不同水资源管理政策下的陆面水文模拟试验.docx

不同水资源管理政策下的陆面水文模拟试验邹靖山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东 青岛 266001摘要 本文利用陆面过程模型CLM3.5，针对地下水资源严重超采的海河流域，采用不同的水资源管理方案进行了几组未来时期的模拟试验，以探讨不同水资源管理政策对未来海河流域内水文、能量过程的潜在影响，为华北水资源管理决策提供参考。试验结果表明，如果维持目前的地下水开采强度不变，海河流域的局地水资源未来将面临干涸的危险，并且随着水资源的逐渐干涸，流域内由于人类用水活动引起的冷湿效果也将在出现峰值之后逐渐减弱；而如果立即停止地下水开采活动，在未来数十年内会出现偏暖偏干的变化，但这一变化会随着地下水资源的恢复而逐渐消失。另外，这些水文、能量要素的变化速度会随气候变化而有所不同，但其变化趋势与气候无关。关键词: 地下水资源管理，陆面水文过程，海河流域Zou JingShandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology，Shandong Academy of Sciences Institute of Oceanographic Instrumentation，National Engineering and Technological Research Center of Marine Monitoring Equipment,Qingdao 266001，ChinaAbstract In this study, the land surface model CLM3.5 was applied in Haihe River Basin, where the groundwater resource is severely over-exploited. Several simulation tests for the future period were conducted with different management schemes of water resource, in order to investigate the potential effects of water resource management policies on hydrological and energy processes over Haihe River Basin. The results revealed that the local water resource of the basin would face exhaustion crisis if the groundwater exploitation continued in the future with current rates, and the cooling and wetting effects due to human water utilization would reach their peak values and then weakened gradually with the depletion of water resource. In addition, if the groundwater exploitation ceased, the warming and drying effects would appear in the future decades and the basin would return to the natural status gradually. The changing rates of the hydrological and energy elements relied on the climate, but their trends would be the same no matter how the climate changed.Key Words：Groundwater resource management; Hydrological process on land surface; Haihe River Basin1引言海河流域位于中国华北地区，流域西部和北部为高原和山地，约占流域总面积的60%，而主要的农田位于流域的东部和南部，也是主要的人口居住地，占流域总面积的40%。海河流域是中国主要的农业区之一，其经济、人口在过去几十年来增长迅速，人类每年的用水需求逐渐超过流域内的总降水量。然而，随着经济社会的发展，河流、湖泊等地表水资源正遭受不同程度的污染与萎缩，因此，地下水资源作为流域内主要的用水来源被持续超采而得不到及时的恢复。根据2005年的统计资料，流域内地表水的供水量约87.65亿方，而地下水供水量约253.01亿方。对于占海河流域绝大部分平原面积的河北省而言，地下水供水总量约160.68亿方，而地表水供水量仅有36.78亿方（任宪韶，2007）。由于地下水资源的过度开采，流域内并已经出现了严重的水资源危机，水资源形势不容乐观。东部平原地区的地下含水层由于地下水无法得到补给，已形成了大量地下水漏斗区，并逐渐向区域化发展；流域内40%的总河长，约4000km长的河流已变成季节性河流，并且，目前的湿地面积与上世纪50年代初相比已经减少了近90%（Liu et al., 2008; Xia and Zhang, 2008; 杨丽芝等，2013）。地下水的过度开采、水土流失、生态退化和其他生态环境问题严重威胁着该地区的可持续发展。针对海河流域的水资源现状，目前已有大量研究工作对流域地下水资源进行模拟与估计，并提出了各种地下水恢复与生态环境修复的措施建议（王金哲等，2005；张晓明等，2008；乔瑞波，2009；苏红伟等，2009）。然而，这些工作大多局限于对海河流域现状的模拟或定性分析，对海河流域未来在未来水资源管理政策影响下如何变化涉及较少。另外，目前针对海河流域水资源修复的模拟研究大多使用水文模型进行模拟，但水文模型大多无法考虑陆面能量过程方面，不能对包括地面温度、热通量等要素的陆面过程进行全面的模拟。在陆面过程模型的应用方面，由于大部分陆面模型缺少人类活动模块，无法模拟水资源管理政策对流域水文、能量过程的影响。因此，本文基于陆面模型CLM3.5，结合作者之前提出的人类取用水方案，针对海河流域进行长期的未来模拟，探讨流域在维持高强度开采以及停止一切开采两种极端管理政策下的可能变化，为水资源管理决策提供参考。2模型与试验设计2.1 模型介绍通用陆面模型Community Land Model version 3.5 (CLM3.5)是美国国家大气科学研究中心研发的第三代陆面模型（Oleson et al., 2008）。CLM包括最多五层雪层和十层不等间距的土壤层。每个CLM网格内包含四种可能的陆表覆盖类型：冰川、湿地、湖和植被，而植被类型又可以进一步划分为17种植被功能型(PFTs)。每种PFT分别对其水文、能量平衡关系进行求解。为了探讨人类取水用水过程，作者基于CLM3.5提出了一个简单的取水用水模块用以表示这一过程（Zou et al., 2014）。该模块考虑了人类对河流地表水与地下水的开采过程，用水过程主要分为生活用水、工业用水与农业灌溉三个方面。2.2 试验设计本次试验采用添加用水模块的CLM3.5模型，模拟的区域范围设为105127E，3046N，覆盖海河流域全境，空间分辨率为0.250.25。气候强迫数据选用普林斯顿全球三小时11的气候数据（Sheffield et al., 2006），进行了三个受实际气候变化情景驱动的未来模拟试验。由于受资料限制，试验的时间长度设为100年（2001-2100），初始条件同样采用P1试验在2000年的最后结果。这三个试验除气候强迫与上述200年理想试验不同外，其他设置均无变化，分别命名为Pmp_F，Rst_F和CTL_EF。试验所用的气候强迫数据为CMIP5计划中的RCP4.5未来实验结果，选用的GCM为大气所LASG开发的FGOALS-g2版本。3结果分析本研究给出了未来气候情景数据驱动下的模拟结果，见图2。该模拟时间由2001年至2100年。对于Pmp_F试验，由于气候强迫数据降水较多，图1a和1b中的地下水储量和地下水位并未像固定强迫的Pmp试验迅速下降。Pmp_F试验中的总径流和平均土壤湿度均较控制试验CTL_EF低，这与固定强迫的Pmp与CTL_E试验有所不同。这很可能由于较湿的气候强迫使得开采试验Pmp_F与控制实验CTL_EF中上层土壤湿度差异较小，而由于开采试验中地下水位下降引起的土壤泄流量增加仍然存在，因此开采试验的平均土壤湿度相对较低。Pmp_F试验中，由于灌溉而增加的地表径流并不能弥补由于地下水位下降引起的次地表径流的减少。对于恢复试验Rst_F而言，各陆面变量的变化趋势与固定强迫的Rst基本一致。在完全停止开采活动使地下水自然恢复的过程中，地下水位将缓慢回升，增暖减湿的效应会在开始的十几年内出现并逐渐消失。与固定气候强迫的理想试验相比，采用变化气候强迫的理想试验表明，尽管不同气候强迫会在很大程度上影响陆面变量的变化幅度与速度，但不论气候强迫如何，陆面变量的变化趋势是基本一致的。图1（a）地下水储量差异的时间序列；（b）地下水位差异的时间序列；（c）总径流差异的时间序列；（d）2m高气温差异的时间序列；（e）平均土壤湿度差异的时间序列；（f）感热通量差异的时间序列；（g）潜热通量差异的时间序列4结论本文利用陆面模型CLM3.5，结合人类取用水模块，针对海河地下水严重超采现状，进行了不同水资源管理政策影响下的陆面模拟试验。试验结果表明，如果水资源开采活动以2000年的需求持续进行而不加以限制，地下水资源将随着开采活动的持续逐渐枯竭，其用水活动引起的增湿降温的效应会随着局地地下水资源的枯竭而逐渐削弱；而如果开采活动立即停止使水资源自然恢复，在前几十年内，与历史时期的冷湿效应相反，流域内将出现土壤变干、径流减少等现象。这一效应会随着地下水资源的缓慢恢复而逐渐消失，2m气温等地表要素恢复速度最快，而土壤湿度、地下水位等要素的恢复速度将随各自深度的增加而减缓。参考文献Liu, J., Zheng, C., Lei, Y. 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