地表水地下水聯(lián)合耦合模擬進(jìn)展

張永雷+許玉鳳+潘網(wǎng)生

摘要 地表水與地下水相互作用的耦合模擬在一個(gè)地區(qū)水資源的開(kāi)發(fā)利用與管理中是十分重要的。本文梳理并分析了地表水與地下水耦合模擬中的主要問(wèn)題、主要方法以及地表水地下水聯(lián)合調(diào)度的主要策略，認(rèn)為分布式水文模型對(duì)較長(zhǎng)時(shí)空跨度的地表水與地下水水文循環(huán)進(jìn)行耦合是未來(lái)水文模擬的重要方向，以流域?yàn)槌叨鹊牡乇硭叵滤?lián)合模擬調(diào)度將成為提高水資管理水平、保障水資源安全的重要手段，隨著人類(lèi)活動(dòng)的不斷加大，流域整體水循環(huán)模擬必須綜合考慮人類(lèi)活動(dòng)的影響。

關(guān)鍵詞 地表水；地下水；耦合模擬；聯(lián)合調(diào)度；數(shù)學(xué)模型

中圖分類(lèi)號(hào) P641 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）24-0153-03

Summary on Joint Coupled Simulation of Surface Water and Groundwater

ZHANG Yong-lei XU Yu-feng PAN Wang-sheng

（School of Tourism and Resources Environment，Qiannan Normal University for Nationalities，Duyun Guizhou 558000）

Abstract The coupling simulation of the interaction between surface water and groundwater is very important in the development，utilization and management of water resources in a region.This paper combed and analyzed the main problems，methods，and strategies in both the coupling simulation and joint scheduling of surface water and groundwater，considering that the use of distributed hydrological model to simulate the hydrological cycle in long span of time and space between the surface water and the groundwater was an important direction in the future；To jointly simulate and deploy the surface water and the groundwater under watershed scale would become a key method in improving the management level and ensuring the safety of water resources；With the increasing human activities，its impact to the overall water cycle simulation of the basin must be taken into account.

Key words surface water；groundwater；coupling simulation；joint scheduling；mathematical model

水是生命之源，水資源短缺已成為全球性的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在地球上總水儲(chǔ)量中，海水和其他咸水占97.47%，淡水僅占2.53%，其中人類(lèi)真正可以利用的地表水和淺層地下水僅占全球總水儲(chǔ)量的0.3%[1]。我國(guó)人口眾多，水資源短缺問(wèn)題尤為嚴(yán)峻，水資源緊缺的城市已超過(guò)550個(gè)，2014年人均水資源不足2 000 m3，遼河、黃河、長(zhǎng)江、淮河等7大水系水污染嚴(yán)重，人均淡水資源量只相當(dāng)于世界人均淡水資源量的1/4[2-3]。在嚴(yán)峻的水資源情勢(shì)下，提高水資源利用率和有效治理水污染已成為整個(gè)社會(huì)的共識(shí)，受到人們尤其是學(xué)者和政府機(jī)構(gòu)的高度重視。在我國(guó)，可以利用的淡水資源主要有淺層地下水和以河流水、湖泊水為代表的地表水，而河流、湖泊等水體的污染減少了可利用水資源數(shù)量，加劇了水資源緊缺，已成為制約經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要瓶頸并曾引起嚴(yán)重的生態(tài)和社會(huì)問(wèn)題[4]；隨著工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的深入發(fā)展，地表水污染向地下延伸成為另一個(gè)顯著特征，正在逐步危及地下水利用的可持續(xù)性[5]。

要提高水資源利用的可持續(xù)性，把地表水和地下水納入統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌管理是可行方法之一，也是未來(lái)提高水資源可持續(xù)利用的必由之路[6]。因此，了解并追蹤地表水和地下水耦合模擬和調(diào)度的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和研究熱點(diǎn)，對(duì)于科學(xué)把握我國(guó)未來(lái)水資源情勢(shì)的變化、有效制定相關(guān)政策措施以保證水資源的安全與可持續(xù)利用具有重要意義，同時(shí)對(duì)于遏制一個(gè)地區(qū)地下水位下降和生態(tài)退化也有重要的現(xiàn)實(shí)意義[7]。

1 地表水地下水耦合模擬的主要問(wèn)題

在以流域?yàn)槌叨鹊乃难h(huán)中，地表水和地下水密切關(guān)聯(lián)的統(tǒng)一整體，地表水和地下水的循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系是探究流域尺度水循環(huán)和計(jì)算水量收支必須首先明確的問(wèn)題[8]。研究地表水和地下水的循環(huán)與轉(zhuǎn)化關(guān)系以及聯(lián)合調(diào)度是對(duì)流域水資源進(jìn)行綜合利用的重要一環(huán)[9]。無(wú)論國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，早期的研究往往把地表水與地下水分別作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行研究，割裂了地表水和地下水的聯(lián)系，導(dǎo)致地表水與地下水的交換被忽視，對(duì)流域水資源的綜合利用產(chǎn)生了不利的影響[10-11]。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，在制定流域水資源利用規(guī)劃時(shí)，研究人員始終將地表水和地下水納入統(tǒng)一的整體進(jìn)行考慮[12]，近些年對(duì)河流水與沿岸淺層地下水的相互影響模擬較多[13]，人類(lèi)活動(dòng)影響下流域整體水循環(huán)的模擬研究相對(duì)較少，水循環(huán)的演變和水資源的調(diào)度管理缺乏長(zhǎng)時(shí)空尺度的綜合模擬，這在人水矛盾突出、生態(tài)環(huán)境脆弱的干旱區(qū)內(nèi)陸河流域表現(xiàn)得尤為明顯[14]。endprint

隨著溫室氣體排放所帶來(lái)的一系列升溫效應(yīng)，氣候變暖對(duì)一個(gè)地區(qū)的水文水資源的影響也愈加引起眾多學(xué)者的重視，與之相關(guān)的研究如冰川對(duì)升溫的響應(yīng)、氣候變化對(duì)河流—綠洲生態(tài)系統(tǒng)的影響等被置于越來(lái)越重要的地位并引起政府的高度重視。在干旱區(qū)地內(nèi)河流域，靠河流維系的綠洲水文過(guò)程與生態(tài)過(guò)程成為研究的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，河流改道或斷流對(duì)生態(tài)與地下水位埋深的影響，以及地下水位與沿河生態(tài)對(duì)于河道輸水的響應(yīng)成為研究的核心問(wèn)題[15-17]，氣候變暖導(dǎo)致極端水文事件的增多與流域內(nèi)地表水地下水管理分割、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)不足、開(kāi)發(fā)利用失控等問(wèn)題相疊加，使流域水資源情勢(shì)比較嚴(yán)峻，加之河流水在山前沖積扇和沖積平原上向地下水的轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)綠洲生態(tài)環(huán)境影響顯著，一些學(xué)者由此提出了建立地表水與地下水統(tǒng)籌調(diào)度模式、建立地表水地下水統(tǒng)一管理機(jī)構(gòu)的建議并被政府采納[18-19]。在農(nóng)灌區(qū)，由于化肥的大量使用，引河水灌溉的余水含有大量礦物溶質(zhì)，通過(guò)田間入滲反補(bǔ)地下水造成地下水礦化度增加、水質(zhì)惡化，水資源利用的可持續(xù)性受到干擾[20]。

與資源性缺水情況明顯的干旱區(qū)不同，濕潤(rùn)地區(qū)降水量較豐富，資源性缺水狀況不甚明顯，水資源問(wèn)題主要是以水體污染、水資源浪費(fèi)以及管理不當(dāng)所導(dǎo)致的可利用水水資源減少，即水資源的結(jié)構(gòu)性緊缺[18，21]。在一些平原地區(qū)，人類(lèi)活動(dòng)改變了地表水和地下水的穩(wěn)定氫氧同位素的比例，導(dǎo)致河流水水化學(xué)類(lèi)型在人類(lèi)活動(dòng)影響下由上游的Na-HCO3型和Ca-Mg-HCO3型向中下游的Ca（Mg）-Cl（SO4）型演化[22]。河水中的污染物質(zhì)通過(guò)下滲與側(cè)向入滲進(jìn)入傍河淺層地下水并在地下水中累積，引起傍河地下水較為嚴(yán)重的污染，加大了水污染治理的難度[23]，這種現(xiàn)象在其他流域也具有一定的普遍性。人口增加和農(nóng)業(yè)發(fā)展使用水量成倍增加導(dǎo)致地表水資源出現(xiàn)短缺，人們大量開(kāi)發(fā)利用地下水，由于缺少長(zhǎng)期的和嚴(yán)密的規(guī)劃，地下水超采嚴(yán)重，一些地區(qū)出現(xiàn)水位下降、地下水漏斗和地面下沉等問(wèn)題，造成較大的物質(zhì)財(cái)富損失，一些學(xué)者認(rèn)為這些地區(qū)必須統(tǒng)籌管理和調(diào)度地表水與地下水才能最大程度發(fā)揮水資源潛力，緩解用水壓力，保障用水安全[24]。

當(dāng)一個(gè)地區(qū)的水資源不足時(shí)，跨地區(qū)或跨流域調(diào)水是解決方法之一，但效果有限，已有的事實(shí)表明，在地勢(shì)比較低平的地區(qū)，外來(lái)調(diào)水可以季節(jié)性地改善溝渠水和溝渠附近淺層地下水的水質(zhì)，而對(duì)深層地下水和坑塘水水質(zhì)則無(wú)明顯的改善作用，而且調(diào)水對(duì)溝渠水水質(zhì)的改善僅體現(xiàn)在調(diào)水時(shí)節(jié)，對(duì)淺層地下水水質(zhì)的改善則明顯滯后[25]。更令人憂(yōu)心的是，不少地區(qū)與之有關(guān)的科學(xué)研究明顯滯后，水資源開(kāi)發(fā)利用管理術(shù)推廣和升級(jí)依舊困難，在一些巖溶地區(qū)，相關(guān)的研究主要集中在水資源安全度評(píng)價(jià)、水體礦化度、城市地表水地下水交換等方面，對(duì)于河流與淺層地下水相互作用、地表水地下水的聯(lián)合調(diào)度等方面的研究較少[26-29]。

2 地表水地下水耦合模擬方法及趨勢(shì)

2000年之后，采用數(shù)學(xué)模型對(duì)地表水地下水的循環(huán)轉(zhuǎn)化關(guān)系進(jìn)行耦合模擬已成為普遍的做法[30-33]。目前，在研究河流與沿岸淺層地下水相互關(guān)系方面，基于達(dá)西定律的研究方法應(yīng)用最廣，該方法包括壓力水頭觀測(cè)、解析解法和數(shù)值模型法等[30]。此外，直接水量測(cè)量、間接實(shí)驗(yàn)法、水量平衡法等方法也有比較廣泛的應(yīng)用。在以流域尺度的水循環(huán)研究中，綜合地表地下水的數(shù)學(xué)模型受到青睞，這類(lèi)模型能分布式地模擬流域地表水文過(guò)程及地下水的運(yùn)動(dòng)，模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)耦合較好。數(shù)學(xué)模型與軟件平臺(tái)的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的耦合模擬，比如，Larocque等[34]利用HydroGeoSphere模擬了不同情景下含水層的地下水流動(dòng)，Spanoudaki[8]則建立了耦合三維地表水和三維地下水的IRENE模型，采用半顯示和顯示有限差分求解地表水方程和地下水方程。數(shù)學(xué)模型可以與解析解法結(jié)合使用并通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證[35-36]。目前，數(shù)學(xué)模型在精度、穩(wěn)定或收斂性問(wèn)題等方面也存在一些問(wèn)題[37-38]，然而無(wú)論是從區(qū)域尺度還是流域尺度研究河流與淺層地下水的循環(huán)與轉(zhuǎn)化，數(shù)學(xué)模型均是最主要的選擇對(duì)象[30，39]。

國(guó)內(nèi)對(duì)研究方法的采用多借鑒和改造國(guó)外方法，其中示蹤理論法的原理以及傳統(tǒng)示蹤法與溫度示蹤法在地表水地下水相互作用的識(shí)別和量化方面應(yīng)用較廣[40]，根據(jù)驅(qū)動(dòng)力—壓力—狀態(tài)—影響—響應(yīng)概念查模型構(gòu)建水資源安全評(píng)價(jià)框架，運(yùn)用多級(jí)模糊綜合評(píng)判法和熵權(quán)法可以定量計(jì)算水資源安全度綜合指數(shù)，并初步分析水資源安全度的影響機(jī)制[27]；在地表水—地下水的相互轉(zhuǎn)化方面，基于同位素水文學(xué)的研究方法在研究河流水與地下水的轉(zhuǎn)化關(guān)系方面有較多的應(yīng)用[41]，通過(guò)水樣品采取分析測(cè)定，采用端元法可以定量計(jì)算地表水地下水相互轉(zhuǎn)化的比例[22]；基于排隊(duì)理論建立灌區(qū)渠系優(yōu)化配水模型可以比較真實(shí)地反映用于灌溉的地下水水量隨時(shí)間變化的不確定性[42]，改進(jìn)的分布式水文模型（SWAT）模型與模塊化地下水動(dòng)力模型（MODFLOW）相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)灌區(qū)地表水—地下水分布式模型的耦合，不僅可準(zhǔn)確模擬地表水水文過(guò)程、地下水動(dòng)力過(guò)程和地下水動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，還可用于預(yù)測(cè)一個(gè)地區(qū)地表水和地下水轉(zhuǎn)化規(guī)律的改變和構(gòu)建以流域?yàn)槌叨鹊牡乇硭c地下水耦合模型[24，43-44]，而將水量分配效益模型、地下水位控制模型、輸沙效果模型三者相結(jié)合，并通過(guò)分層序列法將模型逐步優(yōu)化，則可以得到綜合考慮輸沙效果及地下水水位控制的水量?jī)?yōu)化配置方案[45]。

3 地表水地下水聯(lián)合調(diào)度的主要策略

在水資源調(diào)度方面，進(jìn)行流域地表水和地下水的聯(lián)合調(diào)度成為國(guó)內(nèi)外水資源管理的普遍的重要策略[14，25，46-47]。利用GAMS平臺(tái)建立以流域?yàn)槌叨鹊牡乇淼叵滤?lián)合調(diào)度優(yōu)化模型，可以評(píng)估在人類(lèi)活動(dòng)影響下水庫(kù)水位的變化對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)變化的影響；對(duì)于受人類(lèi)控制較為強(qiáng)烈的河流如干旱區(qū)內(nèi)陸河，生態(tài)輸水的目的是改善河流的水文情勢(shì)和下游退化的生態(tài)環(huán)境并在農(nóng)業(yè)用水和生態(tài)用水之間取得協(xié)調(diào)，包含水文—生態(tài)—社會(huì)—經(jīng)濟(jì)等因素的綜合水資源模型可以用于制定流域水量分配計(jì)劃[48]，基于邊際效益相等原則建立的水量?jī)?yōu)化配置模型，能夠較好地反映生態(tài)系統(tǒng)對(duì)不同生態(tài)輸水情景的響應(yīng)，為調(diào)節(jié)生態(tài)輸水時(shí)空分配提供參照[49]。通過(guò)求解綜合水文—經(jīng)濟(jì)—政策的地表水—地下水優(yōu)化調(diào)度模型，可以得到不同生態(tài)流量約束下的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的損益表，進(jìn)而協(xié)調(diào)生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的平衡發(fā)展。endprint

國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)不同地區(qū)的現(xiàn)實(shí)情況也提出了較為系統(tǒng)完備的地表水地下水聯(lián)合調(diào)度方案：鄧銘江等[47]提出氣候干旱、降水稀少的地區(qū)可采用建設(shè)山間凹陷、山前凹陷和深覆蓋河谷3種地下水庫(kù)相結(jié)合的方式，地表水地下水聯(lián)合調(diào)度，以地下水庫(kù)調(diào)蓄為主的開(kāi)發(fā)模式；雍 會(huì)等[19]認(rèn)為完善流域與區(qū)域的地下水資源管理法規(guī)體系完善源流與干流地下水資源管理體制也是統(tǒng)籌管理地表水與地下水的重要舉措；孔曉樂(lè)等[25]通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)華北平原等半濕潤(rùn)平原地區(qū)采用調(diào)水、淺層地下水、坑塘水混合灌溉可以滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)的用水需求，并使淺層地下水水質(zhì)得到一定必善，深層地下水水位得到一定恢復(fù)；陳志兵等[50]和羅 美等[26]提出在西南喀斯特巖溶地貌區(qū)，地表破碎導(dǎo)致水資源蓄積困難，地下水的開(kāi)發(fā)利用可采取打井、建造小水柜水池以及修筑部分水利工程設(shè)的方式，但是地下水的開(kāi)發(fā)必須把其所在的打井深度、流量、地下地質(zhì)與當(dāng)?shù)厝丝?、?jīng)濟(jì)、生態(tài)環(huán)境等緊密結(jié)合起來(lái)才能較好地統(tǒng)籌地表水地下水的聯(lián)合調(diào)度；井柳新等[51]在分析了我國(guó)有關(guān)地表水地下水相互轉(zhuǎn)化、污染物在地表水—地下水系統(tǒng)中的運(yùn)移等方面的研究后認(rèn)為，要統(tǒng)籌規(guī)劃地表水—地下水的污染防治，建立健全水環(huán)境監(jiān)測(cè)體系，深化地表水—地下水水質(zhì)水量相互轉(zhuǎn)化研究，構(gòu)建地表水—地下水水源地聯(lián)合風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)，加大地表水—地下水污染防治科研投入，多管齊下，才能保障飲水安全。

4 結(jié)論

（1）較短時(shí)空尺度的水循環(huán)模擬往往無(wú)法反映長(zhǎng)期水循環(huán)規(guī)律，長(zhǎng)期規(guī)律運(yùn)行下的水循環(huán)演變規(guī)律需要在較長(zhǎng)時(shí)空尺度下進(jìn)行綜合模擬才具有意義。隨著人類(lèi)活動(dòng)的不斷加強(qiáng)，人類(lèi)活動(dòng)對(duì)流域整體水循環(huán)規(guī)律的影響是不容忽視的，因而流域尺度的整體水循環(huán)模擬必須綜合考慮人類(lèi)活動(dòng)的影響。

（2）地表水地下水聯(lián)合模擬調(diào)度決策離不開(kāi)數(shù)學(xué)模型的支持，分布式流域水文模型對(duì)一個(gè)地區(qū)地表水和地下水相互作用的耦合模擬具有較高的精度，采分布式水文模型對(duì)較長(zhǎng)時(shí)空跨度的地表水與地下水水文循環(huán)進(jìn)行耦合應(yīng)是未來(lái)水文模擬的重要方向。

（3）以流域?yàn)槌叨鹊牡乇硭叵滤?lián)合模擬調(diào)度可以為水資源的合理開(kāi)發(fā)利用提供決策支持，也將為治理水污染提供新的思路和方法，隨著水資源緊缺程度的加深和水安全問(wèn)題的突出，地表水地下水聯(lián)合模擬調(diào)度將成為提高水資管理水平、保障水資源安全的重要手段。

（4）總體來(lái)講，國(guó)外多以模型的應(yīng)用和優(yōu)化為地表水地下水的可持續(xù)利用和高效管理提供決策支持，國(guó)內(nèi)則以工程措施和法律法規(guī)及信息平臺(tái)建設(shè)為地表水地下水的聯(lián)合調(diào)度與高效管理提供參考。

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