基于系统动力学的南昌市地下水应急供水方案模拟研究

邓志辉，张 佳*，马青山，陈鸿汉，贾军元

(1.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；2.中国地质调查局南京地质调查中心，江苏 南京 210016)

受人类活动和气候变化等因素的影响，全球正面临着严峻的水资源短缺问题。中国作为发展中国家，水资源利用效率低于世界平均水平，加之水资源时空分布不均，导致水资源供需矛盾突出，严重制约了经济社会发展。

目前，国内关于水资源供需平衡方面的研究主要集中于干旱-半干旱等水资源短缺地区。我国长江中下游地区是典型的湿润区，水资源总量丰富，但近年来区内主要城市却频发严重的季节性水资源短缺事件，这主要是由于经济社会发展驱动的水资源需求量增长以及极端气候条件频发共同导致的。但目前湿润区季节性水资源短缺问题还没有引起学界的足够重视。

南昌市位于我国长江中下游地区，水资源总量丰富，但受季风气候的影响，该地区水资源量年际变化大且年内分配不均。地表水作为南昌市主要供水水源，约占总供水量的96%，近年来“旱涝急转”等极端气候频发，过度依赖地表水使得其供水安全更易受到年内降水不均的影响。南昌市季节性水资源供需失衡问题十分突出，1946—2010年的65年间发生了39次季节性干旱缺水事件。值得注意的是，南昌市地下水资源丰富，主要含水层为第四系砂砾石层，富水性强，单井涌水量约为1 000～10 000 m/d。但目前该地区地下水开发利用程度较低，仅占地下水可开采资源量的12%，供水潜力大。因此，在统筹考虑地表水-地下水联合使用的基础上，对南昌市水资源供需平衡进行动态分析，并开展地下水应急供水方案研究，可能是解决南昌市季节性水资源短缺问题的重要途径。

水资源供需平衡分析是研究地下水应急供水方案的重要基础，主要从需水和供水两个方面进行。目前，针对水资源需水量和供水量预测的方法众多。但是，以往研究中对于水资源供需平衡分析通常以年为时间步长，不能反映季节性水资源供需平衡状况，同时，对于社会经济系统需水端和水资源系统供水端之间的内在联系考虑不足。水资源能够支撑经济社会发展，也会制约经济社会发展，进而影响水资源需求量。因此，充分考虑社会经济系统与水资源系统之间的反馈关系十分重要。

系统动力学方法具有动态模拟功能，并能够分析复杂系统内部的因果反馈关系，在水文与水资源研究中应用广泛。基于系统动力学方法的水资源供需平衡分析往往将系统划分为社会、经济、地表水和地下水等子系统，能够反映社会经济系统与水资源系统之间的内在联系。但是，以往研究中对于地表水子系统与地下水子系统之间的水量交换关系考虑不足，难以满足基于地表水-地下水联合使用的地下水应急供水预测分析的需要。

本文以我国南方湿润区城市南昌市为例，构建社会经济系统与水资源系统耦合的概念模型，采用系统动力学方法建立南昌市水资源供需平衡的系统动力学模型，预测分析了不同经济社会发展和气候变化情景下水资源供需平衡的动态特征，并基于地表水-地下水的联合使用开展了地下水应急供水方案模拟研究，以为南昌市应对季节性水资源短缺问题提供科学依据。

1 研究区概况

南昌市(115°27′～116°35′ E,28°09′～29°11′ N)地处中国江西省中部偏北，位于长江流域中下游平原，全市面积为7 402 km，其中水域总面积为2 204 km，占全市区域总面积的29.8%。境内水系十分发育，主要有赣江、抚河和修水河，均汇入下游鄱阳湖。该地区地势总体西北高、南东低，依次发育低山丘陵、岗地、平原，呈现层状地貌特征，以赣江为界，赣江西北部为构造剥蚀低山丘陵、岗地，赣江以东为河流侵蚀堆积平原。

该地区气候温暖，多年平均气温为17.78 ℃，雨量充沛，多年平均降雨量为1 582.81 mm。南昌市水资源总量丰富，多年平均水资源量为66.00×10m，受季风气候影响，每年4～6月份降雨量占全年总量的47%，地表水资源量年际变化大且年内分配不均。根据《南昌市水资源公报》，2018年南昌市总供水量为32.02×10m。《南昌市统计年鉴》统计数据显示，2018年年末南昌市常住人口达554.60万人，地区生产总值为5 275亿元，比上年增长8.9%。

南昌市地下水类型主要包括松散岩类孔隙水、红层溶隙裂隙水和基岩裂隙水。其中，松散岩类孔隙水含水层为区内地下水的主要贮存空间，广泛分布于赣抚冲积平原，主要由全新统、上更新统和中更新统冲积砂砾石组成，其富水性较强。河流是南昌市地下水主要的排泄边界，汛期也可反补地下水，大部分河床位于砂砾石层上或揭穿了砂砾石层，地表水与地下水具有密切的水力联系。

2 研究方法

系统动力学(System Dynamics,SD)是一种通过计算机仿真技术对系统结构进行模拟的方法，主要理论基础是反馈控制理论和非线性动力学等。系统动力学方法的核心是建立问题的因果循环图，并通过分析因果循环关系帮助我们更加深入地理解各系统间的真实行为。构成系统动力学模型结构的要素主要包括状态变量、速率变量和辅助变量等，系统流图则是将要素与要素之间的关系用一定的规则表示出来。但是，构建系统动力学模型并不是为了精准预测某些变量，而是通过系统行为重点识别系统的发展模式和发展趋势。

Vensim系列软件是构建系统动力学模型最具代表性的一种可视化应用软件，因此本文使用基于Windows平台运行的Vensim-PLE 7.3.5软件来建立南昌市水资源供需平衡系统动力学模型。

3 南昌市水资源供需平衡的系统动力学模型建立与识别

3.1 模型边界及数据来源

3.1.1 模型边界

南昌市水资源供需平衡的系统动力学模型的空间边界为南昌市行政边界，时间边界为2006—2030年，其中2006—2018年为模型验证期，2019—2030年为模型预测期，预测基准年为2018年，时间步长为1个月。

3.1.2 数据来源

本研究数据类型主要包括两大类：①社会经济数据，主要有总人口及其增长率、工业增加值及其增长率、园林绿地面积及其增长率、有效灌溉面积以及各行业用水定额；②水资源数据，主要有地表水资源量、地下水资源量及其可利用系数、主要供水来源及供水量等。

模型所需数据主要来源于《南昌市水资源公报》《江西省水资源公报》《南昌市国民经济和社会发展统计公报》《南昌市国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》《南昌市2000年地下水资源及环境地质问题预测》和《江西省南昌市城市环境地质问题调查评价报告》等。

3.2 模型构建

3.2.1 概念模型

南昌市水资源供需平衡的系统动力学模型主要由社会经济需水系统和水资源供水系统两个部分组成。其中，社会经济需水系统主要用于计算生活、工业、农业和生态需水量；水资源供水系统主要用于计算地表水、地下水和其他水源供水量。将总供水量与总需水量的比值定义为水资源供需比，水资源供需比可以定量地反映南昌市季节性水资源短缺程度。水资源供水系统能够支撑经济社会发展，但是当水资源供需失衡时就会限制经济社会发展。

3.2.2 因果循环图和系统流图

建立南昌市水资源供需平衡系统动力学模型主要分为两个主要阶段：第一阶段是分析南昌市社会经济系统与水资源系统之间的反馈关系，建立问题的因果循环图并确定社会经济-水资源耦合系统中主要要素的因果反馈关系；第二阶段是基于因果循环关系和实际资料，确定模型各要素之间的数学关系，建立问题的流图。

(1) 因果循环图。社会经济系统与水资源系统之间具有复杂的相互作用或反馈关系：一方面社会经济发展会造成用水需求增加，引发水资源短缺和水质问题；另一方面水资源的不可持续发展同样会限制经济社会发展。将需水和供水分别作为社会经济系统和水资源系统的边界要素，基于需水和供水之间的矛盾将社会经济系统和水资源系统相结合，建立了南昌市社会经济-水资源耦合系统因果循环图，见图1。图中每一个箭头代表着一种因果关系，“+”代表着一个变量随另一个变量增加(减少)而增加(减少)，“-”代表着一个变量随另一个变量增加(减少)而减少(增加)。

图1 南昌市社会经济-水资源耦合系统因果循环图Fig.1 Causal loop diagram of social-economic water resource coupled system of Nanchang City

由图1可见，社会经济系统与水资源系统之间的反馈关系主要通过水资源供需比实现，其大小受总供水量和总需水量的影响，同时又会影响工业增加值、总人口和园林绿地面积的增长速率。因果循环图通过因果关系阐明了社会经济系统与水资源系统间的相互作用，为水资源供需平衡分析奠定了基础。同时，针对季节性水资源短缺问题，设置了地下水应急供水回路，当水资源出现缺口时，为满足人民生活用水需求，增大地下水开采量，以减小水资源缺口。

(2) 系统流图。基于南昌市社会经济-水资源耦合系统因果循环图，确定南昌市水资源供需平衡的系统动力学模型主要包括社会经济需水、水资源供水和地下水应急供水3个子系统。为了进一步明确子系统结构、行为及各变量间的关系，构建了各子系统流图，见图2至图4。

图2 南昌市社会经济需水子系统流图Fig.2 Stock and flow diagram of socio-economic water demand subsystem of Nanchang City

图3 南昌市水资源供水子系统流图Fig.3 Stock and flow diagram of water resource supply subsystem of Nanchang City

图4 南昌市地下水应急供水子系统流图Fig.4 Stock and flow diagram of emergency groundwater supply subsystem of Nanchang City

社会经济需水子系统和水资源供水子系统主要通过经济社会发展需水量(总需水量)与水资源供水量(总供水量)之间的关系，即水资源供需比，实现社会经济系统与水资源系统之间的反馈。总需水量包括工业需水量、生活需水量、农业需水量和生态需水量；总供水量由地表水、地下水和其他水源共同提供。南昌市现状条件下地下水和其他水源供水相对稳定，总需水量增加时地表水需水量也会相应地增加，干旱月份地表水资源可利用量不能满足用水需求时，会出现水资源供需失衡状况，即水资源供需比小于1，从而限制了经济社会发展。

地下水应急供水子系统主要用于分析季节性水资源短缺下应急供水方案，其内涵是在地表水资源量不能够满足供水需求的干旱月份，加大地下水开采量，以满足居民基本生活用水需求。系统动力学模型中将地下水开采水源地概化为理想的圆桶模型，当进行地下水应急开采时，水源地地下水水位会下降，与地表水水头边界形成水头差，再利用达西定律计算地表水与地下水之间的交换水量。

3.2.3 主要参数及计算

(1) 工业需水量

WD

=IAV

×

WQ

/120 000

(1)

IAV

=INTEG(

IAV

,

235.78

)

(2)

式中：

WD

为工业需水量(亿m/月)；

WQ

为工业用水定额(m/万元)；

IAV

为工业增加值

(

亿元

)

；

IAV

为工业增加值增长量

(

亿元/月

)

；INTEG(

a,b

)表示对

a

在时间步长上进行积分，

b

为初始值。

(2) 生活需水量

WD

=[P

×

(WQ

+

WQ

)

+

P

×

W

]

/100

(3)

P

=P

×

U

(4)

P

=P

-

P

(5)

P

= INTEG(

P

,

4.516 1

)

(6)

式中：

WD

为生活需水量(亿m/月)；

WQ

为城镇居民生活用水定额[m/(月·人)]；

WQ

为城镇公共用水定额[m/(月·人)]；

WQ

为农村居民生活用水定额[m/(月·人)]；

P

为城镇人口

(

百万人

)

；

P

为农村人口

(

百万人

)

；

U

为城镇化率；

P

为总人口

(

百万人

)

；

P

为总人口增长量

(

百万人/月

)

。

(3) 农业需水量

WD

=EIA

×

WQ

/10+

WD

(7)

式中：

WD

为农业需水量(亿m/月)；

EIA

为有效灌溉面积

(

hm

)

；

WQ

为农业用水定额(主要集中在每年4～9月份)[m/(hm·月)]；

WD

为林牧渔畜需水量(亿m/月)。

(4) 生态需水量

WD

=GA

×

WQ

/10

(8)

GA

= INTEG(

GA

,

6 287

)

(9)

式中：

WD

为生态需水量(亿m/月)；

WQ

为生态用水定额[m/(hm·月)]；

GA

为园林绿地面积

(

hm

)

；

GA

为园林绿地面积增长量(hm/月)。

(5) 水资源

SW

+1

=SW

+

IF

-

OF

+

EX

+

AD

-

SWD

+

SWR

-

EPS

(10)

GW

+1

=GW

+

LI

-

LO

-

EX

+

AR

-

GWA

+

INF

-

EPG

(11)

式中：

SW

和

SW

+1分别为

t

月和

t

+1月地表水体积(亿m)；

IF

为

t

月地表水入流量(亿m/月)；

OF

为

t

月地表水出流量(亿m/月)；

EX

为

t

月地表水与地下水之间交换水量(亿m/月)；

AD

为

t

月地表水人工排泄量(亿m/月)；

SWD

为

t

月地表水取水量(亿m/月)；

SWR

为

t

月地表产流量(亿m/月)；

EPS

为

t

月地表水蒸发量(亿m/月)；

GW

和

GW

+1分别为

t

月和

t

+1月地下水储存量(亿m)；

LI

为

t

月地下水侧向流入量(亿m/月)；

LO

为

t

月地下水侧向流出量(亿m/月)；

AR

为

t

月地下水人工回灌量(亿m/月)；

GWA

为

t

月地下水开采量(亿m/月)；

INF

为

t

月降水入渗量(亿m/月)；

EPG

为

t

月地下水蒸发量(亿m/月)。

(6) 供需平衡

WSWD=

WS

/

WD

(12)

WD

=WD

+

WD

+

WD

+

WD

(13)

WS

=WS

+

WS

+

WS

(14)

WS

=

min

(SW

,WD

)

(15)

SW

=

SW

-

WD

(16)

SW

=(

0.046 2×

R

-9.738 3

)

×

R

/100

(17)

WD

=

SW

×

P

(18)

WD

=

WD

-

GW

-

WS

(19)

式中：

WSWD

为水资源供需比；

WD

为总需水量(亿m/月)；

WS

为总供水量(亿m/月)；

WS

为地表水供水量(亿m/月)；

WS

为地下水供水量(亿m/月)；

WS

为其他水源供水量(亿m/月)；

SW

为地表水资源可利用量(亿m/月)；

SW

为地表水资源量(亿m/月)，其计算公式是由水资源公报中年降水量与地表水资源量数据拟合而来；

WD

为河道内生态需水量(亿m/月)，其值采用Tennant法计算，由于无实测径流量资料，故利用研究区地表水资源量代替；

P

为河道内生态需水占径流量的比例，取值为0.05；

R

为年降水量(mm)；

R

为年内每月降水比例；

WD

为地表水需水量(亿m/月)；

GW

为现状地下水开采量(亿m/月)。

(7) 地下水应急供水

(20)

W

=

W

×

(WD

/

WD

)

(21)

(22)

BF

=BF

/

BF

(23)

EX=BF

-

BF

(24)

BF

=W

=K

×

(

2×

π

×

r

×

H)

×

J

(25)

J=V

/

(π

×

r

×

r)

/

r

/10

(26)

V

=INTEG(

V

-

V

,

0

)

(27)

V

=

W

/

μ

(28)

V

=W

/

μ

(29)

式中：

W

为水资源缺口(亿m/月)；

W

为地下水应急开采量(亿m/月)；

Y

为应急开采控制因子

,

取值为0表示不进行地下水应急供水，其余数值均表示进行地下水应急供水；

BF

为基流减少比例；

BF

为基流减少量(亿m/月)；

BF

为基流量(亿m/月)，取多年平均值0.86亿m/月；

W

为漏斗区回补流量(亿m/月)；

J

为水力坡度；

r

为漏斗半径(km)，取值为4 km；

V

为漏斗体积(亿m)；

V

为漏斗体积增加值(亿m/月)；

V

为漏斗体积增加值(亿m/月)；

μ

为给水度；

K

为含水层渗透系数(m/d)，取值为50 m/d；

H

为含水层厚度(m)，取值为30 m。其中，水资源缺口(

W

)是根据地表水需水量与地表水资源可利用量的差值计算得到；地下水应急开采量(

W

)是由水资源缺口与生活需水量占总需水量之比的乘积计算得到，模型假设各行业受水资源短缺的影响程度相同；地下水开采量(

WS

)受应急开采控制因子的影响，若不进行地下水应急供水，地下水开采量等于现状开采量，若进行地下水应急供水，地下水开采量等于现状开采量与地下水应急开采量之和；基流减少比例(

BF

)为基流减少量与基流量的比值；公式(25)～(29)为依据达西定律计算基流减少量(

BF

)的过程。

3.3 模型验证

为了保证建立的南昌市水资源供需平衡的系统动力学模型的准确性，需要对模型进行检验。根据南昌市2006—2018年统计数据，选取工业增加值、总人口、园林绿地面积、总供水量等模型主要变量进行了验证。验证结果表明：这些变量的相对误差基本都在10%以内，大部分变量的相对误差保持在5%以内。模型主要变量的模拟结果与实际情况较为一致，见表1。

表1 模型主要变量验证结果Table 1 Validation results of main variables of the model

南昌市水资源供需比的模拟结果，见图5。

图5 南昌市水资源供需比的模拟结果Fig.5 Simulated result of water resource supply- demand ratio of Nanchang city

由图5可见，南昌市出现水资源季节性供需失衡的年份有5年，分别为2007年、2008年、2009年、2011年和2013年。实际资料显示，赣江流域2007—2009年、2011年、2013年和2017—2018年均发生了不同程度的季节性干旱，水资源供需情况的模拟结果与实际情况一致。

综上所述，本文建立的南昌市水资源供需平衡系统动力学模型的结构合理且运行正确，能够较准确地模拟南昌市水资源供需平衡的动态变化，且发展趋势与实际情况相符，可用于不同情景下地下水应急供水方案的预测分析。

4 南昌市地下水应急供水方案的模拟研究

4.1 模拟情景设置

为了应对季节性水资源短缺需要进行地下水应急供水方案研究，即需综合考虑经济社会发展和气候变化对水资源供需平衡进行模拟预测。居民生活、农业生产、工业发展以及生态系统都高度依赖水资源的支撑，因此经济社会发展是导致需水量增加的主要驱动力；另外，气候变化会影响供水的不确定性，在干旱条件下供水不足会导致水资源短缺问题。因此，本文同时考虑未来经济社会发展和气候变化情景对地下水应急供水需求量的动态影响。

经济社会发展情景主要从各行业用水定额以及经济发展速度等方面进行分析，设定了以下3个经济社会发展情景：①情景1(现状型)，假设系统变量在2018年水平的基础上有一个适度的发展趋势；②情景2(发展型)，在情景1的基础上，注重经济发展，工业增加值增速每月由0.007提高至0.01；③情景3(节水型)，在情景1的基础上，工业用水定额、生态用水定额和农业用水定额到2030年分别降低25%、20%和20%。南昌市农业需水占比较大且比较集中，主要发生在农作物的生长期4～9月份。

本文在对1951—2019年南昌站年降水量进行分析的基础上，采用历史重现法，设置了3种气候变化情景：①情景A(稳定型)，降水量无明显变化，线性拟合斜率

k

=6.28 mm/a，

R

=0.09(1976—1987年降水量)；②情景B(下降型)，降水量呈显著减小的趋势，线性拟合斜率

k

=-77.38 mm/a，

R

=0.41(1998—2009年降水量)；③情景C(上升型)，降水量呈显著增加的趋势，线性拟合斜率

k

=48.30 mm/a，

R

=0.28(1987—1998年降水量)。

综上所述，在综合考虑经济社会发展和气候变化的基础上，本文共设置了9种模拟情景，具体模拟情景设置见表2。

表2 不同模拟情景设置一览表Table 2 Settings of different simulation scenarios

4.2 水资源供需平衡动态分析

需水量预测是水资源供需平衡分析的重要组成部分，不同模拟情景下南昌市总需水量随经济社会发展呈现增长趋势，到2030年，不同经济社会发展情景下南昌市总需水量大小总体表现为节水型<现状型<发展型。发展型情景下工业增加值相比现状型会提高44.47%～48.56%，但总需水量会提高18.25%～19.68%，总需水量最大可达多年平均水资源量的77.82%；节水型情景下总需水量相比现状型会减少18.33%～19.65%，同时还能实现工业增加值0.62%～1.79%的提升。

不同模拟情景下南昌市水资源供需平衡状况的预测结果,见图6。

图6 不同模拟情景下南昌市水资源供需平衡状况的 预测结果Fig.6 Predictive results of water resource supply and demand balance of Nanchang city in different simnlation scenarios

由图6可以看出：

(1) 气候情景为稳定型时，现状型、发展型和节水型经济社会发展情景下南昌市的缺水年数分别为9 a、10 a和8 a，年平均缺水月数分别为3.0月、3.8月和2.1月；气候变化情景为下降型时，现状型、发展型和节水型经济社会发展情景下南昌市的缺水年数分别为7 a、9 a和7 a，年平均缺水月数分别为3.9月、4.6月和2.4月；气候变化情景为上升型时，现状型、发展型和节水型经济社会发展情景下南昌市的缺水年数分别为6 a、9 a和4 a，年平均缺水月数分别为2.7月、3.1月和2.5月。

(2) 发展型情景下南昌市的总缺水月数相比现状型提高了41%～75%，年平均缺水量提高了39%～62%；节水型经济社会发展情况下南昌市的总缺水月数相比现状型降低了约37%，年平均缺水量降低了33%～58%。

(3) 不同模拟情景下南昌市最小水资源供需比变化范围为0.45～0.82，其中B2情景下最小水资源供需比最小(为0.45)，C3情景下最小水资源供需比最大(为0.82)。

4.3 地下水应急供水方案的模拟研究

根据预测结果可知，稳定型气候条件下，不同经济社会发展情景下南昌市地下水应急供水需求量平均值为0.11亿m/a～0.35亿m/a；下降型气候条件下，不同经济社会发展情景下南昌市地下水应急供水需求量平均值为0.16亿m/a～0.46亿m/a；上升型气候条件下，不同经济社会发展情景下南昌市地下水应急供水需求量平均值为0.08亿m/a～0.19亿m/a。因受农业灌溉需水主导，地下水应急供水需求量主要集中在每年的7～8月份。

南昌市地下水应急供水需求量和地下水水位的预测结果，见图7。

图7 南昌市地下水应急供水需求量和地下水水位变化经济社会预测结果Fig.7 Predictive results of emergency groundwater supply demand and changes of the groundwater level of Nanchang city

由图7可以看出：

(1) 稳定型气候条件下，由地下水应急供水需求量及开采条件下应急水源地剩余含水层厚度与初始含水层厚度的比值的逐月动态结果可知，现状型、发展型和节水型经济社会发展情景下南昌市的地下水应急供水需求量分别为52.04万m/d、74.74万m/d和40.90万m/d，年平均应急供水天数分别为90 d、114 d和63 d。其中，现状型和节水型经济社会发展情景下2030年末应急水源地剩余含水层厚度与初始含水层厚度的比值均大于1/2，对地下水系统的影响较小；发展型经济社会发展情景下应急水源地剩余含水层厚度与初始含水层厚度的比值小于1/3[见图7(a)]。因此，稳定型气候条件下，南昌市地下水应急供水可以支撑现状型经济社会发展情景，但不能支撑经济社会快速发展。

(2) 下降型气候条件下，现状型、发展型和节水型经济社会发展情景下南昌市的地下水应急供水需求量分别为63.62万m/d、82.21万m/d和49.36万m/d，年平均应急供水天数分别为117 d、138 d和72 d。其中，现状型和节水型经济社会发展情景下，2030年末应急水源地剩余含水层厚度与初始含水层厚度的比值均大于1/2，对地下水系统的影响较小；发展型经济社会发展情景下应急水源地剩余含水层厚度与初始含水层厚度的比值小于10%[见图7(b)]。因此，下降型气候条件下，南昌市地下水应急供水难以支撑经济社会快速发展，需联合采取节水措施。

(3) 上升型气候条件下，现状型、发展型和节水型经济社会发展情景下南昌市的地下水应急供水需求量分别为44.55万m/d、67.25万m/d和26.74万m/d，年平均应急供水天数分别为81 d、96 d和75 d。不同经济社会发展情景下，2030年末应急水源地剩余含水层厚度与初始含水层厚度的比值均大于1/2[见图7(c)]。因此，上升型气候条件下南昌市地下水应急供水能够支撑经济社会快速发展，且对地下水系统的影响较小。

(4) 由不同模拟情景下南昌市地下水应急供水需求量及应急水源地地下水水位降幅与初始含水层厚度比值的对比结果可知，现状型经济社会发展情景下南昌市的地下水应急供水可以满足不同气候条件下居民用水需求，且并未对地下水系统产生显著的影响；过度追求经济社会发展，工业增加值会显著增加，但地下水应急供水需求量相比现状型经济社会发展情景平均增加20.65万m/d，而地下水应急供水量过大会对地下水系统产生较大的影响，在不利的气候条件下难以支撑经济社会快速发展；节水型情景下地下水应急供水需求量相比现状型平均减少14.48万m/d，且对地下水系统的影响减弱，因此非常有必要采取节水措施。

4.4 生态环境影响分析

4.4.1 河道内生态需水量分析

地表水与地下水间存在着密切的水力联系，因此地下水应急开采可能会对地表水生态环境产生影响。相反，地表水资源的可利用性同样影响着地下水应急开采。当可利用的地表水资源量无法满足地表水需水量时则需要进行地下水应急供水，而可利用地表水资源量定义为地表水资源量与河道内生态需水量的差值，因此河道内生态需水量间接地对地下水应急供水构成约束。

上节中关于水资源供需平衡和地下水应急供水方案的分析，均是以河道内生态需水量占径流量的5%作为约束条件进行的。为了探究河道内生态需水量对于地下水应急供水的影响，增加了河道内生态需水量占径流量的比例分别为10%、20%和30%的模拟情景，使得径流量分别达到一般、良好和较好的状态。因为不同气候条件下，河道内生态需水量对系统的约束作用相同，故只选取了稳定性气候条件下的模拟结果进行分析，不同生态流量约束条件下南昌市地下水应急供水需求量与地下水水位降幅与含水层厚度比例的模拟结果见图8。

图8 不同生态流量约束下南昌市的模拟结果对比图Fig.8 Comparison of simulation results under different ecological flow constraints of Nanchang city

由图8可见，相比河道内生态需水量占径流量5%的情景，河道内生态需水量占径流量的10%、20%和30%情景下南昌市地下水应急供水需求量平均分别增加7.54%、22.41%和36.31%，地下水水位降幅平均分别增加30.35%、110.67%和205.98%。发展型经济社会发展情景下，地下水水位降幅始终大于含水层厚度的2/3，且河道内生态需水量占径流量20%的约束条件下含水层已疏干；现状型经济社会发展情景下，河道内生态需水量占径流量30%的约束条件下，地下水水位降幅大于含水层厚度的2/3；节水型经济社会发展情景下，即使在河道内生态需水量占径流量30%的约束条件下，地下水水位降幅也未超过含水层厚度的1/2。由此可见，地下水应急供水过程与河道内生态需水量之间存在矛盾，在地下水应急供水过程中有必要统筹两者之间的关系。

4.4.2 地表水环境容量分析

地下水应急开采会影响地表水径流量，而地表水径流量又是影响地表水环境容量的重要因素。由于地下水应急供水水源地主要位于城区周边，并且多为傍河取水方式，地下水应急开采量主要来源于袭夺地下水向河流的排泄量和激发河流向地下水的补给量，因此地下水应急开采会导致河流基流量的减少。根据模拟结果可知，不同模拟情景下南昌市地下水应急供水需求量在26.74万m/d～82.61万m/d之间，相应的河流基流量会减少0.86万m/d～13.56万m/d，河流基流减少量占河流基流量的比例约为0.30%～4.73%，故不同模拟情景下南昌市地下水应急供水对河流基流量影响程度的大小表现为发展型>现状型>节水型。根据以上分析可知，南昌市地下水应急开采导致的河流基流减少量要小于地下水应急开采量，并且在地下水应急开采结束后仍会存在一定程度的影响，由此可见，地下水应急开采对河流基流量的影响存在着滞后效应。

地下水应急开采条件下，河流径流量的减少会导致地表水环境容量减小。胡锋平等计算了赣江—南昌段在保证率为90%的枯水期，河流径流量为374 m/s时的地表水环境容量为139 380 t/a。地下水应急开采条件下河流基流减少量约为0.10～1.57 m/s，因此导致地表水环境容量会相应减少37～584 t/a，约占地表水环境总量的0.02%～0.42%。其中，不同模拟情景下南昌市地表水环境容量的减少量由大至小依次为发展型>现状型>节水型。综上所述，南昌市地下水应急开采对河流基流量存在一定程度的影响，但是由于河流基流量占河流径流量的比例较小，故对地表水环境容量的影响程度较小。

5 结论与建议

本文采用系统动力学方法，以南昌市为例，建立了社会经济系统与水资源系统耦合的概念模型，并在此基础上构建了水资源供需平衡的系统动力学模型，从地表水-地下水联合使用的角度出发，在不同经济社会发展和气候变化情景下，开展了2019—2030年南昌市地下水应急供水方案的模拟研究，主要得到如下结论：

(1) 基于系统动力学方法的水资源供需平衡分析和地表水-地下水的联合使用，能够综合考虑经济社会发展和气候条件变化的影响，从而确定不同模拟情景下城市地下水应急供水需求量，为解决季节性水资源短缺问题提供了一种新思路。

(2) 现状型经济社会发展情景下，稳定型、下降型和上升型气候条件下南昌市地下水应急供水需求量分别为52.04万m/d、63.62万m/d和44.55万m/d，且不会对地下水系统产生显著的影响，可满足南昌市应急供水需求；仅考虑经济社会快速发展时，在不利的气候条件下南昌市地下水应急供水难以支撑经济社会快速发展；实施节水措施后，南昌市地下水应急供水需求量减少，对地下水系统的影响也会减小，因此在季节性干旱条件下进行地下水应急供水的同时，采取节水措施也十分必要。

(3) 河道内生态需水量与地下水应急供水过程存在着矛盾，为了使应急开采条件下河流生态环境较好，需要采取严格的节水措施。地下水应急开采后，对河流基流量会产生一定的影响，并且存在滞后效应；另外，由于河流基流量占河流径流量的比例较小，因此地下水应急开采对地表水环境容量的影响较小。

(4) 基于达西定律的地表水-地下水交换量计算方法为评价应急地下水开采对地下水系统的影响奠定了基础，后续可结合分布式建模方法开展地表水-地下水耦合模型研究，从而进一步提高模型的预测精度。