分析海河流域地表水与地下水耦合模拟

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1、第30卷第11期地理科学进展Vol.30,No.112011年11月PROGRESSINGEOGRAPHYNov.,2011海河流域地表水与地下水耦合模拟1121,21,2王中根，朱新军，李尉，罗燏辀，张明华(1.中国科学院地理科学与资源研究所陆地水循环及地表过程重点实验室，北京100101；2.加州大学戴维斯分校陆地-大气-水资源系，美国95616)摘要：近10年来海河流域地下水超采严重，急需加强流域地表水与地下水统一管理。地表水与地下水的耦合模拟研究是实现流域地表与地下水资源综合管理的重要支撑。本文探讨了当前3种不同的地表水与地下水耦合方式，基于现有数据条件和应用管理的需求，提

2、出了将成熟的流域地表水SWAT与地下水MODFLOW模型进行松散耦合的技术框架，并构建了海河流域地表水与地下水耦合模型。在流域地表空间上，根据流域特性和管理需求，划分了283个子流域和2100个水文响应单元(HRU)；在平原区地下空间上，基于15个大的岩性分区剖分出若干个4km×4km网格。通过GIS平台，建立流域地表水与地下水计算单元的转换关系。并利用1995-2004年水文气象数据进行验证分析，取得较好模拟精度。该耦合模型不仅能够支撑流域现状管理，而且可用于气候变化与南水北调工程对流域水资源影响评估分析。关键词：地表水；地下水；耦合模拟；海河流域1引言与地下水资源的统一规划和管

3、理提供数据与技术支撑。海河流域是中国七大流域之一，人口密集，也当前关于流域地表水与地下水的模型很多，从是中国重要的粮食生产基地。海河流域多年平均研发的角度可分为两大类：①科学模型；②管理模水资源总量372亿m3(1958-1998年)，人均水资源占型。科学模型一般结构比较复杂，具有很完备的物有量293m3，不足全国平均水平的1/7和世界平均理基础和边界条件，主要为科研与教学服务，在实[4]水平的1/24，远低于人均1000m3的国际水资源紧际应用中很难满足其数据要求，如SHE模型。管缺标准，属于严重资源性缺水地区。海河流域以不理模型相对比较简单，是在科学模型研究基础上经足全国1.3

4、%的水资源量，承担着11%的耕地面积和过进一步的抽象和概化形成的，具有较少的数据需10%人口用水任务，水资源供需矛盾十分突出[1-2]。求和较强的适应性，但模拟精度也相对较低，如[5]受气候变化和人类活动影响，近50年来海河SWAT模型。因此，本文探讨的海河流域地表水3与地下水耦合模型，主要定位于管理模型的开发，流域累计超采地下水高达1900亿m(据《中国水资源公告》)。目前地下水年开采量约占流域总供水面向实际应用需求服务。[3]由于水循环自身的复杂性，以及赋存方式和运量2/3，持续超采已经使海河流域地下水处于不可持续状态，加强海河流域地表水与地下水的统一管动状态的不同，长期以来地

5、表水和地下水的运动规理十分紧迫。律与模拟研究，分别在各自相对独立的领域中开[6-13]目前海河流域主要基于历史和现状的观测数展。关于地表水与地下水耦合模型研究，从耦据对地表与地下水资源进行评估和管理，然而实际合结构上可以分为3类：①松散耦合类型。如以集上常规观测数据十分有限，大多数地区仍处于无资总式模型为基础的传统“四水”转化模型，主要考虑料或少资料状态。此外，有限的观测数据反映的只水量的交换，没有考虑流域水循环过程和空间的变是已经发生的情况，对于未来的变化与规划，需要异性。②紧密耦合类型。以现代流域分布式模型依靠具有一定物理机制的流域地表水与地下水耦框架为基础，在结构设计上融合了

6、地表水与地下水合模型来进行模拟和情景分析，为流域地表水资源模块，能够很好反映流域水循环的时空分布特性，收稿日期：2010-07；修订日期：2010-11.基金项目：国家自然科学基金项目(40701027，40730632)；水利部公益性行业科研专项经费项目(200701005)。作者简介：王中根(1973-)，男，博士，副研究员，主要从事流域水循环模拟与水资源管理研究。E-mail:wangzg@igsnrr.ac.an1345-1353页1346地理科学进展30卷但是受数据条件和计算量的限制，该类模型目前大并不实用。主要受到数据条件、模拟计算量、不同多还停留在科学模型研究阶段，离

7、实际应用还有很水文尺度融合和多参数率定、模型不确定等诸多问[12]长的路要走。③半松散耦合类型。主要是将目前题影响，使其可靠性与模拟精度很难保证。因比较成熟的流域分布式(或半分布式)地表水模型与此，在现阶段流域地表水与地下水耦合管理模型的成熟的地下水模型，通过相关参变量和输入输出文开发，比较提倡将应用成熟而且功能完善的流域分件进行耦合。该类模型虽然在理论上存在一定缺布式地表水模型(如，SWAT)与地下水模型(如，陷，但是具有很高的应用灵活性，是现阶段真正能MODFLO