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地下水开采对海河流域水循环过程影响的模拟

文档作者：姜姗姗1 占车生2 王会肖1 富可荣3 王飞宇2 文档来源： 1．北京师范大学水科学研究院 2．中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环与地表过程重点实验室 3．水利部海河水利委员会 4．中国科学院大学		点击数：	更新时间： 2025年08月31日
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第14卷第4期
2016年8月
南水北调与水利科技
South-to-North Water Transfers and Water Science&amp;amp;Technology
V01．14 No．4
Aug．2016
黧燃旦出!暨i兰芏重
DOI：10．13476／j．cnki．nsbdqlk．2016．04．009
姜姗姗，占车生，王会肖，等．地下水开采对海河流域水循环过程影响的模拟[J]．南水北调与水利科技，
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)
地下水开采对海河流域水循环过程影响的模拟
姜姗姗1，占车生2，王会肖1，富可荣3，王飞宇2“
(1．北京师范大学水科学研究院，北京100875；2．中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环
与地表过程重点实验室，北京100101；3．水利部海河水利委员会，天津300170；4．中国科学院大学，北京100049)
摘要：利用分布式时变增益水文模型(DTvGM)的产流机制改进CLM3．5(Community Land Model version 3．5)的
水文过程参数化，同时嵌入地下水开采对流域水循环影响的模块，并考虑经济社会用水，建立能够描述流域自然一
人文过程的大尺度陆地水循环模型(CLM—DTVGM)。以地下水开采严重的海河流域为研究区，以中科院青藏高原
研究所建立的中国区域高时空分辨率地面气象要素数据集作为大气强迫驱动，针对海河流域1980年一2010年的
水循环过程进行模拟，分析地下水开采活动对流域水循环过程的影响。结果表明：地下水开采活动引起海河流域地
表径流和土壤湿度整体有所减少，蒸散发则呈增加趋势，且各水循环要素空间分异较大。
关键词：海河流域；陆面过程；地下水开采；水循环；模拟研究
中图分类号：P641 文献标志码：A 文章编号：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，FU Ke-rongs，WANG Fei—yu2’4
(1．College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing 100875，China；
2．K纠Laboratory of Water Cycle Relate k积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．and 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．and 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 网络出版时间：2016-06—22
网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／13．1334．Tv．20160622．1043．002．html
基金项目：国家重点基础研究发展计划项目(2015CB452701)；国家自然科学基金面上项目(41271003；41371043)
Fund：National Basic Research Program of China(2015CIM52701)；National Natural Science Foundation of China(41271003；41371043)
作者简介：姜姗姗(1988一)，女，河北保定人，主要从事气候变化对水文水资源的影响研究。E-mail：jiangshanshan@mail．bnu．edu．cn
通讯作者：占车生(1975一)，男，湖北黄冈人。副研究员，主要从事水文水资源方面研究。E-mail：zhancs@igsnrr．ac．cn
·54· 水文水资源
万方数据
姜姗姗等·地下水开采对海河流域水循环过程影响的模拟
近年来，人类对水资源的开发利用日趋广泛，极
大地扰乱了自然水循环过程。尤其在地表水资源量
无法满足用水需求或地表水污染严重的地区，持续
开采地下水不但会造成地面沉降、湿地减少、海水入
侵以及地下水污染，而且会导致陆地水资源的枯
竭[1{]，同时由于更多的水分被抽取至地表，引起局
地土壤湿度和地面温度的变化，进而影响水循环过
程F3。7]。因此，考虑地下水开采活动对流域水循环影
响研究是十分必要的。
已有很多学者就地下水开采活动对水循环的影
响进行了研究探索：束龙仓和Xunhong Chen以内
布拉斯加州普拉特河谷为例，采用Visual MODF—
LOW研究了地下水开采对河流流量衰减的影响，
认为地下水位高出河水位的值越大，抽水对河流
基流量减少的影响越明显，对河流渗漏增加的影
响微弱嗍；贾仰文等综合考虑水文气象、地下水开
采、南水北调等因素的影响，建立了海河流域二元
水循环模型，得出不同规划水平年水资源管理推
荐方案[9。1叫；王中根等针对海河流域的地下水超采
问题，利用较为成熟的流域地表水模型SWAT与
地下水模型MODFLow构建了海河流域地表水
与地下水耦合模型，用于评估地下水开采对流域
水资源的影响[11。。这些模型主要基于水量平衡，
侧重于对降雨径流和水分收支的模拟与计算，缺
乏对能量平衡的考虑，无法表达陆气界面的水气
能量交换过程u 2|。虽然水文模型研究在耦合社会
经济水循环、嵌人人类活动模块方面有了一定进
展，但是为了适应全球气候变化研究，水文模型还
需要从大尺度和高精度模拟方向进行新的突
破[13]。陆面过程模式作为水文模型和气候模型联
系的桥梁，可以作为大尺度水文模型发展的基础。
耦合陆面过程模式和水文模型可以保留水文模型
的水量平衡模拟方法，尤其是产汇流过程等，而能
量平衡、植被作用等采用陆面模式参数化方案进
行描述，以此改善陆面模式对水文过程描述的不
足，提高模式模拟预报的精度。
由于受到地下水农业灌溉、河道取用水等高强
度人为活动的影响，海河流域地表产汇流非线性特
征明显，水文过程模拟的不确定性较大。夏军等[14]
结合水文非线性系统方法与分布式流域水文模拟技
术自主研发了一种分布式时变增益水文模型
(DTVGM)，其特点在于能模拟人类活动影响下的
降雨、径流等水文变量之间非线性关系[1 5。，对下垫
面实时反应能力较强，尤其在海河、黑河、黄河等半
干旱一半湿润流域的模拟效果较好，且计算消耗
小[16]。因此，本研究利用DTVGM的产流机制改
进CLM3．5的产流过程，同时嵌入地下水开采对流
域水循环影响的模块，并考虑经济社会用水，构建能
够描述流域自然一人文过程的大尺度陆地水循环模
型(CLM．DTVGM)，然后以中国科学院青藏高原研
究所基于Princeton再分析数据建立的一套中国区
域高时空分辨率地面气象要素数据集作为大气强迫
驱动，设置两种模式(无人类活动影响S1和仅考虑
开采地下水S2)，对海河流域过去30年的地表径
流、蒸散发和土壤湿度进行模拟，分析地下水开采活
动对海河流域水循环过程的影响。
1研究区和数据介绍
1．1研究区
海河流域(图1)位于东经112。一120。,北纬35。一
43。之间，总面积约31．8万km2。按照流域西北
高，东南低的地势，大致可分高原、山地和平原三
种地貌类型。流域西部和北部的高原及山地占流
域总面积的60％，流域东部和南部以农田为主，也
是主要的人口居住地，占流域总面积的40％。海
河流域多年平均降水量为539 l'nln，自20世纪50
年代以来，降水总体上呈现逐步减少的趋势。流
域年平均气温为10．8℃，年内变化较为平缓。海
河流域作为严重的资源性缺水地区，水资源供需
矛盾十分突出，用不足全国1．3％的水资源量，承
担着全国11％的耕地面积和lo％人口用水任务
[1 7|。由于流域内地表水资源非常匮乏，主要通过
开采地下水进行灌溉，区内已形成大范围常年性
浅层地下水位降落漏斗，地下水超采是地下水位
下降的主导原因[18]。近50年来，海河流域累计超
采地下水高达1 900亿m3，目前地下水年开采量
约占流域总供水量的2／3[19]。大范围超采活动已
使海河流域地下水处于不可持续状态，严重威胁
该地区的可持续发展。
图l海河流域
Fig．1 The Haihe River Basin
水文水资源·55·
万方数据
第14卷总第85期·南水北调与水利科技·2016年8月
1．2数据介绍
已有的可用于陆面过程模式输入的再分析数据
产品，在中国区域上往往存在着系统偏差，如以
Princeton数据。因此，本研究采用中国科学院青藏
高原研究所开发的中国区域的长时间序列、高时空
分辨率的陆面模式驱动数据，简称ITPCAS数据
集。该套数据以国际上现有的Princeton再分析资
料、GEWEX-SRB辐射资料以及TRMM降水资料
为基础，利用中国气象局常规气象观测数据进行校
正以消除系统偏差，并通过空间降尺度的方式，得到
最高时间分辨率为3 h、最高水平空间分辨率为
0．o的再分析数据(包含近地面气温、近地面气压、
近地面空气比湿、近地面全风速、地面向下短波辐
射、地面向下长波辐射、地面降水率)[2 0|，可以满足
国内陆面过程研究的需要。
经济社会数据为2000年的数据。其中人口、
GDP、农田面积数据是基于国家统计局城市社会
经济调查总队编纂出版的《中国城市统计年鉴
2000))，并由中国科学院资源环境科学数据中心
(www．resdc．cn／english／default．asp)处理为分辨
率1 km×1 km的栅格数据。这组数据在本研究
中被处理为0．25。×0．25。的分辨率，以适应陆面
模式的要求。
工业、生活和农业的单位用水数据来自《中国水
资源公报2000》(表1)，并且在流域内保持固定不变。
表1 2000年需水量统计值
Tab．1 Water demand statistics in 2000 亿m3
2研究方法
2．1模型介绍
CLM3．5模式是NCAR发布的新一代陆面过
程模式，是在CLM3．0的基础上对陆面参数和水文
过程加以改进，引进并完善了径流、地下水、碳循环
和冻土过程，其具体物理过程在文献中有较为详尽
的描述I-zvz2]。CLM3．5原有的地表产流采用TOP—
MODEl。模型中的SIMTOP参数化方案，即根据蓄
满产流和超渗产流的机制来计算，其中关键参数是
计算单元的饱和因子，其依赖表层土壤的不透水面
积，计算较为复杂。
本研究采用DTVGM模型的时变增益因子来
改进CLM3．5中的产流模型，即考虑降雨径流的非
线性关系，以及产流过程中土壤湿度不同引起的产
·56· 水文水资源
流量变化，通过时变增益因子简化了水文循环系统
的输入输出之间复杂的非线性关系，达到与一般
Volterra泛函级数相同的模拟效果。
DTVGM模型地表产流模型计算方法如下：
R—G(￡)P(￡) (1)
式中：G(￡)为时变增益系数；P(f)为降雨量(mm)；R
为地表水产流量(mm)。
G∽确(鬻)＆ (2)
式中：g。、g：是时变增益因子；w(￡)为土湿，即土壤
含水量(ram)；w。为土壤饱和含水量(mm)。考虑
利用菲利普下渗公式计算的平均下渗量为
F—Ff(品)n1=K,At(高)“ ㈤
式中：Ff是出时段稳渗量(mm)；K，是土壤饱和状
态的稳渗率(mm／d)；At是计算的时段(d)；咒，是模
型指数参数，与土壤特性等下垫面条件有关，一般在
1．0左右。考虑扣除下渗后的地表产流为
R一一』JP‘‘’一F P‘‘’≥!‘川 (4)
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