【摘 要】
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当前我国地下水开采带来的一系列环境问题正制约着城市的社会经济发展,如地下水开采导致地面沉降、土地盐渍化、地表干裂、海水倒灌等诸多问题,对当地的农业生产和正常生活用水产生巨大困扰,进而影响区域水循环过程,使得区域水量平衡与蓄变关系发生改变,导致水文物理现象发生变化。黄淮海平原作为我国农业的主要发展区,农业自然资源丰富,是重要的粮棉产地,其农业发展带来的环境水文问题日益突出,是当前水文研究中的热点和难
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当前我国地下水开采带来的一系列环境问题正制约着城市的社会经济发展,如地下水开采导致地面沉降、土地盐渍化、地表干裂、海水倒灌等诸多问题,对当地的农业生产和正常生活用水产生巨大困扰,进而影响区域水循环过程,使得区域水量平衡与蓄变关系发生改变,导致水文物理现象发生变化。黄淮海平原作为我国农业的主要发展区,农业自然资源丰富,是重要的粮棉产地,其农业发展带来的环境水文问题日益突出,是当前水文研究中的热点和难点。为此,本文从地下水储量和埋深分析、平原区水文模拟研究以及典型地下水开采区域的产流影响变化分析等方面系统地评估地下水开采对平原区产流变化的影响机制。主要研究成果包含以下三个方面:（1）地下水储量和埋深的变化分析。基于GRACE重力卫星反演的水储量与实测地下水埋深数据,利用空间插值分析、回归分析和Mann-Kendall趋势检验等方法,研究了2003—2016年黄淮海平原地下水储量和埋深的变化特征及其影响因素。结果表明:（1）近14年黄淮海平原地下水储量通过显著性水平为0.01的Mann-Kendall检验,呈现出显著下降趋势,下降速率为1.2cm/a,其中海河平原的下降速率为1.6cm/a,淮河平原的下降速率为0.9cm/a;（2）地下水埋深平均每年增加9cm,呈显著增大趋势,其中海河平原平均每年增大16cm,淮河平原平均每年增大5cm。（3）基于区域水量平衡变化规律,人类取用水情况以及对地下水影响分析,表明地下水超采是黄淮海平原水储量下降的主要原因。（2）平原区水文模拟及其不确定性分析。以黄淮海平原为研究对象,基于实测、遥感反演及同化的区域水循环通量和储量等多源要素数据集,利用可变下渗容量（VIC）模型,构建了黄淮海平原水文模拟系统,提出了基于径流、蒸散发和蓄水量协同率定的模型参数率定方法,评估了其在黄淮海平原水文模拟中的适用性。并利用机器学习和广义似然不确定性估计等方法评估了模型不确定性,并对水文模型的参数空间进行优选,减小了参数模拟的不确定性置信区间。研究结果表明为:（1）VIC模型在黄淮海平原具有较好的适用性,与实测值相比模拟径流和蒸散发的相关系数超过0.9,蓄水量的相关系数超过0.6;（2）VIC模型6个参数相比,第二层土壤厚度d2最敏感,其次是可变下渗曲线指数B,其余参数敏感性较弱;（3）与传统的单一径流率定方法相比,协同率定的参数率定方法提高了蒸散发和蓄水量的模拟精度,减小了模型参数的优选空间与不确定性置信区间,模拟径流的90%置信区间约缩小26%,降低了水文模拟的不确定性。（3）地下水开采影响评估。前文研究表明,在时空分布上,地下水和水储量下降最严重的区域集中于海河南系平原,为了研究地下水下降对平原区产流的影响,选择海河南系平原建立VIC模型。考虑到Grace卫星时间跨越尺度的问题,为了更好地分析地下水开采的影响因素,提出了5年滑动的参数率定方法,对整个时间段和其余10个滑动时间段,分析了地下水埋深、水储量、模型土壤层厚以及径流系数之间的关系,研究结果表明:（1）VIC模型在每个滑动时间段内,其模拟径流和蒸发与观测值相比的相对偏差的绝对值在8%以内,相关系数基本处于0.8以上,模拟蓄水量的相关系数均达到0.7以上;（2）滑动率定结果表明,海河南系第二层土壤厚度呈逐年增加的趋势,且与地下水和水储量呈现较高的相关性;（3）土壤层厚度增加会导致径流系数降低,2003年-2016年海河南系的第二层土壤厚度大致从0.36m增加到0.42m,径流系数大致减少0.02左右。研究成果对平原区变化环境下的区域水循环演变规律认识及水资源管理与开发利用具有一定的支撑作用。
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