未来人类活动和气候变化对地下水圈演变的预测及评价

12321 预测模型的建立

（1）模拟含水层（组）的选定

这里以河南平原第四系地下水圈作为数值模拟研究的对象，模拟区面积69400km2。模拟含水层（组）主要为第四系非均质、各向同性的浅层潜水含水层和深层承压含水层。

浅层和深层含水层之间分布着比较稳定的区域性亚黏土，构成潜水含水层和承压含水层之间的弱透水层。开采条件下，两个含水层（组）间水力联系密切，本次模拟预测研究通过越流将两个含水层耦合于一起。其中浅层含水层为主要开采层，水量相对丰富，开采量较大，对第四系地下水圈的演化影响最大，加之地下水位动态资料相对丰富（图1216），因此将潜水含水层确定为重点模拟预测研究的含水层。

图1216 浅层地下水位长期监测孔位置分布图

（2）含水层（组）的水力特征

河南平原第四系浅层潜水含水层和深层承压含水层天然水力坡度均不大，一般小于千分之一。除了山前地区水力坡度较大外，进入平原区后地下水流场平缓，地下水水流运动基本符合达西定律。在多年开采条件下，地下水流各运动要素随时间发生变化，水流为非稳定流。各含水层地下水流运动形式概化为平面二维流。

（3）边界条件的概化

1）侧向边界。浅层含水层和深层含水层的侧向边界位置及性质分别见图1217、图1218。

2）垂向边界。①浅层地下水。浅层地下水的上部边界是潜水面，为水量交换边界；下部边界为越流边界，与深层地下水之间通过弱透水层发生水力联系。②深层地下水。深层地下水上部边界为越流边界，通过弱透水层与浅层地下水之间发生水力联系，深层含水层底板为渗透性极差的黏性土层，与下部新近系承压水基本无水力联系。因此，将深层地下水的下部边界概化为隔水边界。

图1217 浅层含水层水文地质概念模型图

（4）数学模型及其离散

根据上述水文地质概念模型，模拟区地下水流数值模型为非均质各向同性的、浅层潜水和深层承压水有越流联系的非稳定流耦合模型。分别建立两层地下水的数学模型，通过越流项将其耦合。

1）浅层地下水数学模型：

河南平原第四纪地质演化与环境变迁：兼论黄河发育演化与再造

2）深层地下水数学模型：

河南平原第四纪地质演化与环境变迁：兼论黄河发育演化与再造

图1218 深层含水层水文地质概念模型图

式中：K1为浅层含水层渗透系数，m/d；T2为深层含水层导水系数，m2/d；μ为浅层含水层储水系数（给水度）； 为深层含水层弹性释水系数；H1、H2为浅层含水层水头、深层含水层水头（高程），m；B为浅层含水层底板标高，m；B12为浅层含水层与深层含水层间弱透水层的越流系数，1/d；ε11为浅层含水层入渗补给强度（包括降水入渗补给、灌溉回渗补给和黄河侧渗补给），m/d；ε12为浅层含水层排泄强度（包括潜水蒸发、开采和淮河侧向排泄），m/d；ε21为深层含水层补给强度，m/d；ε22为深层含水层排泄强度，m/d；H10，H20为浅层含水层初始水位、深层含水层初始水位，m；D1，D2为浅层、深层含水层的计算区范围；H11为浅层含水层一类边界点的水位，m；q2为深层含水层二类边界单宽流量，m3/d/m；Γ1，Γ2为含水层一类边界及二类边界；n为Γ2的外法线方向。

上述偏微分方程、初始条件和一类、二类边界条件，共同组成定解问题。其求解方法是在区域D上采用矩形剖分和线性插值，应用有限差分法将上述数学模型离散为有限差分方程组，利用GMS（Groundwater Model System）软件包中的Modflow模块进行求解。

（5）模拟预测区域的剖分

模拟预测区域面积69400km2，采用矩形剖分，共剖分23704个单元格，最小单元面积1km2，最大单元面积4km2（图1219）。

（6）参数的识别

数值模拟选择2003年1月1日至2003年12月31日作为模型识别期，跨越一个水文年，历经枯水期和丰水期，地下水位具有明显升降的动态变化，可以比较全面地体现出包含水层结构、水文地质参数以及边界条件和源汇项的特征，同时，该时段内有比较完整的地下水位长期监测资料。

图1219 模拟预测区域网络剖分图

（7）水文地质参数区分与初值的确定

根据第二篇含水层岩相变化特点、含水层厚度等因素对浅层和深层含水层分别进行参数区分。其中，浅层含水层依据渗透系数（K）和给水度（μ）进行参数分区，深层含水层依据导水系数（T）和贮水系数（μ）进行分区（图1220、图1221）。

含水层（组）水文地质参数初值主要参考前人相关成果的测试数据。本次模拟区域参数分区及参数初值见表127至表129

表127 浅层含水层水文地质参数初值表

图1220 浅层含水层初始参数分区图

表128 深层含水层水文地质参数初值表

表129 降水入渗补给系数初值表

（8）源汇项处理

河南平原浅层地下水主要接受大气降水入渗、地下水侧向径流和灌溉回渗补给，平原北部地区，还接受黄河水的侧渗补给。由于浅层含水层富水性好，因而成为平原区地下水开采的主要层位，识别时段内（2003年）全区浅层地下水开采量占总开采量的94%。此外，还存在蒸发、侧向径流和向深层含水层的越流排泄等排泄方式。深层含水层的补给来源主要由侧向径流补给和上覆浅层含水层的垂向越流补给两部分组成，其排泄方式主要为人工开采。

1）大气降水入渗补给量。大气降水入渗补给是浅层含水层的主要补给来源之一，大气降水入渗补给量与降水量大小和强度、包气带岩性、地下水位埋深、地形地貌条件、植被覆盖情况等有关，计算公式：

Qj＝α·F·X

式中：Qj为大气降水入渗补给量，m3/d；α为大气降水入渗补给系数（无量纲）；F为计算区面积，m2；X为大气降水量，m/d。

图1221 深层含水层初始参数分区图

上式中，大气降水入渗补给系数的确定是大气降水入渗补给量的关键数据。模拟预测区域降水入渗系数分区与浅层含水层水文地质参数分区一致，其初始值见表129。

2）侧向径流补给量。根据地下水径流场特征，采用达西公式计算地下水侧向径流补给量：

Ql＝K·I·B·M·Δt

式中：Ql为地下水侧向径流量，m3；K为断面附近含水层的渗透系数，（m/d）；I为垂直于断面的水力坡度；B为断面宽度，m；M为含水层厚度，m；Δt为计算时段，d。

3）灌溉回渗补给量。农田灌溉水回渗补给量主要受地下水埋深、包气带岩性及灌溉量等因素控制，计算公式：

Qt＝β·Qg

式中：Qt灌溉水回渗补给量，m3/d；β为灌溉入渗系数（无量纲）；Qg为实际灌溉水量，m3/d。

根据模拟预测区域多年灌溉回渗系数研究资料，山前地带一般为005～010，平原区一般为010～015。

4）黄河侧渗补给量。黄河侧渗补给是平原北部浅层地下水的重要补给来源。天然条件下，黄河侧渗补给量随丰枯水年份和丰枯季节变化，丰水年、平水年和枯水年黄河侧渗补给强度分别取73m3/d·km·m，46m3/d·km·m和38m3/d·km·m。

5）地下水向淮河的侧向排泄量。其排泄强度为：

河南平原第四纪地质演化与环境变迁：兼论黄河发育演化与再造

式中：Q为地下水向淮河的侧向排泄量，m3/d；F为模型计算范围内淮河积水面积，m2；P为地下水向淮河侧向排泄的强度，m/d。

6）潜水蒸发量。浅层地下水蒸发量主要与气候、包气带岩性、厚度、地下水位埋深、地表植被覆盖程度等因素有关，是浅层地下水的主要排泄途径之一，计算公式：

河南平原第四纪地质演化与环境变迁：兼论黄河发育演化与再造

其中：Qe为潜水蒸发量，m3/d；ε0为潜水接近地面时的蒸发强度（m/d）；Δi为地下水位埋深，m；Δ0为潜水蒸发极限埋深，m，河南平原为4m；Fi为地下水位埋深小于地下水极限蒸发深度的区域面积，m2；m为无量纲指数，与土壤质地有关，通常m取1。

7）越流量。越流量的大小与越流层的渗透系数、厚度及浅层和深层地下水水头差有关，计算公式：

河南平原第四纪地质演化与环境变迁：兼论黄河发育演化与再造

式中：Ql为地下水越流量，m3；K′为弱透水层渗透系数，m/d；B′为弱透水层厚度，m；A为研究区面积，m2；t为时间，d；ΔS为弱透水层两侧的水头差值，m。

上式中，越流系数（即弱透水层渗透系数和弱透水层厚度之比）的确定是越流量计算的关键数据。模拟预测区域越流系数分区与浅层含水层水文地质参数分区一致，其初始取值见表1210。

表1210 弱透水层越流系数初值表　单位：10-5d-1

8）地下水开采量。模拟预测区域2003年地下水总开采量为6958×108m3。其中，公共供水设施和自建取水设施地下水取水量分别为367×108m3和777×108m3，农业灌溉开采量为5499×108m3。

（9）模型识别结果

识别结果，实测水位与计算水位绝对误差在05m范围内的监测孔分别占监测孔总数的771%和833%，识别时段（2003年12月31日）地下水流场拟合情况见表1211，图1222、图1223。代表性监测孔的水位拟合情况见图1224，拟合效果满足《地下水资源管理模型工作要求》。

图1222 浅层地下水流场拟合图

图1223 深层地下水流场拟合图

表1211 识别阶段浅层含水层水位拟合误差计算表　单位：m

识别后的水文地质参数值，见表1212、表1213、表1214。

表1212 浅层含水层水文地质参数识别结果表

续表

图1224 识别阶段浅层含水层代表性监测孔单井拟合曲线图

表1213 弱透水层越流系数识别结果表　单位：10-5d-1

表1214 深层含水层水文地质参数识别结果表

（10）模型的验证

选择2004年1月1日至2004年12月31日作为模型的验证时段。验证结果，实测水位与模拟水位误差在05m范围内的监测孔分别占监测孔总数的80%和83%，满足《地下水资源管理模型工作要求》（图1225、图1226）。

图1225 验证时段浅层地下水流场拟合结果图

图1226 验证时段浅层含水层代表性监测孔拟合曲线图

从地下水流场拟合程度和代表性监测孔的水位拟合效果看，浅层和深层地下水实测水位与模拟水位整体上达到了较好的拟合效果。表明所建立的水文地质概念模型是正确的，边界概化合理，源汇项处理正确，参数分区及取值合适，模型基本上反映了模拟预测区域客观水文地质条件，可用于河南平原第四系地下水圈未来演化趋势性预测和预报。

12322 气候干旱与河南平原第四系地下水圈演变的预测研究

据第10章气候环境初步预测的结果，河南平原地区未来40～50a区域气候环境将处于偏干旱的阶段，从河南平原第四系地下水循环模式来看，能够积极参与现代水循环的地下水补给源都直接或间接来源于大气的降水。因此，气候变化将是影响未来河南平原第四系地下水圈演变的重要自然因子。本节利用前面建立的地下水流数值模拟模型对气候干旱条件下河南平原第四系地下水圈演变进行预测和评价。这里，气候干旱条件下未来河南平原第四系地下水圈的演变，突出反映在地下水流场演化趋势的方面。

（1）影响因子的识别

选取模拟预测区内具有一定代表性且拥有长系列降水监测数据的巩义市和中牟县两个气象站1961～2003年降水量数据，利用皮尔逊Ⅲ型曲线进行降水累计频率分析（图1227、图1228），得到典型降水保证率下的降水量（表1215）。从两站降水量序列图（图1229）分析得知，巩义市和中牟县连续中等干旱年（降水保证率为75%）情况一般可持续3～4年（历史上1979～1981年为中等干旱年）；连续特殊干旱年（降水保证率为95%）的情况不超过2年（历史上1965～1966年为特殊干旱年）。为了分析持续干旱情况下地下水动力场的变化趋势，兹以2007年1月地下水位数据作为初始流场，保持现状开采量不变的情况下分别预测连续遭遇5个中等干旱年和2个特殊干旱年后模拟区域地下水流场演化的趋势。

图1227 中牟县降水量频率曲线图

图1228 巩义市降水量频率曲线图

表1215 巩义市和中牟县典型保证率下的降水量表　单位：mm

图1229 巩义市和中牟县年降水量序列图

（2）源汇项及边界的处理

河南平原气候干旱条件下，按照对应中等干旱年和特殊干旱年给定的降水量和蒸发量数据计算大气降水入渗补给量和潜水蒸发量。侧向径流补给量和侧向径流排泄量依据中等干旱年、特殊干旱年的降水量与模型验证时期降水量的比值推算得到。特殊干旱年的地下水灌溉回渗补给量，由于持续干旱情况下地下水位埋深会加大，灌溉回渗补给量会有所减小，因此灌溉回渗补给量取模型验证时期灌溉回渗补给量的50%进行计算。黄河侧渗补给量分别采用与中等干旱年、特殊干旱年年份相近的1982年（平水年）、1980年（枯水年）的入渗量进行计算。

鉴于本次研究主要目的是，分析预测气候干旱降水量发生变化对河南平原第四系地下水流场产生的影响，故一类边界水位值和二类边界的流量值计算均按照中等干旱年、特殊干旱年的降水量与模型验证时期降水量的比值推算得到。

（3）河南平原第四系地下水（圈）动力场变化趋势的预测

图1230 连续5个中等干旱年后浅层地下水流场图

以连续遭遇5个中等干旱年（降水保证率为75%）作为预测条件时，预测的潜水和承压水流场与初始流场相比，不同地区的地下水位变化情况不同（图1230、图1231）。在连续遭遇5个中等干旱年后，与2007年1月地下水位相比，潜水水位变幅05～-18m，承压水水位变幅05～-11m（图1232、图1233）。浅层地下水动力场变化规律是，山前地带接受河南平原区外地下水侧向径流补给，潜水水位稍有上升，水位升幅为0～05m。河南平原南部潜水水位略有下降，水位降幅为0～-05m。潜水水位下降区主要集中在地下水开采强度大的地区，潜水水位降幅为0～-6m，河南平原几个降落漏斗区地下水位下降幅度较大，漏斗中心潜水水位降幅约为-12～-18m。承压水位变幅较小，大部分地区水位无明显变化，郑州、开封、新乡、濮阳等地下水开采量大的地区地下水位降幅约-2～-11m。

图1231 连续5个中等干旱年后深层地下水流场图

图1232 连续5个中等干旱年后潜水水位变幅图

图1233 连续5个中等干旱年后承压水位变幅图

以连续遭遇2个特殊干旱年作为预测条件时，预测的潜水和承压水流场与初始流场相比，地下水位均有不同程度的下降（图1234、图1235）。与2007年1月地下水位相比，潜水水位降幅为0～-20m，承压水水位降幅0～-11m（图1236、图1237）。浅层地下水动力场变化规律是，山前地带和河南平原南部的地下水位降幅较小，一般为0～-1m；河南平原中部大部分地区水位降幅为-4～-8m；郑州、濮阳、新乡、开封等城市由于长期大量开采地下水，已形成了稳定的地下水位降落漏斗，地下水位降幅约-10～-20m，降落漏斗面积不断扩大。深层地下水动力场变化规律是，由于深层地下水开采量较小，河南平原大部分地区地下水位降幅0～-5m。其中，郑州、开封、新乡等市的深层承压水位下降幅度最大，最大降深可达-105m。

以上预测研究结果，反映了未来若干年连续干旱情况下河南平原第四系地下水圈演化的趋势。在连续干旱情况下，因地下水位持续下降、地下水动力场发生变化，地下水处于持续超采状态，给河南平原第四系地下水圈动态平衡及其可持续利用带来较大的威胁。同时，将导致河南平原第四系地下水环境等恶化。这对于未来河南平原第四系地下水合理开发及其地下水圈环境科学管控具有重要的指导作用和意义。

图1234 连续2个特殊干旱年后浅层地下水流场图

图1235 连续2个特殊干旱年后深层地下水流场图

图1236 连续2个特殊干旱年后潜水水位变幅图

图1237 连续2个特殊干旱年后承压水位变幅图

12323 南水北调中线人类工程活动与河南平原第四系地下水圈演变的预测研究

这里人类活动对河南平原第四系地下水圈演变的影响，主要考虑正在兴建的南水北调中线这一特大型人类工程活动对未来该平原第四系地下水圈演变的影响。

（1）南水北调中线工程概况

南水北调工程是迄今为止世界上最大的水利工程，总干渠全长1277km，河南平原境内长731km，流经8个省辖市，21个县（市），基本上是沿着河南平原的西缘呈西南—东北向展布（图1238）。

图1238 南水北调中线河南段工程线路略图

根据中线工程总体规划，中线Ⅰ期工程每年调水量95×108m3，分配给河南的用水量达3769×108m3，占河南平原地下水开采量（10481×108m3/a，1997）的3596%。河南沿途设立分水口38处，其中能够分水的11个省辖市有南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、焦作、新乡、鹤壁、濮阳、安阳和郑州市。得到分水的33个县（市、区）有邓州市、新野县、唐河县、社旗县、方城县、叶县、宝丰县、郏县、临颍县、商水县、禹州市、长葛市、襄城县、新郑市、荥阳市、中牟县、修武县、武陟县、温县、辉县市、卫辉市、新乡县、获嘉县、淇县、浚县、汤阴县、滑县、内黄县、许昌县、濮阳县、安阳县、漯河市郾城区和召陵区。

各受水区域市（县）口门分配水量及可供水量见表1216。

目前，河南平原绝大部分地区地下水已超量开采，地下水水位大幅度下降，一些地区浅部含水层已经趋于疏干，形成大面积的降落漏斗，深层水漏斗区发展亦为严重。无论浅层水、深层水，地下水的天然流场均发生了很大的改变。同时，长期缺水造成的地下水位大幅度下降，正如前面所述导致了诸如地面沉降、地裂缝灾害及其水质恶化等一系列环境地质问题。

据第10章全新世气候环境初步预测的结果，河南平原未来40～50a区域气候环境又将处于偏干旱的阶段，前述预测研究结果表明，区域地下水位将大幅下降，这无疑是雪上加霜、更加剧了河南平原未来几十年缺水干旱和生态地质环境进一步恶化的局面。因此，从外流域调（配）水，实时地向河南平原水圈补水，在未来若干年里保障平原地区供水的安全显得极为必要。从表1216可以看出，分配给河南的用水量大部分将被直接或间接地补充到河南平原水圈中。因此，这对于减轻河南平原地下水圈——地下水含水层的开采压力、恢复地下水的生态环境功能、减轻地面沉降、地裂缝灾害及其水圈环境恶化局面等都将具有十分重要的作用。

表1216 南水北调中线工程河南受水区可供水量表　单位：104m3/a

续表

（2）南水北调中线工程配水对河南平原地下水圈影响的预测研究

图1239 河南平原模拟预测区域受水市、县分布图

1）预测方案的制定。利用前面建立的地下水流数值模拟模型，开展南水北调中线工程配水对河南平原地下水圈影响的预测研究。模拟预测区内受水市、县，总面积约为182×104km2，各城市基本分布在南水北调总干渠一线附近（图1239）。南水北调工程启用后，将在受水区增加新的地表水资源，相应减少了地下水的开采量，为了预测河南平原地区水源结构改变之后地下水位的变化状况，兹制定以下预报的方案：①考虑到河南平原近几年来以2007年地下水水位偏低，为了更好地了解水源结构改变之后地下水位的变幅情况，故以2007年1月地下水位流场作为预测预报的初始流场，分别预报南水北调中线工程实施1年、2年和3年后河南平原地下水位的变化状况。②模拟预测区内以往开采浅层地下水为主，与南水北调工程来水量相比，浅层地下水开采量（8968×108m3/a，1997）较大。这里，按照南水北调工程分配水量，相应地压减各受水区浅层地下水的开采量，从而开展预测研究工作。

2）预测预报结果及分析。模拟预测预报结果，南水北调工程实施1年、2年和3年后地下水流场变化分别见图1240至图1242。南水北调工程启用后，由于浅层地下水的大量减采，含水层得以涵养、地下水位多年下降状态将得以控制。与南水北调工程启用前相比，受水区水位从多年的持续下降转变为逐年上升，年平均上升约07m，并趋于稳定。在温县、武陟、内黄、新郑一带，地下水位上升幅度较大。3年后，郑州市、新乡市、濮阳市漏斗中心水位与南水北调工程启用前相比，将分别提高664m，815m和415m（表1217）。

表1217 河南平原典型漏斗中心预报前后地下水位埋深状况

图1240 1年后浅层地下水位等值线图

图1241 2年后浅层地下水位等值线图

图1242 3年后浅层地下水位等值线图

河南平原东部和中部地区，地下水含水层虽然获得来自西北部受水区地下水的侧向补给量有所增大，但由于东部和中部地区农业灌溉大量开采地下水，超采的水资源量远大于受水区的侧向补给量，地下水位仍持续下降。河南平原南部地表水资源较丰富，该地区供水水源主要来自地表水，地下水的开采量较少，地下水位呈多年稳定状态。南水北调工程启用后，南部地区不在受水区范围之内，地下水位无明显的变化。

由于没有对深层地下水进行压采，3个预报期的深层地下水流场差异甚小，没有明显的变化（图1243至图1245）。

图1243 1年后深层地下水位等值线图

上述预测预报结果表明，南水北调中线工程供水后对于河南平原第四系水圈演变具有积极的影响。它在很大程度上缓解了河南平原水资源的紧张局面，能够有效遏制河南平原水资源衰减，减轻地下水开采压力，逐步恢复地下水圈生态环境的功能。因此，这对于减轻地面沉降、地裂缝灾害及其水圈环境的恶化等都将具有十分重要的作用。但同时我们也应做好实时的调控工作，以避免局部地区发生不良方向的变异，引起土壤次生盐渍化等危害。

2023年7月6日。根据辉县官网查询显示：自2023年7月6日起，南水北调中线总干渠通过黄水河支退水闸进行生态补水，经黄水河河道入共海湿地，后经黄水河下穿共渠合河倒虹吸流向卫河，流量3m3/s，补水量500万m3，历时约20天。