秦歡歡，孫占學(xué)，高柏，陳益平，賴冬蓉，萬衛(wèi), 3

氣候變化影響下華北平原地下水可持續(xù)利用研究

秦歡歡1, 2，孫占學(xué)1, 2，高柏2，陳益平1，賴冬蓉1，萬衛(wèi)1, 3

（1.東華理工大學(xué) 核資源與環(huán)境國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013；2. 東華理工大學(xué)水資源與環(huán)境工程學(xué)院，南昌 330013；3. 東華理工大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，南昌 330013）

【】研究氣候變化對華北平原地下水可持續(xù)利用的影響。在校準(zhǔn)的MIKE SHE模型基礎(chǔ)上考慮A1B二氧化碳排放情景下代表濕潤、正常和干旱氣候條件的3種大氣環(huán)流模型，設(shè)定3種氣候變化情景進(jìn)行模擬。①地下水水位、地下水補(bǔ)給、含水層儲量的變化均與氣候的干濕程度正相關(guān)。相對于保持現(xiàn)狀情景，濕潤和正常氣候情景下地下水水位分別回升0.156~0.295 m/a和0.007~0.090 m/a，而在干旱氣候情景下則下降0.106~0.345 m/a；②模擬期末，相對于保持現(xiàn)狀情景，濕潤和正常氣候情景下含水層儲量恢復(fù)率分別為6.86 km3/a和0.84 km3/a，而干旱氣候情景下則下降6.58 km3/a；③濕潤和正常氣候情景下地下水補(bǔ)給量增幅分別為53.1%和8.5%，而干旱氣候情景下地下水補(bǔ)給量降幅為69.2%。地下水可持續(xù)利用是華北平原社會發(fā)展中的關(guān)鍵問題，與此相關(guān)的措施包括減少蒸散發(fā)、城鎮(zhèn)化、南水北調(diào)工程、節(jié)水灌溉技術(shù)等。只有社會各方面的綜合作用，才能從根源上保障華北平原地下水的可持續(xù)利用。

氣候變化；MIKE SHE模型；地下水；可持續(xù)利用；華北平原

0 引 言

以全球變暖為標(biāo)志的氣候變化對全球各地水文循環(huán)和水資源的影響越來越受到各國政府和科學(xué)家們的高度重視[1]。政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報(bào)告[2]指出，相對于1850—1900年，預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末（2081—2100年），全球平均氣溫將上升0.3～4.8 ℃，以全球變暖為標(biāo)志的氣候變化已成為世界最重要的環(huán)境問題之一[3-5]。國內(nèi)外大量學(xué)者的研究結(jié)果表明，氣候變化是影響水文循環(huán)和地下水可持續(xù)利用最重要的因素之一[6]。氣候變化對區(qū)域地下水的影響主要表現(xiàn)在2方面：一是導(dǎo)致地下水補(bǔ)給和循環(huán)發(fā)生變化，二是導(dǎo)致地下水需求量發(fā)生改變[7]，這2方面作用的疊加，將使區(qū)域地下水可持續(xù)利用更難實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，全球氣候變暖將導(dǎo)致降水、蒸散發(fā)、徑流等水文循環(huán)要素發(fā)生改變，使區(qū)域水資源在時(shí)間和空間上重分配，影響區(qū)域水資源總量，增加旱澇等極端災(zāi)害現(xiàn)象出現(xiàn)的頻率和強(qiáng)度，對區(qū)域水資源的可持續(xù)利用與管理產(chǎn)生極大的影響[8]，并且有可能對生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[1]。

地下水是許多國家和地區(qū)最主要的供水來源，被大量用于城鎮(zhèn)生產(chǎn)生活和農(nóng)作物灌溉[9-11]。地下水的超采和不充分補(bǔ)給，使得諸如印度尼西亞、孟加拉國和中國等國家的一些地區(qū)含水層水位迅速下降[12-14]，由此給這些地區(qū)帶來地面沉降、海水入侵等生態(tài)環(huán)境問題[15-16]。作為我國水資源壓力最大的地區(qū)之一，華北平原人均水資源量只有全國的23%[11]，地下水供水量占其總供水量的70%左右[17-18]，北京、石家莊、保定等城市該比例已經(jīng)超過70%。華北平原降水量年內(nèi)和年際分配都極不均勻，容易發(fā)生連續(xù)的枯水年或豐水年，在氣候變化的影響下旱澇災(zāi)害發(fā)生的頻率加大，水資源供需壓力增大，由此又會加重華北平原地下水超采的情況，使地下水水位大幅度下降，目前已經(jīng)形成世界上最大的地下水漏斗區(qū)。

根據(jù)學(xué)者們對氣候變化條件下華北平原降水變化的研究[19-21]，20世紀(jì)60年代中期以后，華北平原降水呈現(xiàn)減少趨勢，特別是20世紀(jì)70年代以來，降水減少更加明顯。目前，有許多采用MODFLOW模型或分布式水文模型對華北平原地下水可持續(xù)管理進(jìn)行的研究[11, 17-18]，但較少有針對氣候變化影響下華北平原地下水可持續(xù)管理的研究。MIKE SHE模型是基于物理過程的確定性分布式水文模型（http://www.dhigroup.com），涵蓋了主要水文循環(huán)過程及其相互作用[9,11]，是研究地下水可持續(xù)利用的有力工具。MIKE SHE自帶的氣候變化編輯器（Climate Change Editor）[22-23]可以根據(jù)現(xiàn)有的設(shè)置生成未來的氣候變化場景。氣候變化編輯器利用了IPCC公布的空氣溫度和降水量變化的結(jié)果，作為排放率和預(yù)測年的函數(shù)。氣候變化編輯器的功能是基于用戶為未來的氣候變化場景選擇有限數(shù)量的輸入?yún)?shù)，然后根據(jù)用戶提供的基本場景構(gòu)建一個(gè)未來場景，該場景為空氣溫度、降水、潛在蒸散量和海平面提供了修正的輸入。因此，采用分布式水文MIKE SHE模型，通過構(gòu)建不同的氣候變化情景，對華北平原地下水的可持續(xù)利用進(jìn)行研究十分的必要。

為此，在文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[11]建立和校準(zhǔn)的華北平原分布式水文MIKE SHE模型的基礎(chǔ)上，考慮A1B二氧化碳排放情景下代表濕潤、正常和干旱氣候條件的3種大氣環(huán)流模型（General Circulation Model, GCM），設(shè)定3種氣候變化情景，對華北平原未來地下水可持續(xù)利用情況進(jìn)行模擬。通過對氣候變化情景的對比，分析華北平原地下水水位、含水層儲量及水均衡的變化，定量研究氣候變化對地下水的影響，為華北平原地下水的可持續(xù)利用和管理提供有效科學(xué)的指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

華北平原位于黃河以北、燕山以南、太行山以東的區(qū)域，可劃分為山前沖洪積傾斜平原、中東部沖積湖平原、黃河沖積扇及濱海沖積海積平原。華北平原屬于半濕潤半干旱氣候，冬春寒冷干燥，夏季炎熱多雨，降水量年內(nèi)分配不均勻、年際變化也大，多年平均降水量為554 mm，水面蒸發(fā)量為900～1 400 mm，是我國水資源壓力最大的地區(qū)之一。華北平原天然地下水量為227.4億m3/a，淺層、深層地下水開采程度分別為112%和139%，已累計(jì)超采淺層和深層地下水共900億m3，深層地下水水位持續(xù)下降，低于海平面的范圍已達(dá)總面積的55%。由于長期受自然和人類雙重因素影響，華北平原森林覆蓋率的降低，不僅導(dǎo)致其涵養(yǎng)水源能力低、地表水土流失、地下水水量減少，而且降低了空氣濕度，加大了干旱頻率。另一方面，多年來為了滿足生產(chǎn)和生活用水，華北平原大量開采地下水，使地下水水位大幅下降，已形成世界最大的地下水降落漏斗區(qū)。

1.2 模型概述

文獻(xiàn)[9-11]通過建立MIKE SHE模型，模擬了2000—2008年（2000—2005年為校準(zhǔn)期，2006—2008年為驗(yàn)證期）研究區(qū)的主要陸面水文循環(huán)過程，總模擬面積為1.4萬km2。研究區(qū)第四紀(jì)含水層可分為4個(gè)主要含水層單元（分別為I、II、III和IV），對應(yīng)的地質(zhì)單元分別是全新統(tǒng)、晚期更新統(tǒng)、中期更新統(tǒng)和早期更新統(tǒng)[9]。研究區(qū)被離散化為350行×300列、2 km×2 km大小的網(wǎng)格，垂向分為3層（單元I和II為第1層，III為第2層，IV為第3層），采用27個(gè)水文地質(zhì)單元對飽和含水層進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)（水平傳導(dǎo)系數(shù)、垂直傳導(dǎo)系數(shù)、給水度和貯水系數(shù)）賦值。模型利用226口觀測井的數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，大多數(shù)井的相關(guān)系數(shù)大于0.75，均方根誤差0.86～3.36 m，對于大尺度模型來說，這樣的校準(zhǔn)和驗(yàn)證結(jié)果證明了模型的有效性。具體請參閱文獻(xiàn)[9-11]。

1.3 氣候變化情景設(shè)計(jì)

華北平原氣候變化情景分析的模擬時(shí)間2009—2028年，經(jīng)過校準(zhǔn)的MIKE SHE模型模擬的2008年地下水水位結(jié)果作為情景分析MIKE SHE模型的地下水水位初始值，共設(shè)計(jì)4類情景，包括保持現(xiàn)狀情景BAU和代表濕潤、正常和干旱氣候條件的情景CC-W、CC-N和CC-D，詳見表1。

氣候變化情景CC-W、CC-N和CC-D是在A1B二氧化碳排放情景下，基于IPCC第四次評估報(bào)告，采用3個(gè)大氣環(huán)流模型對華北平原未來的氣候情景進(jìn)行預(yù)測。使用增量變化（delta change）的方法[24]對GCM預(yù)測進(jìn)行降尺度和糾偏處理，基于2000—2009年的氣象數(shù)據(jù)將月度變化因素應(yīng)用于降水和參考蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的處理。MIKE SHE軟件中自帶的氣候變化情景工具含有內(nèi)置的用于處理降水和參考蒸散發(fā)數(shù)據(jù)的變化因素（change factor），該變化因素根據(jù)不同的GCM預(yù)測和二氧化碳情景下的地理位置和預(yù)測年進(jìn)行[22-23]。在本文的研究中，華北平原的中心及2028年被選為MIKE SHE軟件中氣候變化情景工具所要求的地理位置和預(yù)測年份。IPCC第四次評估報(bào)告中提供了23個(gè)GCM預(yù)測，MIKE SHE軟件的氣候變化情景工具提供其中22個(gè)GCM預(yù)測的變化因素供模型模擬者選擇。茲選擇了3個(gè)GCM預(yù)測，分別代表濕潤（UKMO_HADCM3）、正常（CSIRO_MK3）和干旱（CNRM_CM3）的氣候條件，由此設(shè)計(jì)了3種氣候變化情景（見表1），并選取6口觀測井觀察地下水水位，觀測井信息見表2。

表1 華北平原氣候變化情景設(shè)計(jì)

表2 華北平原氣候變化模型中觀測井相關(guān)信息

圖1 模擬期內(nèi)華北平原6口觀測井地下水水位變化曲線圖

2 結(jié)果與分析

2.1 地下水水位

地下水水位（以黃?；鶞?zhǔn)面為參考）是水文模型中非常重要的變量，對飽和含水層水流及實(shí)際蒸散發(fā)都有較大的影響，圖1是6口觀測井（相關(guān)信息見表2）在各情景下地下水水位動態(tài)變化趨勢圖。

從圖1可以看出，相對于保持現(xiàn)狀的情景BAU，氣候變化情景下觀測井的地下水水位均有不同程度的變化。在濕潤的氣候變化情景（CC-W）下，各觀測井的地下水水位下降的趨勢有所緩解，部分觀測井（井49、井116和井214）還出現(xiàn)了地下水水位上升情況；在干旱的氣候變化情景（CC-D）下，各觀測井地下水水位下降的程度有所加重；而在正常的氣候變化情景（CC-N）下，除井214的地下水水位稍有回升外，其余各觀測井的地下水水位變化不大。模擬期平均來說，相對于保持現(xiàn)狀的情景（BAU），濕潤氣候變化情景（CC-W）下各觀測井地下水水位回升0.156～0.295 m/a，干旱氣候變化情景（CC-D）下各觀測井地下水水位下降0.106～0.345 m/a，而正常氣候變化情景（CC-N）下各觀測井地下水水位稍微回升0.007～0.090 m/a（表3）。這些定量分析說明，氣候變化導(dǎo)致地下水水位的變化與氣候的變化相一致，而降水量的變化則決定了地下水水位變化的大小。

圖2列出了不同情景下華北平原飽和含水層模型第2層（承壓含水層I和II）在模擬末期（2028年12月31日）的地下水水位分布圖。所有情景下華北平原區(qū)域上的地下水水位呈現(xiàn)出西高東低、從西部山區(qū)向東部沿海遞減的趨勢，在東部沿海地區(qū)形成了降落漏斗區(qū)，容易導(dǎo)致海水的入侵。隨著氣候條件從濕潤到干旱，區(qū)域上的地下水水位也呈現(xiàn)出下降的趨勢。氣候越濕潤，降水量越多，則對地下水的補(bǔ)給量也越多，地下水水位就容易恢復(fù)；反之，氣候越干旱，降水量越少，對地下水的補(bǔ)給量相應(yīng)會減少，加上降水量減少會導(dǎo)致地下水開采量的增加，地下水水位持續(xù)下降的程度則會加劇，也就意味著地下水越不容易保持可持續(xù)利用的狀態(tài)。

表3 3種氣候變化情景下觀測井的平均地下水水位相對于現(xiàn)狀保持情景的年變化量

2.2 地下水均衡

地下水均衡是一個(gè)重要的模擬結(jié)果，能給出研究區(qū)地下水可用性及使用情況的有用信息，也是華北平原地下水可持續(xù)管理中非常有用的工具，主要的地下水均衡項(xiàng)包括降水、灌溉、蒸散發(fā)和抽水等。對于整個(gè)系統(tǒng)來說，地下水均衡計(jì)算式為：

T-T=ΔT=ΔUZ+ΔSZ， （1）

式中：T表示總流入量，主要包括降水、灌溉和邊界流入；T表示總流出量，主要包括蒸散發(fā)、抽水和邊界流出；ΔT表示含水層儲量變化，等于非飽和含水層儲量變化ΔUZ與飽和含水層儲量變化ΔSZ之和，正值表示儲量增加，負(fù)值表示儲量減少（消耗）。

表4是華北平原年均地下水均衡組成部分的情況，從表4可以看出，模擬期內(nèi)平均來說，保持現(xiàn)狀情景（BAU）下總流入量和總流出量分別是745和850 mm/a，二者之間的差異由含水層105 mm/a的儲量消耗來平衡；濕潤氣候情景（CC-W）下總流入量和總流出量分別是848和905 mm/a，含水層儲量消耗為57 mm/a；干旱氣候情景（CC-D）下總流入量和總流出量分別是684和837 mm/a，含水層儲量消耗為153 mm/a；而正常氣候情景（CC-N）下總流入量和總流出量分別是777和877 mm/a，含水層儲量消耗為100 mm/a?？傮w來說，保持現(xiàn)狀的情景和氣候變化的情景均會出現(xiàn)含水層儲量的消耗，也即地下水的不可持續(xù)利用。然而，相對于保持現(xiàn)狀情景（BAU），濕潤氣候變化情景（CC-W）的含水層儲量消耗減少了45.7%，正常氣候變化情景（CC-N）的含水層儲量消耗減少4.8%，而干旱氣候變化情景（CC-D）的含水層儲量消耗則增加了45.7%。氣候變化所導(dǎo)致的降水量的變化對于華北平原地下水含水層儲量有著直接而顯著的影響，氣候濕潤，降水量的增加會顯著減少含水層儲量的消耗，而氣候干旱，降水量的減少，加上此種氣候條件下地下水人工開采量會增加，由此導(dǎo)致含水層儲量消耗的進(jìn)一步增加。值得注意的是，即使是濕潤的氣候條件，華北平原地下水含水層儲量依然存在57 mm/a的消耗，說明完全依靠自然條件是無法阻止華北平原地下水含水層儲量的消耗，人工因素的介入，如南水北調(diào)工程，將在阻止含水層儲量的消耗、保障華北平原地下水可持續(xù)利用中起到至關(guān)重要的作用。

表4 不同情景下華北平原主要地下水水均衡項(xiàng)

實(shí)際蒸散發(fā)是水量總流出中最主要的部分，模擬期內(nèi)所有情景下實(shí)際蒸散發(fā)占總流出量的比例都在70%左右（圖3），其中約99.75%的蒸散發(fā)來自非飽和含水帶，約0.25%的蒸散發(fā)來自飽和含水帶，而其余大約30%的水通過抽水的形式離開系統(tǒng)，表明華北平原水文系統(tǒng)的水均衡存在明顯的虧缺。在未來發(fā)展情景下，控制實(shí)際蒸散發(fā)可以有效控制華北平原地下水的流出量，進(jìn)而對華北平原地下水的可持續(xù)利用進(jìn)行管理。通過減少蒸散發(fā)的方式來釋放華北平原缺水壓力是一種有效和可行的方法，在此基礎(chǔ)上的節(jié)水技術(shù)可以用來減少蒸散發(fā)，也可以改變農(nóng)作物輪作方式來減少蒸散發(fā)，如可以采用具有更少蒸發(fā)量的輪作方式，來代替目前的輪作方式。地下水抽取用于作物灌溉、工業(yè)生產(chǎn)、居民生活及牲畜飲用，圖3列出了總灌溉占總抽水的比例。從圖3可以看出，相對于現(xiàn)狀保持型情景（BAU），考慮氣候變化的3個(gè)情景下該比例無顯著變化，這說明氣候的變化對于總灌溉用水占總抽水比例沒有太大的影響。

圖3 模擬期實(shí)際蒸散發(fā)占總流出量的比例和總灌溉量占總抽水量的比例及年均地下水補(bǔ)給量

地下水補(bǔ)給（通過降雨、灌溉、地下徑流、渠道或河道滲漏等多種途徑對地下水量的補(bǔ)充）也是地下水均衡中比較重要的一項(xiàng)。從圖3可以看出，濕潤氣候變化情景（CC-W）對于地下水補(bǔ)給有顯著影響，地下水補(bǔ)給量受降水的影響很大，該情景下地下水補(bǔ)給量從情景BAU的130 mm/a增加至199 mm/a，增幅達(dá)53.1%；干旱氣候變化情景（CC-D）則會使得地下水補(bǔ)給量從130 mm/a下降至40 mm/a，降幅達(dá)69.2%；而正常氣候變化情景（CC-N）則使得地下水補(bǔ)給量從130 mm/a增加至141 mm/a，增幅達(dá)8.5%。地下水補(bǔ)給量的變化跟氣候干濕的變化正相關(guān)，氣候越濕潤，地下水補(bǔ)給量則越大，氣候越干旱，則地下水補(bǔ)給量越小。

圖4 模擬期華北平原不同情景下飽和含水層儲量變化曲線

2.3 含水層儲量

地下水可持續(xù)利用問題，關(guān)注的焦點(diǎn)在于地下水含水層儲量的變化。地下水儲量是在氣候變化（主要是降水變化）及人類活動（主要是地下水開采）等自然和人類因素影響下隨時(shí)間動態(tài)變化的，反映的是區(qū)域地下水系統(tǒng)的變化規(guī)律[25]。能夠滿足可持續(xù)發(fā)展原理的地下水利用，是可以保證在未來的長時(shí)間內(nèi)地下水含水層的儲量不出現(xiàn)大的消耗，否則地下水利用是不可持續(xù)的。MIKE SHE模型是比較成熟的分布式水文模型軟件，在諸多領(lǐng)域得到了驗(yàn)證。MIKE SHE模型根據(jù)水均衡原理及地下水運(yùn)動控制方程等計(jì)算含水層儲量，圖4是模擬期內(nèi)各種情景下飽和含水層儲量深度的時(shí)間變化曲線圖。從圖4可以看出，隨著時(shí)間的推移，各種情景下華北平原飽和含水層儲量都會顯著下降，下降最多的是情景CC-D，達(dá)到了大約0.15 m/a的程度；而下降最少的則是情景CC-W，大約為0.06 m/a；情景BAU和CC-N則分別下降0.11 m/a和0.10 m/a。相對于保持現(xiàn)狀情景BAU，情景CC-D的飽和含水層儲量下降得更加厲害，其它情景的下降速率都在一定程度上有所緩解。到模擬期末（2028年12月31日），相對于保持現(xiàn)狀情景BAU來說，濕潤氣候變化情景CC-W的含水層儲量可以恢復(fù)約6.86 km3/a，正常氣候變化情景CC-N的含水層儲量可以恢復(fù)0.84 km3/a，而干旱氣候變化情景CC-D的含水層儲量則會下降6.58 km3/a。這說明，不同情景下華北平原地下水儲量變化與降水量變化相一致：降水量較多的情景，地下水儲量有所回升；降水量較少的情景，地下水儲量則顯著減少。

3 討 論

3.1 氣候變化對地下水的影響

《聯(lián)合國氣候變化框架公約》將氣候變化分為全球氣候變暖、酸雨和臭氧層破壞等3類，其中全球氣候變暖是人類目前最迫切的問題，關(guān)乎人類的未來。氣候變化對地下水的影響還是一個(gè)新的研究領(lǐng)域，文中也僅通過MIKE SHE模型的模擬進(jìn)行了半定量化的研究和探討。氣候變化引起區(qū)域氣候條件的改變，降水量的時(shí)空分布隨之發(fā)生變化，這會直接引起地下水補(bǔ)給量的變化；同時(shí)，極端的干旱氣候又會導(dǎo)致區(qū)域地下水開采量的增加，進(jìn)一步加重了地下水含水層儲量的消耗。根據(jù)研究結(jié)果，氣候變化導(dǎo)致地下水水位的變化方向與氣候的干濕程度成正比，而變化的大小則與不同氣候變化情景下華北平原的降水量有關(guān)系。地下水補(bǔ)給量的變化跟氣候干濕的變化成正比，氣候越濕潤，地下水補(bǔ)給量則越大，氣候越干旱，則地下水補(bǔ)給量越小。濕潤的氣候條件在一定程度上可以恢復(fù)華北平原地下水含水層的儲量，而干旱的氣候條件則會加劇含水層儲量的消耗。氣候變化引起的溫度和蒸散發(fā)的變化，對地下水的直接影響作用微弱，但這二者對區(qū)域地下水的用水量有較大的影響。一個(gè)地區(qū)的溫度越高，蒸散發(fā)越大，則該地區(qū)對地下水的用水量會越大，反之亦然。同時(shí)，人類的活動往往和氣候變化同時(shí)出現(xiàn)，其對氣候變化、區(qū)域地下水起到一個(gè)放大器的影響作用，往往可以放大2～3倍[26]。氣候變化導(dǎo)致降水量的減少，但人類的活動不能停止，因而需要增加地下水開采量．這對地下水造成非常大的間接影響，起到了放大器的作用。

3.2 地下水可持續(xù)利用

文中基于MIKE SHE模型預(yù)測濕潤、正常和干旱的氣候條件下華北平原2009—2028年地下水含水層儲量的變化率，分別為6.86、0.84和-6.58 km3/a，而已有研究基于GRACE的空間約束法計(jì)算的華北平原2002—2014年的地下水含水層儲量變化率為（-7.4±0.9）km3/a[27]，利用MODFLOW模型計(jì)算出華北平原在2002—2008年的地下水含水層儲量變化率為-4.4 km3/a[28]，利用WGHM模型計(jì)算的華北平原2002—2014年的地下水含水層儲量變化率為-11.2 km3/a[29]，本文的結(jié)論與這些研究的結(jié)果相對一致?？梢?，目前狀況下華北平原地下水含水層儲量存在顯著的消耗，由此造成地下水的不可持續(xù)利用和發(fā)展；而如若氣候變化造成干旱成為華北平原未來氣候的發(fā)展趨勢，那么目前的地下水含水層儲量會保持消耗的狀態(tài)，地下水可持續(xù)利用在未來亦無法得到保障。

氣候變化將給華北平原地下水帶來顯著的影響，地下水水位、水均衡和含水層儲量的變化均與氣候條件的干濕程度成正相關(guān)性。氣候越濕潤，華北平原地下水越容易保持可持續(xù)利用的狀態(tài)；反之，氣候越干旱，華北平原地下水不可持續(xù)利用的狀態(tài)則越嚴(yán)重。為了維持華北平原地下水的可持續(xù)利用，需要社會各方面的綜合作用，多管齊下，減少化石燃料燃燒和毀林、土地利用變化等人類活動，降低這些人類活動過程中排放的溫室氣體，減弱溫室效應(yīng)，從而降低全球氣候變暖的程度，從根源上保障地下水的可持續(xù)利用。另一方面，即使是濕潤的氣候條件，華北平原地下水含水層儲量依然存在消耗，說明完全依靠自然條件是無法阻止華北平原地下水含水層儲量的消耗，人工因素的介入，如南水北調(diào)工程，將在阻止含水層儲量的消耗、保障華北平原地下水可持續(xù)利用中起到至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 論

1）氣候變化導(dǎo)致地下水水位的變化方向與氣候的干濕程度正相關(guān)，而降水量的變化則決定了地下水水位變化的大小。相對于保持現(xiàn)狀情景，濕潤和正常氣候變化情景下各觀測井地下水水位分別回升了0.156～0.295 m/a和0.007～0.090 m/a，而干旱氣候變化情景下各觀測井地下水水位下降了0.106～0.345 m/a。

2）大約70%的地下水通過蒸散發(fā)的形式離開系統(tǒng)，保持現(xiàn)狀和氣候變化的情景均會出現(xiàn)含水層儲量的消耗。相對于保持現(xiàn)狀情景，濕潤和正常氣候變化情景下含水層儲量消耗分別減少45.7%和4.8%，而干旱氣候變化情景下含水層儲量消耗增加45.7%。到模擬期末，相對于保持現(xiàn)狀情景，濕潤和正常氣候變化情景下含水層儲量分別恢復(fù)6.86 km3/a和0.84 km3/a，而干旱氣候變化情景下含水層儲量則下降6.58 km3/a。

3）地下水補(bǔ)給量的變化跟氣候干濕的變化成正相關(guān)性，氣候越濕潤，地下水補(bǔ)給量則越大，氣候越干旱，則地下水補(bǔ)給量越小。濕潤和正常氣候變化情景下地下水補(bǔ)給量增幅分別為53.1%和8.5%，而干旱氣候變化情景下地下水補(bǔ)給量降幅為69.2%。

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Simulating Dynamics of Groundwater in North China Plain Under Uncertain Climate Change

QIN Huanhuan1, 2, SUN Zhanxue1, 2, GAO Bai2, CHEN Yiping1, LAI Dongrong1, WAN Wei1, 3

(1. State Key Laboratory of Nuclear Resources and Environment, East China University of Technology, Nanchang 330013, China; 2. School of Water Resources and Environmental Engineering, East China University of Technology, Nanchang 330013, China; 3. School of Earth Sciences, East China University of Technology, Nanchang 330013, China)

【】Global climate change could result in frequent occurrence of extreme weathers, exerting extra pressure on already dwindling groundwater resource in most arid and semi-arid regions in the world. In this paper we analyze how groundwater in north China Plain (NCP) would change under an uncertain climate change.【】The analysis was model-based. We considered three scenarios representing wet, normal and dry climatic conditions as predicted from the A1B carbon dioxide emission. The dynamics of both surface and subsurface water was simulated using the MIKE SHE model.【】Change in groundwater level, groundwater recharge and aquifer storage were all positively correlated to the degree of dry and wet weather. Compared with the status quo scenario, the groundwater level in the wet and normal scenarios will rise at a rate of 0.156~0.295 m/a and 0.007~ 0.090 m/a, respectively, while fall at a rate of 0.106~0.345 m/a in the dry scenario. Compared with the status quo scenario, the aquifer storage in the wet and normal scenarios will recover at 6.86 km3/a and 0.84 km3/a respectively, but decline at 6.58 km3/a in the dry scenario. Groundwater recharge in the wet and normal scenarios will increase by 53.1% and 8.5% respectively, whereas reduce by 69.2% in the dry scenario.【】Dwindling groundwater resource is a bottleneck in social development of the NCP, and to improve sustainability of the groundwater use, available mitigations include reducing evapotranspiration, increasing urbanization and developing water-saving irrigation technologies, although diverting surface water from south China also helps. Achieving this goal needs collaborative efforts from the whole society.

Climate change; MIKE SHE model; groundwater; sustainable utilization; North China Plain

TV213.4

A

10.13522/j.cnki.ggps.20190133

1672 - 3317（2020）01 - 0106 - 09

2019-03-24

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41807179）；東華理工大學(xué)博士科研啟動基金項(xiàng)目（DHBK2016104）

秦歡歡（1986-），男，江西南昌人。講師，博士，主要研究方向?yàn)樗Y源利用與管理。Email: qhhasn@126.com

秦歡歡, 孫占學(xué), 高柏, 等. 氣候變化影響下華北平原地下水可持續(xù)利用研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2020, 39(1):106-114.

QIN Huanhuan, SUN Zhanxue, GAO Bai, et al. Simulating dynamics of groundwater in north china plain under uncertain climate change [J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(1): 106-114.

責(zé)任編輯：陸紅飛