基于耦合模型的三江平原地下水 - 地表水联合模拟与调控策略探究.docxVIP

基于耦合模型的三江平原地下水-地表水联合模拟与调控策略探究

一、引言

1.1研究背景

三江平原，又称三江低地，地处黑龙江省东北部，介于北纬45°01′～48°27′56″，东经130°13′～135°05′26″之间，总面积达5.5万平方千米。它是由黑龙江、松花江和乌苏里江冲积形成的低平原，地势低平，由西南向东北倾斜，平均海拔50-60米，抚远三角洲的黑瞎子岛最低，海拔仅34米，地面总坡降为1/10000。独特的地理位置与地形条件，造就了三江平原丰富的水资源，其水资源总量达187.64亿立方米，为区域内的生产生活及生态系统的稳定提供了重要的物质基础。

该地区属温带湿润、半湿润大陆性季风气候，全年日照时数在2400-2500小时，年平均气温1.3-3.9℃，全年日平均气温大于10℃的有效积温2250-2800℃，农作物生长期日照1200-1500h，作物生长期太阳辐射量66-77千卡/cm2，光温资源丰富，且雨热同季，为小麦、大豆、玉米、水稻等多种农作物的生长创造了适宜的气候条件，使其成为我国重要的商品粮生产基地。同时，三江平原还是中国面积最大的平原湿地集中分布区，是丹顶鹤等珍稀水禽的重要栖息地以及东亚—澳大利西亚候鸟的重要迁徙停歇地，在生物多样性保护方面具有不可替代的重要作用。

然而，随着区域经济的快速发展和人口的增长，对水资源的需求量日益增加，三江平原的水资源面临着严峻的挑战。一方面，不合理的水资源开发利用，如过度开采地下水、水资源浪费等现象，导致地下水位下降，部分地区出现地面沉降等地质灾害，同时也影响了地表水与地下水之间的天然平衡关系；另一方面，工业废水、农业面源污染和城市污水的排放，使得水体污染问题日益突出，水质恶化，进一步加剧了水资源的短缺。这些问题不仅制约了当地经济的可持续发展，还对生态环境造成了严重破坏，威胁到珍稀物种的生存和生物多样性的保护。

地表水与地下水作为水资源的重要组成部分，二者之间存在着紧密的联系和相互转化关系。在自然状态下，地表水通过入渗补给地下水，地下水则通过泉、溪流等形式排泄为地表水，这种动态平衡维持着区域水资源的稳定和生态系统的健康。但人类活动的干扰打破了这种平衡，因此，开展三江平原地下水-地表水联合模拟与调控研究具有至关重要的意义。通过建立科学合理的联合模拟模型，深入了解地表水与地下水的相互作用机制和动态变化规律，能够为水资源的合理开发利用和科学管理提供准确的数据支持和决策依据，从而实现水资源的优化配置，提高水资源利用效率，保障区域经济社会的可持续发展和生态环境的稳定。

1.2国内外研究现状

地表水与地下水联合模拟与调控的研究在国际上起步较早，取得了一系列重要成果。20世纪60年代，国外学者就提出了地下水安全开采量的理论，并基于此提出动态储蓄量的概念，用于合理评估地下水量。随后，随着计算机技术和数学优化方法的发展，研究人员开始利用数字模拟技术和联合调控模型，对地表水和地下水进行系统分析与管理。如通过响应矩阵法实现多个区域不同环境下的水源综合管理，以保证水源利用的经济效益最大化。到了20世纪90年代，多水质、多水源的水资源管理模型被提出，有效解决了用水效率低下、水质效果不达标以及供需结果不协调等水资源利用问题。

在耦合模拟模型方面，国际上已发展出多种类型。MIKE-SHE模型是一种典型的分布式水文模型，能够全面考虑地表水与地下水的相互作用过程，包括降雨、蒸发、地表径流、入渗、地下水流动等多个环节，在欧洲的许多流域得到了广泛应用，为水资源规划和管理提供了有力支持。MODBRANCH模型则侧重于河流与地下水之间的水力联系模拟，通过对河流渗漏、基流等过程的精确刻画，有效揭示了地表水与地下水在河流系统中的交互作用机制，在北美地区的河流流域研究中发挥了重要作用。

国内在地表水与地下水联合模拟与调控领域的研究也在不断发展。早期主要集中在对“四水”（大气水、地表水、土壤水、地下水）或“五水”（增加了生物水）转化的概念性模型研究，这些模型基于水量平衡原理，对区域水资源进行宏观分析，但在反映水文循环过程的空间变异性方面存在一定局限性。近年来，随着“3S”技术（地理信息系统GIS、全球定位系统GPS、遥感RS）和计算机技术的飞速发展，国内学者开始引入和开发分布式水文模型，如SWATMOD模型，该模型将SWAT模型的地表水文过程模拟与MODFLOW模型的地下水模拟相结合，能够较好地模拟复杂地形和土地利用条件下的地表水与地下水联合运动过程，在我国一些流域的水资源研究中得到了应用。

在三江平原的研究方面，前人已开展了不少工作。有学者在水文理论基础上建立了三江平原地下水流动的微分方程数学模型