引言
华北地区以仅占全国4%的水资源，支撑了全国25%的人口和27%的GDP。华北平原是中国的粮食主产区之一，约70%的水资源被用于农业灌溉。为满足社会经济快速发展、人口增长和农业灌溉对水资源的需求，近几十年来地下水被大量超采。上世纪90年代末，华北平原地下水位的下降速度已达1m/年，使其成为全球地下水资源亏损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，形成了包括“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。地下水超采导致河道干涸、湖泊湿地萎缩、海水入侵、地下水质恶化等生态环境问题。
为缓解华北水资源短缺与社会经济发展的矛盾，我国在年批复实施南水北调工程，规划分别从长江下游(东线)、中游(中线)和上游(西线)向北方调水。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口水库，一期设计平均年调水量为95亿m3(通水日期年12月12日)。截至年7月，南水北调中线工程累计调水亿m3，随着相关配套工程的实施，调水量逐年提升，超过1.2亿人受益，极大地改变了华北的供水格局。与此同时，国家积极实施节水和地下水超采综合治理等政策。此外，气候变化/波动引起的降水变化也会影响地下水储量变化。降水作为地下水补给的直接来源可影响地下水资源量，同时也可通过改变人类对地下水的使用强度(如在干旱年份更多地下水将被开采)间接影响地下水储量变化。
源自星球研究所
南水北调中线输水、用水减少为华北地下水储量的稳定和恢复提供了重要契机，然而各因素对大范围地下水储量稳定和恢复的影响程度和贡献，以及未来用水、调水和气候情景下地下水储量的变化趋势尚不清楚。为此，清华大学水利系杨文婷、龙笛(通讯作者)、张才金、韩忠颖与首都师范大学潘云、中国水科院雷晓辉、国际应用系统分析研究所YoshihideWada、PeterBurek、美国德克萨斯大学BridgetScanlon、堪萨斯大学JamesButler等国内外合作者，通过发展和搭建包含调水和各部门用水活动的高空间分辨率(1km)水文模型，模拟和预估了-年地下水储量的变化，系统分析了调水、用水、气候对华北平原地下水储量的影响。研究成果近期以“HumanInterventionWillStabilizeGroundwaterStorageacrosstheNorthChinaPlain”为题，发表于水文水资源领域权威期刊WaterResourcesResearch。
概述
本研究基于课题组不断发展和改进的高空间分辨率(1km)CWatM模型，结合华北地区生活、工业和农业用水等数据，同时考虑南水北调中线输水对华北供用水结构的影响和气候变化，模拟、分析和预估了华北平原(本研究定义为海河流域平原区，如图1所示)在历史时期(-年)和未来时期(-年)的地下水储量变化。首先，模拟了历史时期华北平原地下水储量，使用非支配排序遗传算法NSGA-II和多目标函数，以实测地下水位结合含水层参数获得的地下水储量变化为参照，对CWatM模型进行率定。在此基础上对未来时段地下水储量变化进行预估。主要步骤包括：(1)使用分位数映射法对第六次国际耦合模式比较计划(CMIP6)中四个气候模式的降水进行校正；(2)对-年设置三种调水情景D1-D3，根据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)中考虑了-年调水量的年际变化；(3)设置四种用水情景，包括根据用水强度和用水部门规模的历史变化推演的控制用水情景(CTRL，97mm/年)，以及三种共享社会经济路径下的用水情景SSP1(mm/年)、SSP2(mm/年)和SSP3(mm/年)；(4)设置两种降水情景，包括CMIP6下四个气候模式输出的未来降水情景(CMIP6降水情景，多年平均降水量mm/年)，以及与历史时期多年平均降水气候态相同且无年际波动的降水情景(PC降水情景，多年平均降水量mm/年)。
图1研究区
结果表明，在用水减少和调水、降水的共同影响下，华北平原未来地下水储量增加可达mm(20km3)(HiRAM降水-CTRL用水-D2调水)。如果-年用水继续增加且不进行调水，在CMIP6降水情景下，华北平原地下水储量可能会减少mm(92km3)(SSP3用水)。调水工程的运行方式(动态调水或稳定调水)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。-年用水减少和调水可分别使年华北平原地下水储量增加mm(76km3)和mm(19km3)。用水减少、调水、降水波动对-年地下水储量恢复的最大贡献分别为73%、37%和32%。上述结果表明，用水减少对华北平原地下水储量的稳定发挥决定性作用，气候变化下南水北调中线输水对华北生活和工业用水以及地下水储量的稳定将长期发挥重要支撑作用。
研究方法
图2研究流程图
首先，结合CMIP6四个气候模式预估的未来降水情景数据，根据南水北调中线工程规划的多年平均调水量，以及丹江口水库以上流域在调水当年的入库流量以及受水区的水资源总量，设计具有年际变异性的动态调水方案；第二，结合历史时期的用水统计数据，预估未来时期华北平原生活、工业和农业三个用水部门的用水强度、用水范围和用水量。同时，采用三种共享社会经济路径SSP1、SSP2和SSP3下使用全球水文模型预估的华北平原用水情景数据；第三，使用CMIP6下四个气候模式的降水情景数据以及多年平均气候态下的降水情景驱动模型，分析未来气候变化/波动导致的地下水储量的影响。在设置的调水、用水和降水情景基础上，通过不同情景组合，预估调水、用水和降水影响下未来华北平原地下水储量的变化，量化不同因素对地下水储量变化的贡献(图2)。
本研究使用分位数映射法，对气候模式输出的-年日降水进行校正(图3)。分位数映射法的六种转换方法包括三个参数型转换EXPASYMAT、LINEAR和POWER，两个基于经验累积分布函数的非参数型转换QUANT(Empiricalquantiles)和RQUANT(Robustempiricalquantiles)，和基于三次样条插值的非参数型转换SSPLIN(Smoothingspline)。
图3华北平原CMIP6降水校正结果示意图
为了在复杂水文情势下从水源区向受水区合理调水，实现水资源高效利用和调水效益最大化，本研究设计了考虑调水量年际变异性的动态调水方案(图4)。动态调水方案考虑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-枯遭遇等情景。动态调水方案主要考虑同年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差异，结合南水北调中线工程规划的多年平均调水量计算每年的实际调水量。
图4华北平原-年D1、D2和D3调水方案下在CNRM、GFDL、HiRAM和MRI降水下的调水情景
本研究设置四个用水情景预估未来华北平原地下水储量变化，分别为在三种共享社会经济路径SSP1、SSP2和SSP3下，全球水文模型预估的生活和工业用水情景(SSP1，SSP2和SSP3用水情景)，以及基于华北平原历史时期(-年)用水强度和用水范围变化估计的未来生活、工业和农业灌溉用水变化情景(Control，CTRL用水情景)(图5)。CTRL情景代表与历史时期各部门用水变化趋势相关的未来用水情景，未来用水范围和用水强度的变化趋势基于历史时期的变化趋势拟合外推得到。
图5华北平原-年CTRL、SSP1、SSP2和SSP3用水情景下的(a)生活用水、(b)工业用水、(c)农业用水和(d)总用水量
本研究设置两种降水预估情景，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下的四个气候模式输出的气象情景数据(以下根据四个气候模式的首字母分别简称为CNRM，GFDL，HiRAM和MRI)。(2)PC降水情景(Precipitationclimatology)。为评估未来降水变化对地下水储量的影响，本研究设置无气候波动的PC降水情景。在PC情景下，-年的日降水量设置为-年日降水的多年平均气候态，同时保证每年降水量维持与历史时期多年平均降水量一致(mm/年)，且降水的空间分布保持与历史时期多年平均气候态的日降水一致。
研究结果
图6华北平原?年CWatM模拟(GWSA-CWatM)、观测(GWSA-observed)、陆面同化系统GLDAS-2.2CLSM(GWSA-GLDAS)和GRACE反演的地下水储量距平
CWatM模拟的-年华北平原地下水储量变化(GWSA-CWatM)，与地下水位观测数据推求的地下水储量变化(GWSA-observed)、全球陆面模型GLDAS-2.2CLSM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比较(图6)。模拟效果显示，GWSA-CWatM和GWSA-observed的相关系数r为0.80，GWSA-CWatM的变化率为-14.5mm/年(CWatM-observed为-14.9mm/年)，模型表现较好。GWSA-CWatM与GWSA-GRACE的相关系数r为0.79，与GWSA-GLDAS之间的相关系数r为0.90，表明GWSA-CWatM与重力卫星观测和陆面同化系统的结果有较好的一致性。
模拟的-年地下水储量总体呈下降趋势。其中，年降水量偏低(mm/年，-年较为干旱时期多年平均降水量mm/年；-年多年平均降水量mm/年)，使-年地下水储量显著下降。但-年地下水储量下降减缓。CWatM模型在-年地下水储量的模拟中考虑了调水的影响，在降水(-年多年平均降水mm/年)、用水减少和调水的影响下，地下水储量下降速率较年以前有所减缓，但尚未到达采补平衡状态。
图7-年华北平原地下水储量模拟结果以及-年不同情景组合下地下水储量变化预估结果。(a)CTRL组；(b)SSP组和(c)PC组
本研究在不同调水、用水和降水组合情景下预估未来地下水储量变化，分三组考虑(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，随着调水工程的运行和用水减少(CTRL用水情景)，未来地下水储量可实现总体稳定。如果未来用水持续增加(SSP3，最大用水)且没有调水(NoWaterD)，地下水储量将被继续大量消耗(最大亏损75km3)。在降水最高(HiRAM，多年平均降水mm/yr)，用水最少(CTRL情景)和调水(D2)情景下，未来地下水储量最大可恢复mm(20km3)。
图8调水、用水和降水对地下水储量变化贡献示意图。图中绿、红和蓝线分别表示调水、用水和降水的贡献，相同线型(实线或虚线组)为自左向右比较的指向(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比较)。
为量化调水、用水和降水对地下水储量的影响，本研究选择了年末地下水储量最小(PC-SSP3-NoD)和最大(HiRAM-CTRL-D1)情景，以及一系列控制变量的中间情景，比较不同因素对地下水储量的影响(图8)。通过比较各情景下模拟的年末地下水储量，量化各因素对地下水储量稳定的贡献。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)，对地下水储量恢复的贡献最高可分别达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、用水和降水三个因素中的其中一个因素(如用水减少)对地下水储量变化的贡献时，其他两个因素(是否调水和降水条件)会影响该因素对地下水储量变化的贡献。在可利用水资源较少(无调水或PC降水情景)的情况下，用水增加对地下水储量减少的影响更为显著。
结语
推广节水技术、实施相关用水政策对稳定华北平原地下水储量至关重要。同时，南水北调中线调水可在一定程度上缓解华北用水紧张和地下水储量亏损局面。本研究对气候变化和强人类活动干预下华北水资源管理和南水北调后续工程高质量发展具有参考价值，也可为评估全球其他调水工程(如美国加州北水南调、科罗拉多河调水等)对地下水储量的影响提供借鉴。
上述研究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未来预估研究(Longetal.,NatureCommunications)的延续和深化。在不同空间尺度，地下水储量的变化特征、控制因素、未来趋势有所不同。在调水、用水和气候变化综合作用下，北京等城市地下水储量未来恢复的程度更为显著，供水和生态安全状况得以不断改善，但需考虑地下水回升导致的土地盐碱化、地下空间渗漏、轨道交通安全隐患等问题；在华北平原尺度，地下水储量到年可实现总体稳定。但由于极端天气气候事件(如干旱、热浪)影响，地下水储量将会在某些时段继续呈下降趋势。极端天气气候事件对水源区和受水区的影响需进一步研究。节水和调水等人为干预对维系华北地区水资源和生态安全将长期发挥基础性支撑作用。
变化环境下的水资源管理面临新情况和新问题，亟待水文科学理论和方法的创新以提供支撑。国际水文科学协会(IAHS)第二个十年计划(?)主题为“变化的水文和社会”(PantaRhei)，在过去近十年中对水文科学研究起到了重要的引领作用。作为课题组长期致力攻关的方向之一，认识新水情下华北平原地下水储量的演变规律及未来变化，不仅为推动IAHS第二个十年计划的研究提供理论源泉和鲜活案例，也对京津冀协同发展等国家和区域发展战略的实施意义重大。围绕这一领域的国内外相关研究成果为认识强人类活动干预下地下水储量的稳定恢复机理提供了理论支撑，也为华北地下水超采综合治理、南水北调后续工程高质量发展、探明全球其他含水层水资源的演变规律提供参考。
本研究得到国家自然科学基金()等项目的支持。获取文章详细内容可点击阅读原文。
第一作者简介
杨文婷，清华大学水利水电工程系届博士毕业生，导师为龙笛研究员。主要研究方向为变化环境下多尺度地下水储量模拟和预估。在NatureCommunications，WaterResourcesResearch和JournalofHydrology等专业权威期刊发表学术论文多篇，另有一篇专著章节发表于《GlobalGroundwater》。博士在读期间入选年国际应用系统分析研究所(IIASA)青年科学家暑期项目(全球共人申请，录取55人，分别来自26个国家)，曾参加、、年美国地球物理联合会(AGU)秋季会议、年AGU查普曼会议(ChapmanConference)作口头报告和海报展示。
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