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地下水開采對海河流域水循環(huán)過程影響的模擬

文檔作者：姜姍姍1 占車生2 王會(huì)肖1 富可榮3 王飛宇2 文檔來源： 1．北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院 2．中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán) 與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3．水利部海河水利委員會(huì) 4．中國科學(xué)院大學(xué)		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年08月31日
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第14卷第4期
2016年8月
南水北調(diào)與水利科技
South-to-North Water Transfers and Water Science&amp;amp;Technology
V01．14 No．4
Aug．2016
黧燃旦出!暨i蘭芏重
DOI：10．13476／j．cnki．nsbdqlk．2016．04．009
姜姍姍，占車生，王會(huì)肖，等．地下水開采對海河流域水循環(huán)過程影響的模擬[J]．南水北調(diào)與水利科技，
2016，14(4)：54—59，98．JIANG Shan-shan，ZHAN Che-sheng，WANG Hui-xiao，et a1．Simulation of the im—
pacts on water cycle by groundwater exploitation in the Haihe River BasinVJ]．South-to-North Water Trans—
fers and Water Science&amp;amp;Technology，2016，14(4)：54—59，98．(in Chinese)
地下水開采對海河流域水循環(huán)過程影響的模擬
姜姍姍1，占車生2，王會(huì)肖1，富可榮3，王飛宇2“
(1．北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京100875；2．中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)
與地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101；3．水利部海河水利委員會(huì)，天津300170；4．中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)
摘要：利用分布式時(shí)變增益水文模型(DTvGM)的產(chǎn)流機(jī)制改進(jìn)CLM3．5(Community Land Model version 3．5)的
水文過程參數(shù)化，同時(shí)嵌入地下水開采對流域水循環(huán)影響的模塊，并考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水，建立能夠描述流域自然一
人文過程的大尺度陸地水循環(huán)模型(CLM—DTVGM)。以地下水開采嚴(yán)重的海河流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以中科院青藏高原
研究所建立的中國區(qū)域高時(shí)空分辨率地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集作為大氣強(qiáng)迫驅(qū)動(dòng)，針對海河流域1980年一2010年的
水循環(huán)過程進(jìn)行模擬，分析地下水開采活動(dòng)對流域水循環(huán)過程的影響。結(jié)果表明：地下水開采活動(dòng)引起海河流域地
表徑流和土壤濕度整體有所減少，蒸散發(fā)則呈增加趨勢，且各水循環(huán)要素空間分異較大。
關(guān)鍵詞：海河流域；陸面過程；地下水開采；水循環(huán)；模擬研究
中圖分類號：P641 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672—1683(2016)04—0054—06
Simulation of the impacts on water cycle by groundwater exploitation in the Haihe River Basin
JIANG Shan-shanl，ZHAN Che-shenge，WANG Hui-xia01，F(xiàn)U Ke-rongs，WANG Fei—yu2’4
(1．College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；
2．K糾Laboratory of Water Cycle Relate k積Surface Processes，Institute of Geographic Sciences and Natural
Resources Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100101，China；3．Ministry of Haihe River Commission，
Tia【njin 300170，China；4．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)
Abstract：By improving the hydrological parameterization schemes of the land surface model(CI。M3．5)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．a(chǎn)nd analyzed the impacts of groundwater
exploitation activities on the water cycle process．The results showed that：groundwater exploitation caused the decrease in run—
off and soil moisture in the overall basin；the evapotranspiration in the overall basin increased．a(chǎn)nd the spatial variation of water
cycle elements was large．
Key words：the Haihe River Basin；land surface processes；groundwater exploitation；water cycle；simulation
收稿日期：2015-11一03 修回日期：2016-04—12 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-06—22
網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／13．1334．Tv．20160622．1043．002．html
基金項(xiàng)目：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2015CB452701)；國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(41271003；41371043)
Fund：National Basic Research Program of China(2015CIM52701)；National Natural Science Foundation of China(41271003；41371043)
作者簡介：姜姍姍(1988一)，女，河北保定人，主要從事氣候變化對水文水資源的影響研究。E-mail：jiangshanshan@mail．bnu．edu．cn
通訊作者：占車生(1975一)，男，湖北黃岡人。副研究員，主要從事水文水資源方面研究。E-mail：zhancs@igsnrr．a(chǎn)c．cn
·54· 水文水資源
萬方數(shù)據(jù)
姜姍姍等·地下水開采對海河流域水循環(huán)過程影響的模擬
近年來，人類對水資源的開發(fā)利用日趨廣泛，極
大地?cái)_亂了自然水循環(huán)過程。尤其在地表水資源量
無法滿足用水需求或地表水污染嚴(yán)重的地區(qū)，持續(xù)
開采地下水不但會(huì)造成地面沉降、濕地減少、海水入
侵以及地下水污染，而且會(huì)導(dǎo)致陸地水資源的枯
竭[1{]，同時(shí)由于更多的水分被抽取至地表，引起局
地土壤濕度和地面溫度的變化，進(jìn)而影響水循環(huán)過
程F3。7]。因此，考慮地下水開采活動(dòng)對流域水循環(huán)影
響研究是十分必要的。
已有很多學(xué)者就地下水開采活動(dòng)對水循環(huán)的影
響進(jìn)行了研究探索：束龍倉和Xunhong Chen以內(nèi)
布拉斯加州普拉特河谷為例，采用Visual MODF—
LOW研究了地下水開采對河流流量衰減的影響，
認(rèn)為地下水位高出河水位的值越大，抽水對河流
基流量減少的影響越明顯，對河流滲漏增加的影
響微弱嗍；賈仰文等綜合考慮水文氣象、地下水開
采、南水北調(diào)等因素的影響，建立了海河流域二元
水循環(huán)模型，得出不同規(guī)劃水平年水資源管理推
薦方案[9。1叫；王中根等針對海河流域的地下水超采
問題，利用較為成熟的流域地表水模型SWAT與
地下水模型MODFLow構(gòu)建了海河流域地表水
與地下水耦合模型，用于評估地下水開采對流域
水資源的影響[11。。這些模型主要基于水量平衡，
側(cè)重于對降雨徑流和水分收支的模擬與計(jì)算，缺
乏對能量平衡的考慮，無法表達(dá)陸氣界面的水氣
能量交換過程u 2|。雖然水文模型研究在耦合社會(huì)
經(jīng)濟(jì)水循環(huán)、嵌人人類活動(dòng)模塊方面有了一定進(jìn)
展，但是為了適應(yīng)全球氣候變化研究，水文模型還
需要從大尺度和高精度模擬方向進(jìn)行新的突
破[13]。陸面過程模式作為水文模型和氣候模型聯(lián)
系的橋梁，可以作為大尺度水文模型發(fā)展的基礎(chǔ)。
耦合陸面過程模式和水文模型可以保留水文模型
的水量平衡模擬方法，尤其是產(chǎn)匯流過程等，而能
量平衡、植被作用等采用陸面模式參數(shù)化方案進(jìn)
行描述，以此改善陸面模式對水文過程描述的不
足，提高模式模擬預(yù)報(bào)的精度。
由于受到地下水農(nóng)業(yè)灌溉、河道取用水等高強(qiáng)
度人為活動(dòng)的影響，海河流域地表產(chǎn)匯流非線性特
征明顯，水文過程模擬的不確定性較大。夏軍等[14]
結(jié)合水文非線性系統(tǒng)方法與分布式流域水文模擬技
術(shù)自主研發(fā)了一種分布式時(shí)變增益水文模型
(DTVGM)，其特點(diǎn)在于能模擬人類活動(dòng)影響下的
降雨、徑流等水文變量之間非線性關(guān)系[1 5。，對下墊
面實(shí)時(shí)反應(yīng)能力較強(qiáng)，尤其在海河、黑河、黃河等半
干旱一半濕潤流域的模擬效果較好，且計(jì)算消耗
小[16]。因此，本研究利用DTVGM的產(chǎn)流機(jī)制改
進(jìn)CLM3．5的產(chǎn)流過程，同時(shí)嵌入地下水開采對流
域水循環(huán)影響的模塊，并考慮經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水，構(gòu)建能
夠描述流域自然一人文過程的大尺度陸地水循環(huán)模
型(CLM．DTVGM)，然后以中國科學(xué)院青藏高原研
究所基于Princeton再分析數(shù)據(jù)建立的一套中國區(qū)
域高時(shí)空分辨率地面氣象要素?cái)?shù)據(jù)集作為大氣強(qiáng)迫
驅(qū)動(dòng)，設(shè)置兩種模式(無人類活動(dòng)影響S1和僅考慮
開采地下水S2)，對海河流域過去30年的地表徑
流、蒸散發(fā)和土壤濕度進(jìn)行模擬，分析地下水開采活
動(dòng)對海河流域水循環(huán)過程的影響。
1研究區(qū)和數(shù)據(jù)介紹
1．1研究區(qū)
海河流域(圖1)位于東經(jīng)112。一120。,北緯35。一
43。之間，總面積約31．8萬km2。按照流域西北
高，東南低的地勢，大致可分高原、山地和平原三
種地貌類型。流域西部和北部的高原及山地占流
域總面積的60％，流域東部和南部以農(nóng)田為主，也
是主要的人口居住地，占流域總面積的40％。海
河流域多年平均降水量為539 l'nln，自20世紀(jì)50
年代以來，降水總體上呈現(xiàn)逐步減少的趨勢。流
域年平均氣溫為10．8℃，年內(nèi)變化較為平緩。海
河流域作為嚴(yán)重的資源性缺水地區(qū)，水資源供需
矛盾十分突出，用不足全國1．3％的水資源量，承
擔(dān)著全國11％的耕地面積和lo％人口用水任務(wù)
[1 7|。由于流域內(nèi)地表水資源非常匱乏，主要通過
開采地下水進(jìn)行灌溉，區(qū)內(nèi)已形成大范圍常年性
淺層地下水位降落漏斗，地下水超采是地下水位
下降的主導(dǎo)原因[18]。近50年來，海河流域累計(jì)超
采地下水高達(dá)1 900億m3，目前地下水年開采量
約占流域總供水量的2／3[19]。大范圍超采活動(dòng)已
使海河流域地下水處于不可持續(xù)狀態(tài)，嚴(yán)重威脅
該地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。
圖l海河流域
Fig．1 The Haihe River Basin
水文水資源·55·
萬方數(shù)據(jù)
第14卷總第85期·南水北調(diào)與水利科技·2016年8月
1．2數(shù)據(jù)介紹
已有的可用于陸面過程模式輸入的再分析數(shù)據(jù)
產(chǎn)品，在中國區(qū)域上往往存在著系統(tǒng)偏差，如以
Princeton數(shù)據(jù)。因此，本研究采用中國科學(xué)院青藏
高原研究所開發(fā)的中國區(qū)域的長時(shí)間序列、高時(shí)空
分辨率的陸面模式驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)，簡稱ITPCAS數(shù)據(jù)
集。該套數(shù)據(jù)以國際上現(xiàn)有的Princeton再分析資
料、GEWEX-SRB輻射資料以及TRMM降水資料
為基礎(chǔ)，利用中國氣象局常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行校
正以消除系統(tǒng)偏差，并通過空間降尺度的方式，得到
最高時(shí)間分辨率為3 h、最高水平空間分辨率為
0．o的再分析數(shù)據(jù)(包含近地面氣溫、近地面氣壓、
近地面空氣比濕、近地面全風(fēng)速、地面向下短波輻
射、地面向下長波輻射、地面降水率)[2 0|，可以滿足
國內(nèi)陸面過程研究的需要。
經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)據(jù)為2000年的數(shù)據(jù)。其中人口、
GDP、農(nóng)田面積數(shù)據(jù)是基于國家統(tǒng)計(jì)局城市社會(huì)
經(jīng)濟(jì)調(diào)查總隊(duì)編纂出版的《中國城市統(tǒng)計(jì)年鑒
2000))，并由中國科學(xué)院資源環(huán)境科學(xué)數(shù)據(jù)中心
(www．resdc．cn／english／default．a(chǎn)sp)處理為分辨
率1 km×1 km的柵格數(shù)據(jù)。這組數(shù)據(jù)在本研究
中被處理為0．25。×0．25。的分辨率，以適應(yīng)陸面
模式的要求。
工業(yè)、生活和農(nóng)業(yè)的單位用水?dāng)?shù)據(jù)來自《中國水
資源公報(bào)2000》(表1)，并且在流域內(nèi)保持固定不變。
表1 2000年需水量統(tǒng)計(jì)值
Tab．1 Water demand statistics in 2000 億m3
2研究方法
2．1模型介紹
CLM3．5模式是NCAR發(fā)布的新一代陸面過
程模式，是在CLM3．0的基礎(chǔ)上對陸面參數(shù)和水文
過程加以改進(jìn)，引進(jìn)并完善了徑流、地下水、碳循環(huán)
和凍土過程，其具體物理過程在文獻(xiàn)中有較為詳盡
的描述I-zvz2]。CLM3．5原有的地表產(chǎn)流采用TOP—
MODEl。模型中的SIMTOP參數(shù)化方案，即根據(jù)蓄
滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流的機(jī)制來計(jì)算，其中關(guān)鍵參數(shù)是
計(jì)算單元的飽和因子，其依賴表層土壤的不透水面
積，計(jì)算較為復(fù)雜。
本研究采用DTVGM模型的時(shí)變增益因子來
改進(jìn)CLM3．5中的產(chǎn)流模型，即考慮降雨徑流的非
線性關(guān)系，以及產(chǎn)流過程中土壤濕度不同引起的產(chǎn)
·56· 水文水資源
流量變化，通過時(shí)變增益因子簡化了水文循環(huán)系統(tǒng)
的輸入輸出之間復(fù)雜的非線性關(guān)系，達(dá)到與一般
Volterra泛函級數(shù)相同的模擬效果。
DTVGM模型地表產(chǎn)流模型計(jì)算方法如下：
R—G(￡)P(￡) (1)
式中：G(￡)為時(shí)變增益系數(shù)；P(f)為降雨量(mm)；R
為地表水產(chǎn)流量(mm)。
G∽確(鬻)＆ (2)
式中：g。、g：是時(shí)變增益因子；w(￡)為土濕，即土壤
含水量(ram)；w。為土壤飽和含水量(mm)。考慮
利用菲利普下滲公式計(jì)算的平均下滲量為
F—Ff(品)n1=K,At(高)“ ㈤
式中：Ff是出時(shí)段穩(wěn)滲量(mm)；K，是土壤飽和狀
態(tài)的穩(wěn)滲率(mm／d)；At是計(jì)算的時(shí)段(d)；咒，是模
型指數(shù)參數(shù)，與土壤特性等下墊面條件有關(guān)，一般在
1．0左右。考慮扣除下滲后的地表產(chǎn)流為
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