周 琳 汪 林
(中国水利水电科学研究院 流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国 北京 100038)
【摘 要】南水北调中线工程通水后，海河平原区因水源置换与地下水压采，供水格局发生转变。基于水资源转化动态模拟模型MODCYCLE，在对2001～2010年现状地下水动态平衡模拟分析的基础上，设置不同供水方案情景，量化模拟未来浅层地下水的动态响应。结果表明：供水格局变化后，随着降水入渗量和地表灌溉渗漏量增加，地下水总补给量有所增加；随着人工开采量的减少，地下水总排泄量减少；地下水补排关系改善但仍呈现负均衡。研究可为今后建立海河平原区地下水合理开采模式提供依据，促进区域地下水可持续管理。
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关键词 海河平原区；MODCYCLE模型；浅层地下水；动态响应；供水格局
※基金项目：水利部公益性行业科研专项（201001018）。
作者简介：周琳（1990—），女，河南洛阳人，硕士研究生，研究方向为水资源综合利用与调控。
０ 引言
海河平原区是我国经济发展的重要区域，地下水一直是主要供水水源，且供水比重也呈稳定增长趋势，近年来更高达66%。自80年代以来，在需水量迅速增加和降水衰减的共同作用下，海河平原区已经成为南水北调受水区地下水超采最为严重的区域[1]。长期无序过量的开采地下水资源，导致海河平原区地下水储量大量消耗，区域地下水水位持续下降，并引发严重的地面沉降、海水倒灌、水质污染等环境地质问题[2]。为确保未来海河平原区地下水的可持续利用，保障区域稳定健康发展，多年来学术界一直将当地地下水评价与研究作为关注热点。
韩瑞光研究建立了海河平原区浅层地下水概念模型，并提出今后模型建设建议[3]。费宇红等通过研究海河平原区地下水储量消耗过程，指出该区域地下水可开采利用的潜力已经十分有限，从长远看南水北调是解决缺水的理想途径[4]。何杉采用水量平衡的方法，研究分析了南水北调实施后，地下水开采量的减少与入渗补给量的增加，将促使海河平原浅层地下水局部得到恢复[5]。杜思思等联合运用MODFLOW与水资源配置模型ROWAS，模拟了有无南水北调两种对比情景下海河平原区地下水的演变[6]。
以上研究通过数据分析与模型模拟等方法对海河平原区的地下水资源作出了评价，但作为模拟情景水文条件的水文系列较短，考虑的情景方案较少。为从更完整的角度验证工程达效对海河平原区地下水循环恢复所起的作用，本文基于分布式水文模型MODCYCLE，结合多个典型的供水格局情景进行海河平原区地下水的详细模拟与动态响应分析。
1 海河平原区MODCYCLE模型的构建与验证
MODCYCLE模型是基于“自然——社会”二元特性开发的分布式水循环模拟模型[7]，充分考虑到对自然水循环过程与人工水循环过程的双重体现[8]，可用于人类活动干扰明显的海河平原区水循环系统的模拟量化。为保证水循环模拟的完整性，本文通过MODCYCLE构建海河流域水资源转化动态模拟模型，研究和辨析现状2001～2010年海河平原区浅层地下水动态平衡；选取5个代表性水资源配置方案，模拟预测不同水文系列条件（1956～2000年平水系列、1980～2005年近期枯水系列）和南水北调工程实施情况（南水北调中线工程一期达效、二期达效和加大中线一期引水20%）下海河平原区浅层地下水动态响应。
1.1 模型数据输入
按DEM将海河流域划分为2028个子流域，其中平原区子流域1165个。地下水数值模拟以4km为间距划分网格单元，有效单元格8383个。模拟气象数据采用收集的46个气象站点实测数据展布。地下水水位根据550个浅层地下水位观测井和210个深层地下水位观测井的观测数据插值计算。水文地质参数根据海河流域水文地质调查数据展布。
１.2 模型率定与验证
模型以2001～2005年为率定期，2006～2010年为验证期。考虑到海河流域水循环特性，选取地下水位、地下水蓄变量为验证指标。
1.2.1 地下水位检验
图1所示为2010年末（验证期末）的实测与模拟浅层地下水位等值线对比，从整体上看，模拟与实测地下水位等值线具有可比性，山前及中部地下水开采密集区的地下水位等值线变化幅度大。
1.2.2 浅层地下水蓄变量检验
2001～2010年海河流域浅层地下水蓄变过程统计值（根据2001～2010年《海河流域水资源公报》分析整理）与模拟值对比如图3。从蓄变模拟结果看，蓄变过程在变化趋势上一致。经计算得，浅层地下水蓄变量模拟与统计值之间相关系数为0.96，相关程度较高。
从总体上看，对于海河流域这种大空间尺度和长时期的水循环模拟研究，目前的率定验证结果基本满足要求。
2 地下水平衡现状与模拟情景设置
２.1 2001～2010年现状浅层地下水动态平衡
模拟现状年时段海河平原区浅层地下水年均补给总量约193.66亿m3。其中降水入渗量占总补给量的67.0%，为最主要的补给来源；灌溉渗漏补给量占8.7%。浅层地下水年均排泄总量223.52亿m3，其中农业灌溉开采量占总排泄量的49.7%；其次是工业、生活、生态等非农业开采量，占总排泄的27.4%。
2.2 供水格局主要特征
在规划水平年“三生”需水量规模和可供水量上限确定的前提下，未来海河流域供水格局的变化与水资源合理配置方案密切相关。
本次综合考虑五维属性[9]协调，以《海河流域水资源综合规划》基于1956～2000年系列（长系列）的推荐方案F1为基本方案。但考虑到该系列对流域近期水资源情势反映不足，故以1980～2005年系列（短系列）作为对比情景，最终确定了长系列方案F1、F2、F3和短系列方案F4、F5共5个典型水资源配置方案，即供水格局变化方案。方案特征概述如表1：
2.3 供水格局情景模拟
南水北调中线工程通水后，2020年海河流域将引入长江水量79.2亿m3，2030年117.5亿m3。工程达效后5个推荐方案不同水平年的主要供水量的组成情况见图3：地下水仍是供水主体，次为外调水和当地地表水。未来该区外调水（含引黄水）供水量将增多，地下水用水幅度随之减小。
浅层地下水和外调水（含引黄水）的分配情况见图4：地下水的大用水户仍然是农业灌溉，外调水主要满足工业生产与城镇生活用水，满足经济生产需求后，可置换一部分地下水超采量，用于农业灌溉用水和修复生态环境用水，缓解现状地下水的开采压力。
３ 供水格局变化后地下水动态响应
通过上述已建模型，预测供水格局改变后海河平原区各配置方案不同水平年浅层地下水的水平衡统计结果，从中提取浅层地下水年均补给、排泄、蓄变量的关系见表2。补排状况如下：
降水入渗量仍是浅层地下水的最主要的补给来源，与现状相近；引江水量主要通过衬砌渠道和管道输送到用水户，故河道渗漏补给量长、短系列差异不明显，且与现状平均值接近；地表水灌溉量比例增加，与地下水灌溉开采比例减少使得灌溉渗漏补给量均大于现状平均值；浅层地下水总补给量短系列与现状平均值接近，约190亿m3，长系列比短系列大约12亿m3，其中降水入渗补给量和地表灌溉渗漏量的增加为主要影响因素。
平原区地下水人工开采量仍占据排泄量较高比例，但均不同程度小于现状平均开采量，尤其是其他开采量（工业/城镇、生活、生态等）明显减少；不同方案的潜水蒸发量波动较大，但均大于现状平均值；浅层地下水向深层地下水越流排泄量迅速减小，长系列略大于短系列；浅层地下水总排泄量均小于现状平均值224亿m3，人工开采量的减少是关键因素。
5 结论
本文基于分布式水文模型MODCYCLE，对海河平原区地下水水循环过程进行分项体现。选取综合考虑气候条件变化与南水北调工程共同作用的5个典型水资源配置方案为背景，比较了不同水平年与现状海河平原区浅层地下水补给与排泄结构的变化，以及海河平原区浅层地下水蓄变与埋深的发展变化趋势，并简要分析了主要影响因素。主要研究结果如下：
（1）海河平原区浅层地下水总补给量与现状相比有所增加，主要原因在于随水文系列和供水格局的变化，降水入渗量和地表灌溉渗漏量增加；（2）浅层地下水总排泄量相对现状年有所减少，原因在于人工开采量得到控制；（3）供水格局改变后，海河平原区浅层地下水仍将处于负蓄变状态，但与现状年情况相比程度已有较大和缓。
研究表明：南水北调工程通水能够改善当地地下水循环失调的现象。未来需继续推进工程配套建设，充分发挥工程效益以减缓与遏制地下水环境恶化的趋势。研究采用的水资源动态转化模型可考虑作为今后海河平原区地下水管理的日常分析工具，提高区域地下水管理的科学性、针对性和实效性。同时，研究结果可为进一步建立海河平原区地下水合理的开采调控模式提供参考。
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参考文献
［１］刘昌明．发挥南水北调的生态效益修复华北平原地下水[J]．南水北调与水利科技,2003,1(1):17-19．
［２］费宇红,李惠娣,申建梅．海河流域地下水资源演变现状与可持续利用前景[J]．地球学报,2001,22(4):298-301．
［３］韩瑞光．海河流域平原区浅层地下水模型初步研究[J]．海河水利,2002(6):15-16．
［４］费宇红,张光辉,曹寅白等．海河流域平原浅层地下水消耗与可持续利用[J]．水文,2001,21(6):11-13．
［５］何杉．南水北调工程实施条件下海河平原浅层地下水恢复前景分析[J]．海河水利,2003(2):20-25．
［６］杜思思,游进军,陆垂裕,等．基于水资源配置情景的地下水演变模拟研究:以海河平原区为例[J]．南水北调与水利科技,2011,9(2):64-68．
［７］张俊娥,陆垂裕,秦大庸,等．基于MODCYCLE分布式水文模型的区域产流规律[J]．农业工程学报,2011,27(4):65-71．
［８］王润东,陆垂裕,孙文怀．MODCYCLE二元水循环模型关键技术研究[J]．华北水利水电学院学报,2011,32(2):33-36．
［９］甘泓,汪林,曹寅白,等．海河流域水循环多维整体调控模式与阈值[J]．科学通报,2013,58(12):1085-1100．
［责任编辑：邓丽丽］