显著特征，正在逐步危及地下水利用的可持续性[5]。

要提高水资源利用的可持续性，把地表水和地下水纳入统一的系统进行统筹管理是可行方法之一，也是未来提高水资源可持续利用的必由之路[6]。因此，了解并追踪地表水和地下水耦合模拟和调度的国内外研究现状和研究热点，对于科学把握我国未来水资源情势的变化、有效制定相关政策措施以保证水资源的安全与可持续利用具有重要意义，同时对于遏制一个地区地下水位下降和生态退化也有重要的现实意义[7]。

1 地表水地下水耦合模拟的主要问题

在以流域为尺度的水文循环中，地表水和地下水密切关联的统一整体，地表水和地下水的循环转化关系是探究流域尺度水循环和计算水量收支必须首先明确的问题[8]。研究地表水和地下水的循环与转化关系以及联合调度是对流域水资源进行综合利用的重要一环[9]。无论国内还是国外，早期的研究往往把地表水与地下水分别作为一个独立的系统进行研究，割裂了地表水和地下水的联系，导致地表水与地下水的交换被忽视，对流域水资源的综合利用产生了不利的影响[10-11]。从20世纪70年代开始，在制定流域水资源利用规划时，研究人员始终将地表水和地下水纳入统一的整体进行考虑[12]，近些年对河流水与沿岸浅层地下水的相互影响模拟较多[13]，人类活动影响下流域整体水循环的模拟研究相对较少，水循环的演变和水资源的调度管理缺乏长时空尺度的综合模拟，这在人水矛盾突出、生态环境脆弱的干旱区内陆河流域表现得尤为明显[14]。endprint

随着温室气体排放所带来的一系列升温效应，气候变暖对一个地区的水文水资源的影响也愈加引起众多学者的重视，与之相关的研究如冰川对升温的响应、气候变化对河流—绿洲生态系统的影响等被置于越来越重要的地位并引起政府的高度重视。在干旱区地内河流域，靠河流维系的绿洲水文过程与生态过程成为研究的重点和热点，河流改道或断流对生态与地下水位埋深的影响，以及地下水位与沿河生态对于河道输水的响应成为研究的核心问题[15-17]，气候变暖导致极端水文事件的增多与流域内地表水地下水管理分割、统筹协调不足、开发利用失控等问题相叠加，使流域水资源情势比较严峻，加之河流水在山前冲积扇和冲积平原上向地下水的转化过程对绿洲生态环境影响显著，一些学者由此提出了建立地表水与地下水统筹调度模式、建立地表水地下水统一管理机构的建议并被政府采纳[18-19]。在农灌区，由于化肥的大量使用，引河水灌溉的余水含有大量矿物溶质，通过田间入渗反补地下水造成地下水矿化度增加、水质恶化，水资源利用的可持续性受到干扰[20]。

与资源性缺水情况明显的干旱区不同，湿润地区降水量较丰富，资源性缺水状况不甚明显，水资源问题主要是以水体污染、水资源浪费以及管理不当所导致的可利用水水资源减少，即水资源的结构性紧缺[18，21]。在一些平原地区，人类活动改变了地表水和地下水的稳定氢氧同位素的比例，导致河流水水化学类型在人类活动影响下由上游的Na-HCO3型和Ca-Mg-HCO3型向中下游的Ca（Mg）-Cl（SO4）型演化[22]。河水中的污染物质通过下渗与侧向入渗进入傍河浅层地下水并在地下水中累积，引起傍河地下水较为严重的污染，加大了水污染治理的难度[23]，这种现象在其他流域也具有一定的普遍性。人口增加和农业发展使用水量成倍增加导致地表水资源出现短缺，人们大量开发利用地下水，由于缺少长期的和严密的规划，地下水超采严重，一些地区出现水位下降、地下水漏斗和地面下沉等问题，造成较大的物质财富损失，一些学者认为这些地区必须统筹管理和调度地表水与地下水才能最大程度发挥水资源潜力，缓解用水压力，保障用水安全[24]。

当一个地区的水资源不足时，跨地区或跨流域调水是解决方法之一，但效果有限，已有的事实表明，在地势比较低平的地区，外来调水可以季节性地改善沟渠水和沟渠附近浅层地下水的水质，而对深层地下水和坑塘水水质则无明显的改善作用，而且调水对沟渠水水质的改善仅体现在调水时节，对浅层地下水水质的改善则明显滞后[25]。更令人忧心的是，不少地区与之有关的科学研究明显滞后，水资源开发利用管理术推广和升级依旧困难，在一些岩溶地区，相关的研究主要集中在水资源安全度评价、水体矿化度、城市地表水地下水交换等方面，对于河流与浅层地下水相互作用、地表水地下水的联合调度等方面的研究较少[26-29]。

2 地表水地下水耦合模拟方法及趋势

2000年之后，采用数学模型对地表水地下水的循环转化关系进行耦合模拟已成为普遍的做法[30-33]。目前，在研究河流与沿岸浅层地下水相互关系方面，基于达西定律的研究方法应用最广，该方法包括压力水头观测、解析解法和数值模型法等[30]。此外，直接水量测量、间接实验法、水量平衡法等方法也有比较广泛的应用。在以流域尺度的水循环研究中，综合地表地下水的数学模型受到青睐，这类模型能分布式地模拟流域地表水文过程及地下水的运动，模拟结果与实际观测耦合较好。数学模型与软件平台的结合可以实现较为复杂的耦合模拟，比如，Larocque等[34]利用HydroGeoSphere模拟了不同情景下含水层的地下水流动，Spanoudaki[8]则建立了耦合三维地表水和三维地下水的IRENE模型，采用半显示和显示有限差分求解地表水方程和地下水方程。数学模型可以与解析解法结合使用并通过试验观测数据对模型进行验证[35-36]。目前，数学模型在精度、稳定或收敛性问题等方面也存在一些问题[37-38]，然而无论是从区域尺度还是流域尺度研究河流与浅层地下水的循环与转化，数学模型均是最主要的选择对象[30，39]。

国内对研究方法的采用多借鉴和改造国外方法，其中示踪理论法的原理以及传统示踪法与温度示踪法在地表水地下水相互作用的识别和量化方面应用较广[40]，根据驱动力—压力—状态—影响—响应概念查模型构建水资源安全评价框架，运用多级模糊综合评判法和熵权法可以定量计算水资源安全度综合指数，并初步分析水资源安全度的影响机制[27]；在地表水—地下水的相互转化方面，基于同位素水文学的研究方法在研究河流水与地下水的转化关系方面有较多的应用[41]，通过水样品采取分析测定，采用端元法可以定量计算地表水地下水相互转化的比例[22]；基于排队理论建立灌区渠系优化配水模型可以比较真实地反映用于灌溉的地下水水量随时间变化的不确定性[42]，改进的分布式水文模型（SWAT）模型与模块化地下水动力模型（MODFLOW）相结合可以实现灌区地表水—地下水分布式模型的耦合，不仅可准确模拟地表水水文过程、地下水动力过程和地下水动态变化过程，还可用于预测一个地区地表水和地下水转化规律的改变和构建以流域为尺度的地表水与地下水耦合模型[24，43-44]，而将水量分配效益模型、地下水位控制模型、输沙效果模型三者相结合，并通过分層序列法将模型逐步优化，则可以得到综合考虑输沙效果及地下水水位控制的水量优化配置方案[45]。

3 地表水地下水联合调度的主要策略

在水资源调度方面，进行流域地表水和地下水的联合调度成为国内外水资源管理的普遍的重要策略[14，25，46-47]。利用GAMS平台建立以流域为尺度的地表地下水联合调度优化模型，可以评估在人类活动影响下水库水位的变化对地下水位动态变化的影响；对于受人类控制较为强烈的河流如干旱区内陆河，生态输水的目的是改善河流的水文情势和下游退化的生态环境并在农业用水和生态用水之间取得协调，包含水文—生态—社会—经济等因素的综合水资源模型可以用于制定流域水量分配计划[48]，基于边际效益相等原则建立的水量优化配置模型，能够较好地反映生态系统对不同生态输水情景的响应，为调节生态输水时空分配提供参照[49]。通过求解综合水文—经济—政策的地表水—地下水优化调度模型，可以得到不同生态流量约束下的社会经济效益的损益表，进而协调生态与经济的平衡发展。endprint

国内学者针对不同地区的现实情况也提出了较为系统完备的地表水地下水联合调度方案：邓铭江等[47]提出气候干旱、降水稀少的地区可采用建设山间凹陷、山前凹陷和深覆盖河谷3种地下水库相结合的方式，地表水地下水联合调度，以地下水库调蓄为主的开发模式；雍 会等[19]认为完善流域与区域的地下水资源管理法规体系完善源流与干流地下水资源管理体制也是统筹管理地表水与地下水的重要举措；孔晓乐等[25]通过调研发现华北平原等半湿润平原地区采用调水、浅层地下水、坑塘水混合灌溉可以满足农业的用水需求，并使浅层地下水水质得到一定必善，深层地下水水位得到一定恢复；陈志兵等[50]和罗 美等[26]提出在西南喀斯特岩溶地貌区，地表破碎导致水资源蓄积困难，地下水的开发利用可采取打井、建造小水柜水池以及修筑部分水利工程设的方式，但是地下水的开发必须把其所在的打井深度、流量、地下地质与当地人口、经济、生态环境等紧密结合起来才能较好地统筹地表水地下水的联合调度；井柳新等[51]在分析了我国有关地表水地下水相互转化、污染物在地表水—地下水系统中的运移等方面的研究后认为，要统筹规劃地表水—地下水的污染防治，建立健全水环境监测体系，深化地表水—地下水水质水量相互转化研究，构建地表水—地下水水源地联合风险预警平台，加大地表水—地下水污染防治科研投入，多管齐下，才能保障饮水安全。

4 结论

（1）较短时空尺度的水循环模拟往往无法反映长期水循环规律，长期规律运行下的水循环演变规律需要在较长时空尺度下进行综合模拟才具有意义。随着人类活动的不断加强，人类活动对流域整体水循环规律的影响是不容忽视的，因而流域尺度的整体水循环模拟必须综合考虑人类活动的影响。

（2）地表水地下水联合模拟调度决策离不开数学模型的支持，分布式流域水文模型对一个地区地表水和地下水相互作用的耦合模拟具有较高的精度，采分布式水文模型对较长时空跨度的地表水与地下水水文循环进行耦合应是未来水文模拟的重要方向。

（3）以流域为尺度的地表水地下水联合模拟调度可以为水资源的合理开发利用提供决策支持，也将为治理水污染提供新的思路和方法，随着水资源紧缺程度的加深和水安全问题的突出，地表水地下水联合模拟调度将成为提高水资管理水平、保障水资源安全的重要手段。

（4）总体来讲，国外多以模型的应用和优化为地表水地下水的可持续利用和高效管理提供决策支持，国内则以工程措施和法律法规及信息平台建设为地表水地下水的联合调度与高效管理提供参考。

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