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标题 气候变化情景下的地下水潜在补给变化影响分析
范文 卫文　陈宗宇



摘要：了解气候变化影响下的地下水潜在补给变化对于地下水资源的科学管理与评价是非常必要的。以栾城生态试验站为典型研究区，联合应用ClimGen天气发生器和地下水补给Visual HELP模型，对未来气候变化情景下的地下水潜在补给速率进行了评估。结果显示：在降水减少10%（P）、温度上升2℃（T）以及两者同时发生（P&T）三种情景下，未来（2011年-2040年）地下水多年平均补给速率相比基准（1961年-1990年）分别下降了23.33%、4.42%、26.01%，其中降水的减少对地下水入渗补给的影响尤为明显。该项研究对于指导地下水资源的科学管理与可持续开发利用具有重要意义。
关键词：气候变化情景；潜在补给；天气发生器；HELP模型；地下水资源管理
中图分类号：P641.8 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）05-0029-07
华北平原是我国重要的粮食、能源生产基地之一，地下水资源是当地社会经济可持续发展的重要基础保障。自20世纪70年代开始，对地下水资源的过量开采已引起一系列生态环境地质问题。近几十年来，以全球气候变暖为主要特征的华北区域水文循环特征产生了较大变化，降水入渗补给作为华北山前平原地下水的主要补给来源之一，已明显受到气候变化直接（降水）和间接（如，温度、地下水开采量等）的影响。目前已有的调查评价成果及制定地下水开发利用策略的依据主要是基于现状气候条件下的地下水资源更新能力评价，对于未来气候条件下的地下水补给研究相对较少，这势必会对地下水资源的科学准确评价造成一定的影响。因此，本文以华北山前平原栾城试验站为例，应用天氣发生器CLIM GEN模型模拟未来气候变化情景，并评价三种气候变化情景下地下水补给发生的变化，这对于地下水资源的科学管理与可持续开发利用具有重要指导意义。
1研究区概况
研究区位于华北山前倾斜平原滹沱河冲洪积扇，地理坐标范围为E114.2°-115.5°，N37.4°-38.5°（图1）。地形起伏不大，西部山前坡度约4‰～6‰，其他地区小于2‰。气候属暖温带半干旱季风气候区，区内多年平均气温为13.5℃，多年平均降水量为527.6 mm，降水多集中在6月-9月，占全年降水量的75%左右。滹沱河是研究区内主要河流，近些年来已基本干涸。降水入渗是该区地下水的主要补给来源，占总补给量的45%～64%。区内包气带岩性多由层状非均质黄色、黄褐色亚砂土、粉细砂、中粗砂及亚黏土等组成，降水入渗系数为0.2～0.4。其下伏含水层为第四系松散沉积物，岩性以粗砂、砾石、卵石为主，含水层垂向连续性好，从西部山前向东部，含水层介质颗粒由粗变细，总厚度为10～40 m，导水系数在西部山前为1000～5 000 m2/d，东部为100～300 m2/d。
本次研究场地选取为中国科学院栾城生态试验站，该站位于滹沱河山前冲积扇平原上，距石家庄市东南约25 km的栾城县，地理坐标为N37°53′，E114°41′，海拔50.1 m，占地面积约为28万m2，位置见图1。地下水动态变化主要受大气降水、灌溉水入渗和农业开采的影响。近年来，随着开采规模的不断扩大，地下水位急剧下降，区内浅层地下水位最大埋深达33 m，地下水位多年平均年下降速率约为0.7 m/a，巩其中农业开采已成为影响地下水位变化的决定因素。降水入渗补给是该区地下水的主要补给方式，研究气候变化（气温和降水）情景下的地下水补给变化，可为地下水资源评价及合理开发利用提供重要科学依据。
2 ClimGen天气发生器
2.1模型简介
天气发生器是气候变化影响评价的重要工具之一，在气候及极端事件模拟、SWAT模型气象要素构建等方面有着广泛的应用。目前，比较常用的天气发生器有WGEN、WXGEN、USCLI-MATE、CLIGEN、CLIMAK、ClimGen、SCEN GEN以及LARS-WG等。其中WGEN模型曾经是美国应用最为广泛的天气发生器，ClimGen模型是在WGEN模型基础上的修改和完善。因此，本文拟采用Clim Gen进行研究区气象模拟。该模型能够对降水，日最高和最低温度，太阳辐射，空气湿度和风速等参数进行模拟，详细的介绍可参阅相关文献。
2.2 ClimGen在研究区的适用性
对ClimGen模型生成的1961年-1990年逐日降水和气温数据进行了多年平均月值与年值统计，并与石家庄气象站1961年-1990年间逐日观测数据f数据源自中国气象数据网，http：∥data：∥cm a.cn/）的多年平均统计结果进行了对比（图2），从图2（a）中可以看出，除在降水集中的月份（5月，7月-8月）模拟降水量与实测略有差异外（但实际上相对误差较小），其余月份均与实测统计值基本一致，模拟的降水多年平均为549 mm，比实测值526 mm略偏高4.4%；对于日最高和最低气温的模拟来说，模拟的统计结果与实际的观测记录（图2（b））高度吻合。总的来看，ClimGen天气发生器对于研究区的气候模拟效果良好，这表明Clim Gen模型在研究区是适用的。
2.3未来气候情景模拟
对于未来气候变化的模拟，目前主要有两种途径：一种是通过降尺度（SDSM）的方法将全球大气环流模型GCM s的输出结果内插到研究区内；另一种是通过统计分析研究区的气候变化特征，并假设未来的气候条件遵循此变化规律，利用天气发生器来产生未来的气象条件。
由于研究区范围较小，本次研究采用第2种方法来构建未来气候变化情景，以研究区内石家庄气象站多年的观测数据统计特征为基础，结合前人在此地区的研究成果，例如，陈隆勋等根据中国160个站的气候资料分析结果显示华北地区20世纪80年代的平均温度比50年代升高了0.54℃；柳艳香等将IPCC温室气体排放情景输入GOALS4.0模型当中，结果显示到2030年华北地区冬季的增温幅度相比多年平均（1961年-1990年）上升了2.5℃左右；赵少华等利用Hargreaves模型对河北平原49个气象台站的逐月气象资料的分析结果显示：降水年变化呈线性下降趋势，下降速率为1.67mm/a；年平均气温均呈现线性增加趋势，增温速率为0.038℃/a。从而构建了本次研究的气候变化情景（表1），应用Climgen模型生成研究区未来（2011年-2040年）的逐日气象资料。
3 Visual HELP模型
基于HELP的垃圾填埋场水文优化设计软件，Visual HELP将最新版本的HELP模型与操作简便的界面和强大的绘图功能结合起来，用于构建地下水模型并评价模拟结果。
3.1基本原理
HELP模型最初是用来评价垃圾填埋场性能的水文评价，近些年来已被有效地应用于估算地下水补给速率。HELP模型采用数值模拟的方法来估算地表储水、融雪、径流、入渗、蒸散发、植被生长、土壤湿度储存以及各种工程对地下水补给的影响，模型的输入要素主要包括土地利用状况、土壤类型、植被分布以及地形地貌特征等。基本原理为水量均衡，模拟的天然水均衡成分包括降水、叶面截留、叶面蒸发、地表径流、土壤蒸发、植物蒸腾、融雪以及土壤剖面渗漏水等。模型数学表达式为：
式中：R为降雨入渗补给量；P为降雨量；D为径流量；ETa为实际蒸散发量；ΔW为土壤水增量。
3.2模型的影响因素
3.2.1土地利用图
土地利用的变化（LUCC）直接体现和反映了人类活动的影响程度，它对水循环过程的影响结果十分显著。本次研究采用的数字化土地利用图来源于“中国西部环境与生态科学数据中心”（http：∥westdc.westgis.ac.cn），是目前可获得的精度最高的研究区土地利用数据产品。详细的土地利用分类代码（表2）及结果见图3。
3.2.2土壤分类图
土壤、植被等与地下水关系密切，又对地下水的补给、径流与储集产生一定的影响。土壤类型受气候、地貌、植被、土壤母质、水文地质条件等诸多因素制约。本次研究依据河北省第二次土壤普查报告及河北土种志将研究区土壤划分为3个土类，7个亚类（表3），研究区土壤分类图见图4。
3.2.3植被分布
植被类型分布以及植物根系深度等因素均对地下水的入渗补给产生影响，并且植被的生长发育也与地下水关系密切。本次研究中假定地下水的蒸发深度为2 m，并根据土地利用状况来定义模型的输入参数叶面积指数LAI，给定：裸土LAI为0，植被覆盖茂密地区最大叶面积指数LAI为5。
3.3地下水补给区类型划分
在研究区DEM数字高程的基础上，将研究区的土地利用状况、土壤类型及其理化性质数据等在Arcgis平台下进行空间离散处理并进行叠加，进而可以将研究区划分为不同的补给类型区。叠加结果见图5。
4未来气候条件下的地下水潜在补给变化
4.1典型区模型构建
本次研究以中国科学院栾城农业生态试验站为典型区，该站土壤剖面的理化性质参数见表4。
基于上述土壤资料，在HELP模型中构建了地下水补给（土壤包气带水分运移）剖面图见图6。
4.2模型输出结果评价
以1961年-1990年逐日气象数据为基准，将ClimGen模型生成的3种气候变化情境（ P、T、P&T）气象数据分别输入到上述构建的HELP模型当中，输出结果见表5。由表5可见，典型区1961年-1990年的地下水多年平均入渗补给速率为144.07mm/a，这与河北省地下水资源评价报告的估算地下水补给强度122.7mm/a以及吴庆华等在栾城地区利用多区模型方法评价的补给速率124.3 mm/a基本吻合，这表明ClimGen和HELP模型在研究区是适用的。另外，三种气候情景P、T、P&T下的地下水多年平均补给速率相比1961年-1990年分别下降了33.62mm/a、6.37 mm/a和7.47mm/a。以百分比来看，降水减少10%时，地下水补给降低了23.33%；温度上升2℃时，地下水补给减小了4.42%；当两者同时发生时，地下水补给降低了26.01%，这表明降水量变化对研究区地下水多年平均入渗补给的影响较为明显，而气温变化对入渗补给的影响相对较弱。
5结论
（1）以石家庄气象站近50年来的气候变化统计分析结果为基础，结合前人的相关研究成果，构建了3个未来气候变化情景，分别为P（降水减少10%）、T（温度上升2℃）、P&T（降水减少10%，同时温度上升2℃）。
（21以1961年-1990年的实测气象数据为参考基准，输入到气候变化与地下水补给耦合模型中，结果表明该区地下水多年平均补给速率为144.1mm/a，这与前人在该地区的评价結果基本吻合，验证了该模型在研究区的适用性。
（3）地下水补给模型输出结果显示：未来气候情景P、T、P&T下的地下水多年（2011年-2040年）平均入渗补给速率分别为110.5 mm/a、137.7mm/a、106 6mm/a，与1961年-1990年相比分别下降了23.33%、4.42%、26.01%。其中降水量变化对研究区地下水入渗补给的影响较为明显，而气温变化对入渗补给的影响相对较弱。
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更新时间：2024/12/23 2:02:05