研究的目的、意义

 新闻资讯     |      2020-01-24 07:26

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  石家庄平原区是我国小麦主产高产区、华北平原浅层地下水超采最为严重的地区,以及气候变化和人类活动影响最为强烈的地区。自1972年发生区域性特大干旱以来,该区地下水开采量不断增大,累计超采量已超过180亿m3,地下水埋深已由20世纪60~70年代的10~15m,下降至目前的25~50m,地下水流场已由自然状态演变为“自然-社会”二元影响状态,纵向水流运动不断减缓,垂向水分通量交换不断增强,地下水流向已由自然状态下自西向东运动,转变为现状的由超采区四周向超采漏斗中心流动,严重影响了当地供水安全和经济社会的可持续发展。

  石家庄平原区近5年平均(供)用水量达27.03亿m3,其中地下水(开采)供水量24.29亿m3,占总供水量的89.86%;农业用水量22.98亿m3,占总用水量的85.02%。在地下水开采量中,农业开采量20.28亿m3,占总开采量的83.49%。相对多年平均地下水开采资源量(13.62亿m3),该区平均每年地下水超采量10.67亿m3。从石家庄市所辖的县区来看,除了石家庄市区和元氏县之外,其他县区地下水在当地总供水量中所占比率都在95%以上;新乐和行唐县的农业用水量占当地总用水量的97%以上,高邑、无极、藁城、晋州、辛集和赵县农业用水量占当地总用水量的80%以上。石家庄平原区农业用水比率最低的栾城县,为74.77%。这些县区农业灌溉用水,主要开采地下水,每年灌溉用水规模与气候变化密切相关。

  有关石家庄平原区地下水演变的研究成果较多,包括气候变化、土地利用、工业开采、农业灌溉和人工回灌调蓄等,尤其是有关地下水模型和数值模拟研究。但是,有关该地区地下水流场演变的阶段性特征、机制和尺度效应问题研究较少,而且在石家庄地区未来地下水位变化趋势研究中,多采用水文概率理念,依据历史资料,建立未来气象背景条件,尚没有从GCM模式研究中比选构建未来气候变化的情景。

  时间尺度效应是区域地下水演化研究中不应忽略的问题,与对所研究对象细节了解的水平和把握合理度密切相关。研究采用的时间尺度是否适宜,不仅影响对地下水演变特征及机制的认识深度,而且,影响对地下水演变过程的时间维及空间维的标识特征能否客观认识。因为尺度过小,不仅会增添不必要的繁重实物工作量,而且,还影响对长时间系列地下水流场演变规律和趋势的正确把握;尺度过大,某些阈值性特征可能会被掩盖或均化。区域性超采地区地下水流场演变过程和机制,是非线性耗散结构,存在混沌现象,需要寻找到适宜的时间尺度进行系统研究。只有适宜的时空尺度,才可能取得对地下水演化特征及其与主要影响因素之间的对应性、协调性和规律性的深入认识。

  因此,通过区域地下水流场演变特征的不同时间尺度效应研究,明确了适宜表达地下水流场演变特征与机制的时间尺度,揭示石家庄地区浅层地下水流场演变与气候变化和人类活动之间的量化关系、阶段特征及形成机制,构建可信的未来50年石家庄地区地下水流场演变的不同气候情景,并开展不同气候情景下区域地下水流场演变趋势研究,具有重要的研究意义,它对于石家庄地区缓解地下水超采和提高地下水资源可持续利用性具有重要作用。

  本书从历史气候变化对地下水流场演变的影响、百事彩票登录人类活动对地下水流场演变的影响、未来气候情景对地下水流场演变的预测分析和水循环演化尺度效应研究等四个方面,分别阐述与本研究有关的国内外研究现状。

  气温升高、降水量及降水类型等气候因素的改变均对地下水循环系统、地下水资源量及水质产生重大影响(Mahdiz et al.,2011;Bate et al.,2008;Timothy et al.,2011),降水量增大将使地下水资源量有所增大,而气温升高,降水量减少将使地下水资源量有所减少(Numan,2009;Elias et al.,2010),这种影响可能与土地利用变化有一定的相关关系(Christopher,2009)。

  徐宜亮等(2006)针对石家庄平原区地下水量变化与降水量的关系进行了研究,认为两者之间具有明显的相关性。Jacek et al.(2007)认为,气候变化条件下地表水与地下水存在相互影响,且气候变化对地表水资源的影响程度大于地下水资源源量(Riasat et al.,2012)。刘艳丽等(2012)对降水、气温等气候因素对水资源的影响强度进行了研究。

  气候变化与农业灌溉需水量之间关系密切,近50年来气候变化对我国农业用水量产生重大影响(吴普特,2010)。张光辉等(2006b,2013b)研究了华北平原农田区地下水开采量对降水变化的响应,认为区域农业开采量与年降水量之间存在互逆效应,即降水量增大农业开采量减少,降水量减少,农业开采量增大,滹沱平原区域降水量每减少100mm,农业开采量增加36mm。

  Zhou et al.(2010)认为气候变化不仅影响水资源量,而且影响农业灌溉水量,气温升高,降水量减少将使农业灌溉需水量增大。Yang et al.(2008)研究了我国华北地区气候类型转变与农业需水量之间的关系,认为近40年来华北地区气候类型从干热型向湿热型转变,农业水分亏缺量明显减少,但是并没有缓解该区的农业缺水程度。Yoo et al.(2012)以韩国8处灌区为例研究了气温升高对农业需水量的影响,认为2025年前该研究区作物需水量增加7.0%,2055年前增加9.2%,2085年前增加12.9%。

  气候变化是引起地下水开采量增大、地下水位下降的重要因素。张光辉等(2006b,2013b)的研究结果表明,河北平原年降水量增减的同时,同期地下水补给量与开采量呈互逆变化规律:年降水量变化通过地下水补给量减少与开采量增加或补给量增加与开采量减少的互逆耦合,对地下水系统水量均衡状态和水位变化影响强度加以累加,且在相同降水变量条件下旱化过程的影响强度大于雨量增加过程的影响,在连续枯水年份这种影响具有较大的潜在灾害性,滹滏平原地下水位下降不仅与地下水开采量有关,而且与该区降水量减少有关。Gh Jeelani(2008)也认为春季降水量的增减与地下水开采量之间呈逆相关关系。刘中培等(2012)认为,开采量增大和降水量减少是引起石家庄地区地下水位下降的主导因素,开采主要影响地下水位的年际变化,而降水主要影响地下水位的年内变化。

  近50年来,随着人类活动强度的逐步增大,研究区地下水流场发生了异变。王金哲等(2009b,2010)提出滹沱河流域平原研究区浅层地下水埋深整体大幅度下降的区域特征和从西部山前、北部河道带和东部向西南方向逐渐增加的分布特征,并进一步量化了人类活动和滹沱河流域平原区浅层地下水之间的关系,认为人类活动对浅层地下水的影响经历了从不占主导作用到逐渐占主导作用再到几乎完全占主导作用三个阶段。胡君春等(2011)也研究了近50年来石家庄地区地下水位演化特征。

  人类开采是地下水流场演变的主导因素。朱延华等(1995)用灰色关联度法分析了石家庄地区地下水位下降的主导因素,认为石家庄地区水动力环境演化受到开采量和降水量的双重影响,且开采量的影响大于降水量。许月卿(2003)认为近50年来引起太行山前平原地下水位持续下降的主要原因为开采,其次是河川径流和降水量,如果从供水水源角度分析,农业灌溉影响是该区地下水位下降的主导因素,其次是工业用水和生活用水。

  张光辉等(2008,2013b)认为人类开采是滹沱河流域平原区地下水流场发生异变的主导因素,地下水开采强度的持续增大引起该区地下水系统发生异变。1971年之前地下水系统处于平衡状态,之后由于地下水开采量持续增大,至1980年之后地下水系统严重失衡,降水量变化是地下水流场发生异变的另一个重要因素。

  李新波等(2008)认为地下水开采和种植业布局的转变是河北南部平原地下水位下降的主要原因,大量开采地下水用于农业灌溉是导致地下水疏干的主要原因(Ahmed et al.,2009)。刘中培等(2012)认为降水量增减通过减少(增大)农业开采量来影响地下水位变化,即丰水年份农业开采量减少,地下水位下降趋势得以有效缓解,枯水年份农业开采量增大,地下水位下降趋势加剧。

  王金哲等(2009a)认为间歇性过水条件下,河道过水对地下水的影响明显,且距河道越近,年际回升量越大,距河道越远,年际回升量越小。任印国等(2009)建立了石家庄东部平原区地下水系统的数学模型,并用Fellow软件进行了求解,预测了不同开采条件下地下水位的变化情况。孙晓林(2012)建立了滹沱河冲洪积扇地下水数值模型,得出了石家庄市区适宜地下水位在39~54m之间,藁城适宜地下水位在22~43m之间。

  水利工程的修建是影响地下水流场演变的重要因素。费宇红(1999)通过建立数学模型预测了黄壁庄水库副坝截渗对下游地下水系统的影响,认为截渗后坝下地下水位整体呈下降趋势,但不同地区降幅不同,其中鹿泉市下降幅度较大,百事彩票登录石家庄市区及鹿泉南部下降幅度较小,地下水降落漏斗将不断扩大(王宏等,2006),副坝防渗的截水量在6200万~6500万m3之间(贺鹏,2009),且越向下游、越靠近边界地带,截水量越小。

  Yang et al.(2002)认为,流域上游水利工程的修建是造成太行山前平原地下水位下降的重要原因,农业区每年必须减少180mm的灌溉用水,才能维持目前的地下水位,黄壁庄和岗南水库等大型水利工程建成后使滹沱河下游地下水的补给减少,从而导致该区地下水流场发生异变(王秀艳等,2006)。Juana et al.(2010)认为,流域上游水利工程的修建使白洋淀地表水径流量大幅减少,地下水开采尤其是农业开采是该区地下水位下降的主要原因。

  杜尚海等(2010)利用数值模型法模拟了南水北调工程调水区和受水区不同丰枯条件下地下水库的人工补水效果,认为石家庄平原区每年补水量在4.64亿~8.72亿m3之间。Shu et al.(2012)建立了太行山前平原地下水流场数值模型,认为南水北调工程可以缓解石家庄地区的用水压力,但不能从根本上解决整个区域地下水位的下降趋势,有效利用南水北调中线工程、污水灌溉和改变灌溉制度体系是解决地下水位下降的可行办法。

  地下水调蓄工程对地下水流场具有一定影响。孙桂平等(2000)、费宇红等(2002)、崔秋萍等(2011)和王宏等(2003)对石家庄地区地下调蓄库的位置、调蓄潜力、库容、可行性及效益进行了分析。张光辉等(2007b)在阐明地下水库调蓄库容的有关理念、评价原则和方法的基础上,揭示了南水北调中线石家庄受水区可利用地下水调蓄库容为19.11亿m3,并预测了在利用南水北调客水、减少开采量和利用当地雨洪进行地下调蓄的条件下,未来10年和30年地下水位和地下水降落漏斗面积的发展趋势。王志华等(2010)对滹沱河地下水库入渗试验成果进行了初步分析,得出动水条件下单位河长每天入渗量为38万m3,趋于稳定的单位河长每天入渗量为32万m3,单位面积每天入渗量为1.47m3;对滹沱河地下水库的建设条件进行了系统分析。于开宁(2001)以石家庄市为例研究了城市化对地下水补给的影响,认为城市化会降低大气降水对地下水的渗透补给,但城市化的最终结果是导致地下水补给量的增加。

  农业活动是地下水流场演变的重要原因之一。王贵玲等(2005)认为农业节水措施可有效缓解太行山前平原区的地下水位下降趋势。在不同水文年,降低灌溉满足率和提高灌溉水有效利用系数均能有效涵养地下水源,且改变灌溉满足率效果更为明显(彭致功等,2012),如果灌区节水灌溉率能达到50%以上,灌区平均地下水开采量减少量可达43mm(Xu et al.,2011)。谭秀翠等(2012)认为石津灌区净入渗水量峰值出现在5月,灌溉水是地下水的主要补给来源,渠灌区、井渠双灌区和纯井灌区的灌溉入渗补给系数分别为0.21、0.16和0.09。Yang et al.(2006)利用DSSAT软件模拟计算了华北山前平原小麦和玉米需水量对地下水位的影响,认为灌溉需水量每增加100mm,该区地下水位下降0.64m。

  Hu et al.(2010)认为农业开采量减少25%可以阻止石家庄平原区地下水位的持续下降,减少35%可以使地下水位恢复到1956年的水平。严明疆等(2012)以晋州地区井灌区为例研究了小麦、玉米生长季节降水量与地下水开采量的关系,认为在枯水年份降水量与地下水开采量关系明显,而在丰水年份开采量仅与小麦生长季节降水量有关。张光辉等(2013b)认为,滹滏平原地下水位下降与农业灌溉具有密切的相关关系。

  Yang et al.(2003)利用WAVES软件研究了气候变暖和降水量变化对太行山前平原区土壤含水量的影响,认为气温升高和降水量减少使土壤含水量急剧降低,在气温升高2℃的情景下,降水量需增加20%才能扭转土壤含水量的下降趋势。Neman(2009)以地中海西岸为例研究了气候变化对该区地下水补给量的影响,认为该区在气温升高6℃,降水量减少16%的情景下,地下水补给量可能减少50%。

  Elias et al.(2010)认为在气温升高3.3℃的情景下,伊利诺伊州水资源量可能减少13%。Li et al.(2010)利用SWAT模型研究了海河流域CCSR/NIES、CGCM2、CSIRO-Mk2和HadCM3四种大气环流模式在A2、B2排放情景下的水资源变化情况,认为该区水资源量变化阈值在-19.8%~37.0%之间,土壤水分含量变化阈值在-5.5%~17.2%之间,农作物蒸发量变化阈值在0.1%~5.9%之间。Christopher et al.(2011)的研究表明,在A2排放情景下到2080年英格兰中南部地区的地下水补给量将减少4.9%。

  陈皓锐等(2012)利用GMS-MODFLOW研究了河北省吴桥地区A1B、A2 和B1 三种气候情景下未来40年的地下水运动规律,认为未来40年虽然该地区降水量将分别增加4.1%、5.37%和3.86%,但是地下水位仍然以16.9 cm/a、18.5 cm/a和19.3 cm/a的速率下降。Mahdi et al.(2011)等研究了气候变化对阿塞拜疆东部水资源量的影响,认为在A1B、A2和B1三种气候情景下该区水资源量均急剧下降。Lucila et al.(2012)研究了气候变化对西班牙松斯纳拉地区水资源量的影响,认为在A2和B1排放情景下该区地下水补给量最大可减少18%。

  根据肖笃宁(1999)的尺度效应理论,水文过程的持续性与其采用的研究尺度关系密切,如果采用细尺度进行研究,水文过程会表现出较多细节信号,甚至可能出现剧烈波动,如果采用粗尺度研究水文过程则表现出较好的持续性。

  水文学和水文地学中的尺度问题,仍然是目前的前沿课题之一。高超等(2012)通过引入SWIM水文模型,将15种不同分辨率的DEM数据输入水文模型,发现DEM分辨率降低导致水文模型对降水等反应敏感。陈芬等(2012)运用分布式水文模型HEC-HMS,通过福建晋江西溪流域次降雨径流模型的尺度检验研究,认为随着时间尺度增加,降雨强度明显变化,导致峰现时间延迟。张东海(2013)基于SWAT模型水文过程的尺度效应分析,提出采样30~300m网格水平下,汉江上游地区土地利用格局变化对水文过程的影响不敏感,网格大于300m时土地利用格局变化影响相对明显,且对水文过程影响也进一步复杂化。李新杰等(2013)通过混沌理论和相间重构理论研究了不同时间尺度的径流序列混沌特性。张艳艳等(2012)对黄河下游平滩径流量进行了多时间尺度研究,认为存在5~6年和19~20年的周期变化过程。

  地下水流场演变特征在不同的时间尺度上有所不同,即存在一定的尺度效应。孙海清(2007)用小波分析得出:广饶县井灌区地下水埋深存在2年和6年尺度的变化周期,且与该区降水变化周期较为吻合。吴东杰等(2004)用小波分析,得出了北京市西郊区地下水动态变化的周期尺度特征。

  由以上研究成果可以看出,尽管目前已对石家庄地区地下水流场演变规律及演变动因进行了大量研究,但是这些研究多是从逐年(小尺度)降水、开采等某一因素或者降水和开采简单互动关系入手进行研究,缺乏从较大时间尺度,降水丰、枯交替周期变化尺度入手研究气候变化、人类活动和地下水流场演变之间的定量关系,从而揭示研究区地下水流场演变的机制机理。本书从地下水流场演变的尺度效应入手,通过合理划分标识该区地下水流场演变的阶段性特征,识别影响流场演变的主导因素,揭示该区地下水流场演变的机制机理。本书采用小波变换、地下水系统水量平衡原理和相关分析等研究方法,深入研究不同时间尺度下石家庄平原区地下水流场演变特征,进一步定量分析气候变化和人类活动对该区地下水流场演变的影响机理,构建未来50年该区地下水流场演变的不同气候变化情景,并对未来50年研究区不同气候情景下的地下水位变化趋势进行预测分析。