第1章 绪论
　　1.1 研究背景与意义
　　1.1.1 研究背景
　　海河流域是我国十大一级流域之一，包含北京、天津、河北、山西、山东、河南、内蒙古和辽宁八省（自治区、直辖市）的全部或部分地区，总面积32.06万km2，总人口约1.5亿人。京津冀地区作为海河流域的核心，既是我国的政治文化中心，也是重要的经济中心和粮食生产基地。“十三五”期间，京津冀协同发展被确定为国家三大战略之一，实现京津冀协同发展、创新驱动，推进区域发展体制机制创新，是面向未来打造新型最都经济圈、实现国家发展战略的需要。然而，近60年（1956~2016年）来，京津冀地区所在的海河流域水资源急剧衰减，远超全国其他一级流域，成为水资源极度紧缺和一系列重大水生态环境问题产生的重要原因。
　　1）近60年来海河流域水资源急剧衰减
　　受气候变化和人类活动双重影响，海河流域水资源急剧衰减。根据全国水资源评价成果，第三次评价期（2001～2016年）与第一次评价期（1956～1979年）相比，海河流域水资源总量从421亿m3减少到272亿m3，减少了149亿m3，减幅为35%；地表水资源量从288亿m3减少到122亿m3，减少了166亿m3，减幅高达58%；地下水资源量由265亿m3减少到224亿m3，减幅也达到15%。从空间分布来看，山区水资源减幅远大于平原区，山区水资源量由348亿m3减少到193亿m3，减少了45%；而平原区由127亿m3减少到117亿m3，减少了8%。从全国尺度来看，海河流域水资源衰减幅度远超全国其他一级流域，第三次评价期与第一次评价期相比，同期黄河流域水资源总量从744亿m3减少到599亿m3，减少了19%，明显低于海河流域减幅。
　　2）水资源衰减深刻影响流域供水安全保障
　　由于水资源衰减和经济社会规模扩大，海河流域已经成为我国水资源最为紧缺的地区，2000年以来人均水资源量只有190m3，不足全国平均水平1/10，成为经济社会发展主要瓶颈。近几十年来，为了适应水资源短缺的形势，京津冀开展了大规模节水型社会建设，1980年以来，区域用水总量呈现稳定减少的趋势，但是由于可直接利用的地表和地下水资源急剧减少，仍然导致了严重的水资源保障危机。为了保障经济社会正常发展，不得不修建世界上最大规模的跨流域调水工程，已经通水的南水北调中线一期工程累计投资超过2500亿元，每年可为京津冀调水49.5亿m3，但是仍然扭转不了水资源短缺的基本形势。2001～2016年系列与1956～1979年系列相比，海河流域地表水资源衰减量相当于南水北调中线一期工程补水量的2.5倍，超过京津冀用水总量的50%。
　　3）水资源衰减直接引发重大生态环境问题
　　在水资源衰减和经济社会刚性需求双重作用下，海河流域水资源长期过度开发利用，开发利用率超过90%，引发了一系列生态环境问题。海河流域已经成为世界最大的地下水超采区和沉降漏斗区，1970～2015年全流域地下水平均年超采量达30.4亿m3，其中浅层地下水超采16.3亿m3，深层地下水超采14.1亿m3。由于地下水超采，地下水位持续下降，形成大面积降落漏斗，平原区浅层地下水超采面积6万km2，出现了11个较大漏斗；平原区深层地下水超采面积5.6万km2，出现了7个较大漏斗。河湖生态水量严重亏缺，据统计，1980～2016年流域平原河流主要河段年均干涸（断流）217天，70%的河段干涸（断流）天数超过300天。湖泊湿地水面面积逐年减少，白洋淀、衡水湖、七里海、北大港和南大港五湖面积已萎缩至282km2，较20世纪50年代减少了75%。
　　1.1.2 研究意义
　　海河流域从20世纪50～60年代洪涝灾害频发到水资源极度短缺，仅仅经历了30年，水去哪儿了？变化的原因是什么？未来如何进一步演变？这些问题深刻影响流域水资源安全保障格局，直接决定京津冀协同发展战略实施，影响南水北调等重大工程规划布局，长远制约流域水生态系统恢复质量，急需系统科学回答海河流域水资源衰减机理与未来演变趋势，其重大意义表现在以下三个方面。
　　1）是破解京津冀水资源短缺难题的关键
　　海河流域水资源剧烈衰减是京津冀水资源短缺的主要原因之一，其中既有气候变化导致天然降水减少的原因，也有人为因素改变下垫面的原因。既有人类无法控制水资源变化的不可逆因素，也有通过调整人类生产生活方式可以恢复水资源的可逆因素。未来在气候变化的影响下，流域水资源是否会进一步减少，人类活动对水资源量的影响是否稳定，未来将如何发展？只有明晰流域水资源演变规律及其影响机制，定量辨识水资源衰减机理及其归因，才能指导合理的开发利用方式，这也是破解京津冀水资源短缺难题的关键。
　　2）是流域制定合理生态修复的必要条件
　　海河流域是全国范围内生态环境退化最显著的区域，流域内地下水超采、河道断流、湖泊萎缩等问题十分严重。背后的原因就是流域水循环（water cycle）演变规律发生变异，导致流域水资源衰减，加剧了社会经济用水和生态环境的用水竞争。流域的生态恢复则需要建立在科学认知水循环过程的基础上，如地下水超采恢复问题，需要了解大埋深土壤水分的运移规律，才能合理地规划地下水恢复路径、恢复规模等问题。河道断流的恢复则需要了解山区来水与平原区河道的水力联系，尤其是要分析山区来水量减少的原因，才能因地制策，更好地开展流域生态恢复措施。
　　3）是预测流域未来演变形势的科学基础
　　对流域未来水资源量演变趋势进行合理的评估，是制定流域水资源利用规划的基础。科学地预测流域未来水资源演变形势一方面需要明晰历史上水资源量演变的规律及各因素的作用机理及影响机制，另一方面需要构建大尺度的分布式水循环模型（water cycle and allocation model，WACM），对未来可能的情景进行合理预判及假设，包括未来区域气候变化的趋势及分布、下垫面条件的演化、人工水土保持工程的覆盖范围及质量、地下水保护的程度及目标、经济社会发展趋势等，在此基础上才能进行有针对性的模拟分析，为研究海河流域水资源未来可能发展趋势提供坚实的基础。
　　1.2 国内外研究进展
　　1.2.1 平原区水循环运移机理研究进展
　　水循环也称作水文循环（hydrological cycle），最早用于描述自然界的水文现象。人类很早就对水文循环现象有了感性认识。我国古籍《吕氏春秋》中有“云气西行，云云然，冬夏不辍；水泉东流，日夜不休。上不竭，下不满，小为大，重为轻，圜道也”这一描述。1674年，法国工程师佩劳特（Perreault）得出法国塞纳河流域的年径流量为该流域降水量1/6的结论，成为有记录的水文规律的第一次定量研究，也因此被视为近代水文科学的开端。
　　水循环研究的内涵在不断拓宽。一是在描述的过程上，从最早的自然水文现象等向人工-自然复合（二元）水循环过程拓展；二是在研究内容上，从着眼于地表层的降水、蒸发、河川径流过程计算，逐渐拓展至涵盖地表水动力学、土壤入渗数学物理模型、地下水动力学模拟等层面，从整个水循环过程开展水分运动物理机制的描述和研究；三是在空间尺度上，从小的区域或流域尺度拓展到洲际尺度甚至全球尺度的模拟分析计算。
　　水循环研究的主要手段包括试验观测统计和数学模拟分析。其中，试验研究依然是开展水循环研究不可或缺的基本手段。这些试验及观测可以从点尺度、田间尺度、流域尺度及国家区域尺度分别进行，在不同环境及不同空间尺度下开展的试验均可为我们增进对特定水循环过程及通量的认识。室内试验可较好地控制相关条件，通过控制不同因素变量，探究不同因素对水循环通量及特征的影响。大田试验、野外试验及部分田间试验则尽可能减少人为干预，能更好地反映自然界真实的水循环过程，但大田试验不可控因素较多，因此试验的布设及试验数据的分析往往难度更大。通过试验研究既有助于加深理解蒸散发、产流、入渗等水循环过程的运动机理及关键参数，同时也是进一步进行水循环模拟研究的理论基础，为数学模型的参数率定和模型验证提供数据支撑。随着信息处理能力的提升及大数据技术的不断成熟，数学模拟分析在水循环研究中发挥着日益重要的角色，是未来发展的趋势之一。由于试验研究受观测的空间范围、时间尺度、观测环境等多方面因素影响，通常观测周期长，试验成本高，且受到多种不确定性因素的影响，很难开展长时间序列、不同空间尺度及变化环境下的水循环运动机理观测，难以直接获取水循环运动规律及响应的直接观测结果，而数学模拟则能克服试验观测手段的不足，发挥其高效率、多情景模拟预测等优势，与试验研究手段形成互补。
　　针对海河流域平原区水循环研究中的两大关键问题——地下水大埋深条件下水分运动机理及水循环过程数值模拟，本研究将从地下水大埋深地区水循环研究（含试验及模拟研究）和水循环模拟研究两大方面总结概述其国内外研究进展，总结分析大埋深平原区水循环模拟研究的有利基础及当前研究存在的不足。
　　1. 地下水大埋深地区水循环研究
　　所谓地下水大埋深条件，也简称大埋深，是指地下水埋深达到某一程度后，土壤水分的毛管作用上升高度有限，难以影响到植被（作物）根系层的地下水埋藏条件，国外一般称之为厚包气带（deep vadose zone）。由于一般的土壤水分监测仪器难以安装到数米以下的深度，厚包气带的试验研究开展较为困难。当前，针对地下水大埋深地区的试验研究及模拟研究已开展了部分工作（如华北平原、黄土高原等），主要集中在水文地质研究领域。
　　1）华北平原相关研究
　　华北平原因其重要的政治经济地位、巨大的粮食产出及严重的水资源短缺局势备受关注。学者们在华北平原（或海河流域）水资源安全问题、水循环演变机理、地下水开采影响、农业水文过程、气候变化对区域水循环的潜在影响等方面做了大量卓有成效的研究，增加了对华北平原水循环的科学认识。但是，因地下水超采形成的大埋深条件对水循环过程及其特征带来了哪些影响却有待深入研究。
　　目前，在华北平原山前平原区地下水大埋深对入渗补给系数等水文地质重要参数的影响方面，Kendy等（2003，2004）基于栾城5250px深度土层的实测数据，假设单位水势梯度的下边界，通过5250px的土层数值模拟(1998～2001年)，确认了太行山区平原区面上入渗补给（areal recharge）的存在，其年内分布与降水有关；入渗系数不是常量，认为入渗补给系数随降水量的增加而增加，并提出减少渗漏的节水方式无益于控制地下水位下降，需要减少蒸散发。孙仕军等（2003）基于北京市东南郊水资源试验区0～3m土层土壤水分监测资料，认为0～3m土层对降水有很强的调蓄能力，雨季有85%的降水滞蓄其中。张石春等（2003）在河北冉庄采用基于8m地中蒸渗仪观测数据的土壤水平衡方法分析了大埋深条件下降水入渗补给系数及河道渗漏系数，认为降水量较少时，系数随降水量增加而增加，到750mm时达到最大，之后随降水量增加而变小。张光辉等（2007）采用野外试验和室内试验的方法研究了不同包气带厚度对降水入渗补给过程的影响，认为包气带增厚到大于潜水埋深极限深度后，随着包气带厚度增大，入渗速率趋于稳定，无限时间内总入渗补给量不受包气带厚度影响，但有限时间内地下水获取入渗补给会减小。周春华（2007）根据包气带岩性，采用美国农业部第一参数，使用SWAP（soil water atmosphere plant）模型模拟了栾城地下水大埋深条件下降水入渗补给过程（但仅采用了3500px以上的实测数据验证），认为2～5m为非稳定入渗带，降水入渗影响深度一般在10m以内，难以判断其何时补给到地下水及入渗补给量大小。卢小慧等（2007）利用EARTH模型计算了栾城地下水垂向补给量（该模型通过一个线性水库模块这一概念模型来反映厚包气带对深层渗漏的迟滞），结果表明，2003年1月～2005年8月入渗补给量为487.2mm，占降水和灌溉总量的19.9%，且地下水入渗峰值较降水峰值

目录
前言
第1章绪论1
1.1研究背景与意义1
1.2国内外研究进展3
1.3研究目标与范围28
1.4研究思路与框架29
第一部分近60年来海河流域水资源演变及其定量归因
第2章海河流域水资源演变规律35
2.1水资源总量演变规律35
2.2地表和地下水资源量演变规律35
2.3山区和平原区水资源量演变规律36
2.4径流系数演变规律38
2.5三级区水资源量演变规律42
2.6典型站实测径流演变规律43
2.7本章小结45
第3章降水变化及其对海河流域水资源量影响46
3.1研究数据和方法46
3.2降水总量时空变化50
3.3降水年内过程变化60
3.4海河流域雨强时空变化67
3.5降水变化对地表水资源量影响分析78
3.6本章小结81
第4章蒸散发变化及其对海河流域水资源量影响83
4.11961～2016年潜在蒸散发时空演变83
4.2蒸散发能力变化多要素归因识别88
4.3不同土地利用对蒸散发能力影响90
4.4实际蒸散发时空演变94
4.5本章小结100
第5章水域面积变化及其对海河流域水资源量影响102
5.1数据收集与处理102
5.2地表水体提取及其分类103
5.3各类型地表水体面积年际变化107
5.4地表水体面积变化对水资源量的影响117
5.5本章小结122
第6章山区植被变化及其对海河流域水资源量影响123
6.1小流域植被冠层截留规律试验研究123
6.2流域植被质量变化对耗水影响模拟研究134
6.3本章小结154
第7章平原区农田耕作及其对海河流域水资源量影响156
7.1平原区农田灌溉面积变化156
7.2基于场次降水的农田产流过程模拟研究157
7.3不同田埂高度对农田产流的影响161
7.4本章小结169
第8章城镇扩张及其对海河流域水资源量影响170
8.1海河流域城镇化发展变化170
8.2海河流域SCS-CN模型构建与验证177
8.3城镇化对地表水资源量影响定量解析183
8.4本章小结184
第9章近60年海河流域地表水资源演变综合归因185
9.1海河流域地表水资源演变归因分析185
9.2海河流域三级区水资源衰减归因187
9.3研究的不确定性及对未来可能影响189
第二部分海河流域山区植被-土壤水分运移机理与规律
第10章太行山区岩土二元介质水分运移机制193
10.1岩土二元介质降水-径流-入渗关系193
10.2不同土地利用类型岩土入渗特性195
10.3不同下垫面对降水-径流-入渗关系的影响198
10.4岩土二元介质坡地岩土水分动态及时空变异特征203
10.5裂隙岩体渗流动态及对生态系统的响应关系208
10.6本章小结216
第11章山区土壤斥水性试验与模拟217
11.1土石山区土壤斥水性影响因素及空间分布217
11.2斥水性土壤入渗机理228
11.3斥水性土壤降水产流水文过程247
11.4本章小结280
第三部分海河流域平原区土壤水与地下水演变机理与规律
第12章深厚包气带土壤水分运移试验研究285
12.1试验概况285
12.2地下水大埋深区土壤水分分布特征288
12.3本章小结296
第13章深厚包气带土壤水分运移模拟与入渗衰减机理297
13.1一维土壤水动力学模型构建297
13.2不同水文年型土壤水循环通量302
13.3*小灌溉条件下土壤水分和入渗通量模拟308
13.4本章小结313
第14章海河流域平原区深厚包气带对地下水补给衰减影响314
14.1海河流域平原地下水补给研究现状314
14.2非饱和带-饱和带地下水流数值模型315
14.3区域地下水补给量空间分布及动态变化320
14.4包气带增厚对地下水补给影响322
14.5地下水补给排泄模式及受地形和含水层结构影响324
14.6气候变化对地下水补给影响及深层承压水补给年代327
14.7地下水储量和水位变化滞后关系331
14.8本章小结334
第15章地面沉降影响深层地下水储量变化模拟与衰减评价336
15.1承压含水层系统压缩释水模型336
15.2沧州沉降中心含水层参数和压缩释水量变化346
15.3海河平原区深层地下水含水层参数变化352
15.4海河平原区深层地下水储量变化356
15.5本章小结358
第四部分海河流域水循环模拟与水资源演变预测
第16章海河流域分布式水循环模型构建361
16.1WACM简介361
16.2模型输入数据及前期处理372
16.3计算单元离散384
16.4模型率定与验证386
16.5本章小结393
第17章海河流域水资源量评价395
17.1现有水资源量评价方法395
17.2基于“物理机制-数值模拟”的水资源量动态评价方法402
17.3降水资源量评价404
17.4地表水资源量评价409
17.5地下水资源量评价420
17.6水资源总量评价429
17.7本章小结434
第18章强人类活动对海河流域水资源量的影响解析436
18.1农业灌溉对水资源量的影响436
18.2地下水埋深变化对水资源量的影响443
18.3土地利用变化对水循环速度和水资源量的影响454
18.4植被覆盖度变化对水资源量的影响466
18.5本章小结471
第19章海河流域水资源演变关键要素预测473
19.1未来气候变化预测473
19.2土地利用分布预测500
19.3植被覆盖度情景预测504
19.4地下水埋深情景预测511
19.5本章小结522
第20章海河流域未来水资源演变预测524
20.1未来情景方案集设置524
20.2现状气候条件下海河流域水资源量预测525
20.3不同地下水埋深情景下海河流域水资源量预测539
20.4未来可能情景研判543
20.5本章小结548
参考文献549