引 言快播伦理电影网
华北地区以仅占天下4%的水资源，相沿了天下25%的东谈主口和27%的GDP。华北平原是中国的食粮主产区之一，约70%的水资源被用于农业灌溉。为孤高社会经济快速发展、东谈主口增长和农业灌溉对水资源的需求，近几十年来地下水被多数超采。上世纪90年代末，华北平原地下水位的下落速率已达1 m/年，使其成为寰球地下水资源损失最严重的含水层之一。河北省是华北地下水超采最严重的省份，变成了包括“高蠡清-肃宁”和“宁柏隆”(浅层地下水)和“冀枣衡-南宫-沧州”漏斗(深层承压水)在内的中国最大的区域地下水漏斗。地下水超采导致河谈干涸、湖泊湿地萎缩、海水入侵、地下水质恶化等生态环境问题。
为缓解华北水资源穷乏与社会经济发展的矛盾，我国在2002年批复实施南水北调工程，计分离别从长江卑劣(东线)、中游(中线)和上游(西线)向朔方调水。中线工程调水源区为位于长江最大支流汉江中上游的丹江涎水库，一期联想平均年调水量为95亿m3(通水日历2014年12月12日)。收尾2021年7月，南水北调中线工程累计调水400亿m3，跟着相关配套工程的实施，调水量逐年教养，超越1.2亿东谈主受益，极地面编削了华北的给水阵势。与此同期，国度积极实施节水和地下水超采玄虚解决等政策。此外，景色变化/波动引起的降水变化也会影响地下水储量变化。降水算作地下水补给的径直开头可影响地下水资源量，同期也可通过编削东谈主类对地下水的使用强度(如在干旱年份更多地下水将被斥地)曲折影响地下水储量变化。
南水北调中线输水、用水减少为华北地下水储量的领路和规复提供了要紧机会，然则各身分对大范围地下水储量领路和规复的影响进程和孝顺，以及畴昔用水、调水和煦象情景下地下水储量的变化趋势尚不清澈。为此，清华大学水利系杨文婷、龙笛(通信作家)、张才金、韩忠颖与国表里同一者，通过发展和搭建包含调水和各部门用水行动的高空间分辨率(1 km)水文模子，模拟和预估了2005-2050年地下水储量的变化，系统分析了调水、用水、景色对华北平原地下水储量的影响。商讨后果近期以“Human Intervention Will Stabilize Groundwater Storage across the North China Plain”为题，发表于水文水资源畛域巨擘期刊Water Resources Research。
概 述
本商讨基于课题组不停发展和改进的高空间分辨率(1 km)CWatM模子，聚积华北地区生存、工业和农业用水等数据，同期洽商南水北调中线输水对华北供用水结构的影响和煦象变化，模拟、分析和预估了华北平原(本商讨界说为海河流域平原区，图1)在历史时分(2005-2018年)和畴昔时分(2019-2050年)的地下水储量变化。领先，模拟了历史时分华北平原地下水储量，使用非附近排序遗传算法NSGA-II和多目的函数，以实测地下水位聚积含水层参数得到的地下水储量变化为参照，对CWatM模子进行率定。在此基础上对畴昔时段地下水储量变化进行预估。主要智力包括：(1)使用分位数映射法对第六次海外耦合模式相比计划(CMIP6)中四个景色模式的降水进行阅兵；(2)对2019-2050年缔造三种调水情景D1-D3，凭证水源区年径流量和受水区水资源量，在D1(低调水量)和D2(高调水量)中洽商了2031-2050年调水量的年际变化；(3)缔造四种用水情景，包括凭证用水强度和用水部门畛域的历史变化推演的适度用水情景(CTRL，97 mm/年)，以及三种分享社会经济旅途下的用水情景SSP1(118 mm/年)、SSP2(143 mm/年)和SSP3(151 mm/年)；(4)缔造两种降水情景，包括CMIP6下四个景色模式输出的畴昔降水情景(CMIP6降水情景，多年平均降水量532 mm/年)，以及与历史时分多年平均降水景色态交流且无年际波动的降水情景(PC降水情景，多年平均降水量543 mm/年)。
图1. 海河流域暗示图。包括南水北调中线通晓和商讨区主要城市、水库和水井散播
驱散标明，在用水减少和调水、降水的共同影响下，华北平原畴昔地下水储量加多可达150 mm(20 km3) (HiRAM降水-CTRL用水-D2调水)。若是2019-2050年用水接续加多且不进行调水，在CMIP6降水情景下，华北平原地下水储量可能会减少695 mm(92 km3)(SSP3用水)。调水工程的运转格式(动态调水或领路调水)对地下水储量影响不大，而多年平均调水量对地下水储量的影响较大。2019-2050年用水减少和调水可分别使2050年华北平原地下水储量加多573 mm(76 km3)和144 mm(19 km3)。用水减少、调水、降水波动对2019-2050年地下水储量规复的最大孝顺分别为73%、37%和32%。上述驱散标明，用水减少对华北平原地下水储量的领路表现决定性作用，景色变化下南水北调中线输水对华北生存和工业用水以及地下水储量的领路将永恒表现要紧相沿作用。
商讨行径
领先，聚积CMIP6四个景色模式预估的畴昔降水情景数据，凭证南水北调中线工程计划的多年平均调水量，以及丹江涎水库以时髦域在调水当年的入库流量以及受水区的水资源总量，联想具有年际变异性的动态调水有计划；第二，聚积历史时分的用水统计数据，预估畴昔时分华北平原生存、工业和农业三个用水部门的用水强度、用水范围和用水量。同期，遴选三种分享社会经济旅途SSP1、SSP2和SSP3下使用寰球水文模子预估的华北平原用水情景数据；第三，使用CMIP6下四个景色模式的降水情景数据以及多年平均景色态下的降水情景驱动模子，分析畴昔景色变化/波动导致的地下水储量的影响。在缔造的调水、用水和降水情景基础上，通过不灾祸景组合，预估调水、用水和降水影响下畴昔华北平原地下水储量的变化，量化不同身分对地下水储量变化的孝顺(图2)。
图2 商讨经过图
本商讨使用分位数映射法，对景色模式输出的2019-2050年日降水进行阅兵(图3)。分位数映射法的六种调理行径包括三个参数型调理EXPASYMAT、LINEAR和POWER，两个基于训戒积蓄散播函数的非参数型调理QUANT(Empirical quantiles)和RQUANT(Robust empirical quantiles)，和基于三次样条插值的非参数型调理SSPLIN(Smoothing spline)。
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图3 华北平原CMIP6降水阅兵驱散暗示图
为了在复杂水文情势下从水源区向受水区合理调水，已毕水资源高效期骗和调水效益最大化，本商讨联想了洽商调水量年际变异性的动态调水有计划(图4)。动态调水有计划洽商由于降水的时空变异性，南水北调中线工程水源区和受水区可能出现枯-丰(如水源区为枯水年而受水区为丰水年)、丰-丰和枯-枯遭受等情景。动态调水有计划主要洽商同庚内水源区的入库径流量和受水区的水资源总量分别相对多年平均水平的各异，聚积南水北调中线工程计划的多年平均调水量贪图每年的本色调水量。
图4 华北平原2019-2050年D1、D2和D3调水有计划下在CNRM、GFDL、HiRAM和MRI降水下的调水情景
本商讨缔造四个用水情景预估畴昔华北平原地下水储量变化，分别为在三种分享社会经济旅途SSP1、SSP2和SSP3下，寰球水文模子预估的生存和工业用水情景(SSP1，SSP2和SSP3用水情景)，以及基于华北平原历史时分(1993-2018年)用水强度和用水范围变化揣测的畴昔生存、工业和农业灌溉用水变化情景(Control，CTRL用水情景)(图5)。CTRL情景代表与历史时分各部门用水变化趋势相关的畴昔用水情景，畴昔用水范围和用水强度的变化趋势基于历史时分的变化趋势拟合外推得到。
图5 华北平原2005-2050年CTRL、SSP1、SSP2和SSP3用水情景下的
(a)生存用水、(b)工业用水、(c)农业用水和(d)总用水量
本商讨缔造两种降水预估情景，包括： (1)CMIP6降水情景(基准降水情景)。CMIP6降水情景使用的降水数据来自CMIP6下的四个景色模式输出的景色情景数据(以下凭证四个景色模式的首字母分别简称为CNRM，GFDL，HiRAM和MRI)。(2)PC降水情景(Precipitation climatology)。为评估畴昔降水变化对地下水储量的影响，本商讨缔造无景色波动的PC降水情景。在PC情景下，2019-2050年的日降水量缔造为2005-2018年日降水的多年平均景色态，同期保证每年降水量保管与历史时分多年平均降水量一致(543 mm/年)，且降水的空间散播保握与历史时分多年平均景色态的日降水一致。
商讨驱散
CWatM模拟的2005-2018年华北平原地下水储量变化(GWSA-CWatM)，与地下水位不雅测数据推寻的地下水储量变化(GWSA-observed)、寰球陆面模子GLDAS-2.2 CLSM模拟的地下水储量变化(GWSA-GLDAS)、重力卫星GRACE反演的地下水储量变化进行相比(图6)。模拟效果流露，GWSA-CWatM和GWSA-observed的相议论数r为0.80，GWSA-CWatM的变化率为-14.5 mm/年(CWatM-observed为-14.9 mm/年)，模子进展较好。GWSA-CWatM与GWSA-GRACE的相议论数r为0.79，与GWSA-GLDAS之间的相议论数r为0.90，标明GWSA-CWatM与重力卫星不雅测和陆面同化系统的驱散有较好的一致性。
模拟的2005-2018年地下水储量总体呈下落趋势。其中，2014年降水量偏低(393 mm/年，2000-2007年较为干旱时分多年平均降水量487 mm/年；2005-2018年多年平均降水量543 mm/年)，使2014-2015年地下水储量显耀下落。但2015-2018年地下水储量下落减缓。CWatM模子在2015-2018年地下水储量的模拟中洽商了调水的影响，在降水(2015-2018年多年平均降水551 mm/年)、用水减少和调水的影响下，地下水储量下落速率较2015年以前有所减缓，但尚未到达采补均衡状态。
图6 华北平原2005‒2018年CWatM模拟(GWSA-CWatM)、不雅测(GWSA-observed)、
陆面同化系统GLDAS-2.2 CLSM(GWSA-GLDAS)和GRACE反演的地下水储量距平。
灰底浮现南水北调中线调水时段
本商讨在不同调水、用水和降水组合情景下预估畴昔地下水储量变化，分三组洽商(CTRL、SSP和PC组，图7)，以分别评估调水、用水和降水对地下水储量的影响。总体来看，跟着调水工程的运转和用水减少(CTRL用水情景)，畴昔地下水储量可已毕总体领路。若是畴昔用水握续加多(SSP3，最大用水)且莫得调水(NoWaterD)，地下水储量将被接续多数铺张(最大损失75 km3)。在降水最高(HiRAM，多年平均降水605 mm/yr)，用水最少(CTRL情景)和调水(D2)情景下，畴昔地下水储量最大可规复150 mm(20 km3)。
图7 2005-2018年华北平原地下水储量模拟驱散以及2019-2050年不灾祸景组合下地下水储量变化预估驱散。
(a)CTRL组；(b)SSP组和(c)PC组
为量化调水、用水和降水对地下水储量的影响，本商讨礼聘了2050年末地下水储量最小(PC-SSP3-NoD)和最大(HiRAM-CTRL-D1)情景，以及一系列适度变量的中间情景，相比不同身分对地下水储量的影响(图8)。通过相比各情景下模拟的2050年末地下水储量，量化各身分对地下水储量领路的孝顺。总体来看，用水减少(SSP3用水情景对比CTRL用水情景)、调水(D1情景对比无调水情景NoD)和降水(PC情景对比HiRAM情景)，对地下水储量规复的孝顺最高可分别达73%、37%和32%(图8第一列箭头)；最低分别为42%、12%、11%(图8第三列箭头)。在量化调水、用水和降水三个身分中的其中一个身分(如用水减少)对地下水储量变化的孝顺时，其他两个身分(是否调水和降水条款)会影响该身分对地下水储量变化的孝顺。在可期骗水资源较少(无调水或PC降水情景)的情况下，用水加多对地下水储量减少的影响更为显耀。
图8 调水、用水和降水对地下水储量变化孝顺暗示图。图中绿、红和蓝线分别浮现调水、用水和降水的孝顺，交流线型(实线或虚线组)为自左向右相比的指向(如虚线组PC-SSP3-NoD与PC-CTRL-NoD，PC-CTRL-NoD与HiRAM-CTRL-NoD，HiRAM-CTRL-NoD与HiRAM-CTRL-D1相比)
结 语
践诺节水时间、实施相关用水政策对领路华北平原地下水储量至关要紧。同期，南水北调中线调水可在一定进程上缓解华北用水弥留和地下水储量损失所在。本商讨对景色变化和强东谈主类行动干扰下华北水资源治理和南水北调后续工程高质料发展具有参考价值，也可为评估寰球其他调水工程(如好意思国加州北水南调、科罗拉多河调水等)对地下水储量的影响提供模仿。
上述商讨是继课题组开展华北特大型城市北京地下水储量历史演变和畴昔预估商讨(Long et al. 2020, Nature Communications)的延续和深入。在不同空间范例，地下水储量的变化特征、适度身分、畴昔趋势有所不同。在调水、用水和煦象变化综同一用下，北京等城市地下水储量畴昔规复的进程更为显耀，给水和生态安全气象得以不停改善，但需洽商地下水回升导致的地盘盐碱化、地下空间渗漏、轨谈交通安全隐患等问题；在华北平原范例，地下水储量到2050年可已毕总体领路。但由于顶点天气景色事件(如干旱、热浪)影响，地下水储量将会在某些时段接续呈下落趋势。顶点天气景色事件对水源区和受水区的影响需进一步商讨。节水和调水等东谈主为干扰对维系华北地区水资源和生态安全将永恒表现基础性相沿作用。
变化环境下的水资源治理靠近新情况和新问题，亟待水文科学表面和行径的更动以提供相沿。海外水文科学协会(IAHS)第二个十年计划(2013‒2022)主题为“变化的水文和社会”(Panta Rhei)，在昔时近十年中对水文科学商讨起到了要紧的引颈作用。算作课题组永恒戮力于攻关的方针之一，刚劲新水情下华北平原地下水储量的演变轨则及畴昔变化，不仅为鼓励IAHS第二个十年计划的商讨提供表面泉源和鲜美案例，也对京津冀协同发展等国度和区域发展政策的实施道理道理要害。围绕这一畛域的国表里相关商讨后果为刚劲强东谈主类行动干扰下地下水储量的领路规复机理提供了表面相沿，也为华北地下水超采玄虚解决、南水北调后续工程高质料发展、探明寰球其他含水层水资源的演变轨则提供参考。
本商讨得到国度当然科学基金、科技部重心研发课题等花式的支握。获取著作详备内容可点击阅读原文。
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著作联结：https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2021WR030884
裁剪：龙笛、杨文婷
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