气候变化对地下水位变化的影响
一、对年际变化的影响由以下公式计算未来石家庄平原农业区地下水位变化动态。根据水位动态法计算模型：∑Qst=ΔHμF (7-11)式中：∑Qst为地下水蓄变量，mm；ΔH为地下水位位移，m；μ为水位变幅带含水层给水度；F为研究区面积，km2。则石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究式中各符号意义均同前。采用近5年(2006～2010年)研究区地下水蓄变量与地下水位变差进行反算(数据引自《河北省石家庄市地质环境监测报告(2006～2010年)》研究区平均给水度。石家庄平原区地下水流场演变特征与尺度效应研究结合本章第三节计算得到的现状气候条件及RCP4.5气候情景在3种灌溉定额下的地下水超采量(表7-2)，利用式(7-11)～式(7-13)得到未来50年石家庄平原农业区地下水位年均变化幅度。现状气候条件300mm、240mm和210mm三种灌溉强度定额条件下，地下水位年均下降幅度分别为1.74m、0.79m和0.41m。RCP4.5气候情景较现状气候条件地下水位的下降幅度有不同程度的缩小，三种灌溉定额条件下分别为1.58m、0.67m和0.33m。二、对年内变化的影响从图7-10可以看出，现状气候条件和RCP4.5气候情景地下水位年内变化特征基本相同，但是水位变幅有所差异。1～3月，在地下水补给量不断增大的情况下，地下水位持续上升。在现状气候条件下，地下水位上升幅度为0.16m，RCP4.5气候情景较现状气候条件地下水位上升幅度有所增大，为0.35m。4～6月，在农业开采灌溉的影响下，地下水位持续下降。在现状气候条件灌溉定额强度为300mm、240mm和210mm情况下，地下水位下降幅度分别为2.72mm、2.01mm和1.75mm。RCP4.5气候情景较现状气候条件地下水位下降幅度有所减弱，三种灌溉强度定额分别较现状气候条件减弱0.17m、0.13m和0.10m。7-12月，在降水入渗补给和开采量减少的双重影响下，地下水位逐渐回升，至9月地下水位恢复到最高水平。在现状气候条件下，采用300mm灌溉强度定额，水位恢复程度为65%；采用240mm灌溉强度定额，水位恢复程度为88%，采用210mm灌溉强度定额，水位恢复程度为101%。在RCP4.5气候情景下，采用300mm灌溉强度定额，水位恢复程度为52%；采用240mm灌溉强度定额，水位恢复程度为71%，采用210mm灌溉强度定额，水位恢复程度为81%。从以上分析可以看出，降低灌溉强度定额是阻止地下水位下降最有效的措施。在现状气候条件下，灌溉定额降低90mm，地下水位可以完全得到恢复。在RCP4.5气候情景下，灌溉定额降低90mm，地下水位可恢复81%。图7-10 不同气候情景下石家庄平原农业区地下水位年内变化特征a—现状气候条件；b—RCP4.5气候情景
全球环境变化及人类活动对地下水的影响
早在1972年，联合国第一次环境与发展大会就已经发出警告：“石油危机之后，下一个危机便是水”。由联合国教科文组织（UNESCO）、国际水文科学协会（IAHS）、国际水文地质学家协会（IAH）等联合组办的“未来地下水资源危机（FGR）”国际学术会议在举行了第一届（芬兰，1994年）、第二届（中国长春，1998年）后，第三届学术会议在葡萄牙举行（2001年）。世界各国的科学家已经认识到水资源危机对人类社会的威胁，正在探讨通过国际间的合作——通过研究经验、方法理论、技术措施等的交流和学习，来解决水资源危机的问题（Lin Xueyu，Zhao Yongsheng，1998）。可以预见，在21世纪，水资源问题仍将是全世界科技工作者研究、探索的热点和难点问题之一。目前，在世界范围内普遍存在着水资源的问题，主要有以下3个方面：水资源供需矛盾日益尖锐；水污染严重，水环境恶化；旱涝灾害频繁。地球上的水资源一直在进行着循环，构成了一个全球性的水循环系统。因此，很有必要在全球尺度上对水资源进行研究，研究全球环境变化及人类活动对水资源的影响。一、全球环境变化（一）气候变化的影响气候变化对全球水资源的影响非常巨大，因为地表水和地下水的主要补给来自降水，降水量的变化直接影响着水资源的循环和平衡。任何气候的异常，如厄尔尼诺现象，会导致地球上一些地区发生严重的干旱，而在另一些地区则造成洪涝灾害。全球气候变化的研究是气象工作者的难点问题，如温室效应、海平面上升问题等等（陈梦熊，1998年）。目前人们对全球气候变化规律的研究还不太成熟，对长期降水的预报还存在着问题。然而，气候变化的研究对于水资源问题是非常重要的。（二）生态环境的影响水是地球上生态环境中最活跃的因子，某地区水资源的丰富程度，决定着其生态环境的质量。而生态环境的恶化，如土地的退化、沙漠化等又会导致降水量的减少，二者相辅相成。二、人类活动的影响人类对水资源不合理的开发利用、对地球生态环境的破坏都可能使地球上的水循环、水均衡遭受破坏，使淡水资源发生危机。如不合理的地表水开发、过量开采地下水、森林的乱砍滥伐、污染物的随意排放等会导致河流的断流、含水层的疏干和水质的恶化，造成淡水资源短缺的危机。同时带来一系列的生态环境问题，如土地的退化、沙漠化、湿地的消失等。所以，未来对全球水循环的研究，对生态环境以及人类活动负效应的治理措施等的研究，是解决未来水资源危机的关键。
灌区主要作物灌溉需水量
作物灌溉需水量指通过灌溉补充的士壤原有储水量和有效降水量不能满足作物蒸发蒸腾、冲洗盐碱以及其他方面要求的水量（陕西省水利水士保持厅，1992）。对于旱地作物，灌溉需水量等于作物蒸发蒸腾量加上创造良好农田生态环境所必需的冲洗压盐水量，减去有效降水量、地下水补给量和生长期内的士壤水分利用量（段家旺等，2004）。如果不要求盐碱化冲洗和地下水补给量忽略时，作物全生育期的灌溉需水量近似等于作物蒸发蒸腾量减去有效降水量。因此，作物需水量是灌溉需水量研究的重要组成部分。一、作物系数Kc的确定作物系数指作物不同生育期中需水量与可能蒸散量之比值。作物系数Kc是农作物本身生物学特性的反映，它与作物的种类、品种、生育期、群体叶面积指数等因素密切相关（陈玉民等，1995）。根据各月田间实测需水量和利用同一时段的气象因素计算的参考作物需水量来计算，即灌区农业节水对地下水空间分布影响及模拟式中：Kc为作物系数；ET0为参考作物腾发量；ETc为作物需水量。作物系数的准确性很大程度上取决于实测作物需水量的精度，根据灌区灌溉试验站历年的实测需水量资料分析，经筛选之后得出灌区冬小麦、夏玉米等4种主要作物历年各月Kci和全生育期总Kc，然后进行算术平均，得出历年平均各月的作物系数和历年平均全生育期总作物系数，其结果见表4-1。表4-1 泾惠渠灌区历年平均作物系数Kc值 Table4-1 past years average crop coefficient Kcvalues in Jinghui Canal Irrigation District（据陈玉民等，1995）二、参考作物需水量ET0计算公式参考作物蒸发蒸腾量（ET0）采用彭曼-蒙蒂斯（penman-Monteith）方法计算，彭曼-蒙蒂斯公式是联合国粮农组织（FAO，1998）提出的最新修正彭曼公式，并已被广泛应用且已证实具有较高精度及可使用性（阮本清等，2007）。该公式以及计算中需要的参数如表4-2所示。表4-2 彭曼公式各参数项的确定 Table4-2 Each parameter definition of penman三、参考作物需水量ET0影响因字分析根据灌区1950～2005年气象资料，采用通径分析原理分析研究泾惠渠灌区ET0主要气象影响因素，主要气象因子包括：最高气温（X1）、最低气温（X2）、平均气温（X3）、相对湿度（X4）、风速（X5）和日照时数（X6）等（表4-3）。通径分析理论于1921年由SewallWrixht提出，并经遗传和统计工作者不断发展完善，已证明在几乎所有的相关变数系统中作因果分析都是有效的（蔡甲冰等，2008；赵伟霞等，2009）。这一理论广泛应用于各个领域，为解决许多复杂的相关分析问题提供了一个简捷而灵活的方法。通过通径系数绝对值的大小，直接比较各自变量在回归方程中的重要作用，对于一个多变量的系统中抓住关键因子，改变依变量的反应量具有很好的实用价值（郑健等，2009；蔡甲冰等，2011）。在多变量的研究中，通径分析比相关分析更加全面，更加细腻。表4-3 泾惠渠灌区气象因子与参考作物需水量的通径分析 Table4-3 path Analysis between meteorological factors and ET0-pM in Jinghui Canal Irrigation District注：Xi（i＝1，2，3，4，5，6）分别为最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速和日照时数。从表4-3中可知，灌区各气象因子对参考ET0都有不同程度的影响，根据各气象因子对ET0的直接作用和间接作用分析，最高气温、最低气温及平均气温对ET0的影响明显比其他气象因子影响作用大。最高气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为2.1012和-1.4676；最低气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为7.7622和-7.1028；平均气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为-8.7018 和-8.054；相对湿度对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为-0.895和0.2344；其他气象因子对ET0的直接作用系数、间接作用系数相对较小，说明在泾惠渠灌区影响ET0的主要气象因子是大气温度和相对湿度。通过各气象因子的间接作用分析，最高气温、最低气温及相对湿度通过平均气温对ET0具有较强的作用，间接作用系数分别为-8.6541，-8.6129，-8.1727。风速和日照时数通过气温对ET0具有一定的负面影响。