气候变化影响因素_气候变化的影响因子包括

1.关于地理厄尔尼诺现象 太平洋西岸气候变化！

2.中国应对气候变化科技专项行动的重点任务

3.气候变化会影响外来物种种群扩张和危害吗？

4.未来人类活动和气候变化对地下水圈演变的预测及评价

关于适应全球气候变暖趋势的措施建议

近百年来，全球的气候与环境发生了重大变化，主要表现在水资源短缺、生态系统退化、土壤侵蚀加剧、生物多样性锐减、臭氧层耗损、大气成分改变等等方面，对人类的生存和社会经济的发展构成了严重威胁，引起了世界各国政府和公众的广泛关注。

全球气候变化以全球变暖为主要特征，我国的气候与环境也因此发生了显著变化。根据气候模式预估，未来100年全球可能还将升温1.4～5.8℃，全球平均降水将有明显变化，北半球雪盖和海冰范围将进一步缩小；一些极端天气与气候事件（如高温、强降水、热带气旋等）发生的频率会增加；许多地区的干旱将加剧，海平面将加速上升，全球平均海平面到2100年时有可能将比1990年上升0.09～0.88m。

二十一世纪我国气候可能将继续明显变暖，尤以冬半年、北方最为明显。我国近百年增暖的幅度为0.5～0.8℃，近50年我国年平均气温升高以北方为主，其中东北北部、内蒙古及西部盆地已经上升了2℃以上。气候变暖后，我国的天气气候极端事件的发生频率趋多、趋强，夏季高温热浪增多。气候变化将对我国农业产生一些影响，如作物生长加快，生长期缩短，可能减少物质积累和籽粒产量，从而对农业这一对气候变化最为敏感的部门产生重大影响，种植制度将发生改变，主要作物品种的布局也将发生变化。《京都议定书》生效后，国际社会对发展中国家参与温室气体减排行动的压力日益增加，中国作为一个发展中大国，目前二氧化碳排放总量已占世界第二，我国面临严峻的减排形势和快速发展经济的双重任务。

根据我国实际情况，正确理解气候变化对各个方面影响的深度和广度，分析其利弊关系，提出相应的适应及减缓对策，是我国面临的重大课题。为此，我们建议：

第一、采取适应气候变化的措施

除了根据温度、水资源、生物等气候与环境因子的空间格局与演化趋势，调整生产结构与生活方式外，还要认真采取水资源、海岸带、农业、森林、草原、人类健康等方面的适应对策，特别要重视需在现有认识基础上，选择有利于对付气候和环境变化及其影响和有利于促进经济发展与社会进步的"无悔对策和措施"，形成有利于资源节约和环境保护的产业结构和消费方式，实现经济效益、社会效益和生态效益相统一。

在制定发展规划时，应把全球气候变暖将产生的影响考虑进去。例如，依据过去50年气候资料，目前计划到2020年耗资830.6亿元建设淤地坝16.3万座，在主要入黄支流建成较为完善的沟道坝系。但实际上由于气候变暖，青藏高原冰川融化加剧，西北高原夏季降雨量将明显增加，非但淤地坝的作用会减小，而且可能造成区域性连锁塌、垮坝，从而造成重大灾害。所以，“十一五”规划一定要根据气候变化采取适应措施，趋利避害。

第二、采取减缓气候变化的措施

在充分考虑国家长期社会经济发展需要的前提下，积极采取多种减缓措施，坚持把减缓气候变化的核心技术作为优先领域，加大研发投入，加快先进技术产业化步伐；实施节能优先的能源政策，对能源生产、输送、加工、转换到最终利用的全过程实施节能管理；积极开发可再生能源技术、先进核能技术以及高效、洁净、低排放的煤炭利用技术和氢能技术，重点突破可再生能源发电技术、太阳能建筑一体化技术以及生物质液化、气化技术，积极研发太阳能光伏发电技术；转变经济增长模式，坚持走技术含量高，经济效益好，资源消耗低，环境污染少，人力资源优势得到充分发挥的新型工业化道路；改进土地利用方式，加强森林资源的保护和管理。结合国家重点生态建设综合治理工程，大力推进植树造林；减缓气候变化战略与国家可持续发展战略相协调。当前以解决国内日益严重和紧迫的环境污染问题和能源资源供应紧缺问题为驱动力和切入点，推进减缓气候变化战略的实施，并将减缓碳排放作为国家能源战略的重要目标。

第三、加强气候变化领域的科研与业务工作

由于未来人为排放方案的多样性、气候模式的不确定性、气候自然变化的难以预测性以及气候系统各圈层和多种影响因子的相互作用和反馈的复杂性等，对未来气候变化的预估包含有相当的不确定性。加强科学研究，不断地改进和提高人类对气候系统及其变化的认识，解决和减少不确定性是目前和今后相当长一段时间内科学界的重要任务。要深入理解全球气候系统中各圈层的相互作用和反馈过程，了解温室气体和气溶胶等的循环过程及其机理，掌握气候变化检测和预估的方法。应当尽快部署和实施中国气候系统观测、大气成分观测以及气候模式系统等一系列重大科学研究计划，以加深我们对全球气候变化影响的认识，使我们在全球变化与人类活动对中国气候变化强信号区的影响方面获得新的观测事实，提高对未来气候变化预测的准确率。

(选自2006年两会专题)

关于地理厄尔尼诺现象 太平洋西岸气候变化！

《自然—通讯》和《科学报告》是自然出版集团（NPG）旗下增长最快的两本刊物。《自然—通讯》和《科学报告》分别在2010年和2011年推出，这两本期刊在今年6月双双实现发表论文数量达到2000篇的里程碑，同时两份刊物的论文投稿数和发表数继续快速增长。

最新发布的2012年期刊引用报告（JCR）把《自然—通讯》列为全球十佳多学科科学期刊的第3位，《科学报告》位列第8. 《自然》杂志依然在多学科科学期刊分类中位列第1，其影响因子为38.597，在2012年全年共被各类论文引用554,745次，是世界上被引用最多的科学期刊。

根据2012年期刊引证报告，《自然—通讯》在2012年共被引用了7,000多次，其影响因子达到10.015，目前已在全世界所有的科学期刊跻身前2%。《科学报告》今年第一次得到影响因子的评估，其影响因子在2012年达到2.927，在56种多学科科学期刊中排名第8位。

《自然—通讯》的网站在2013年1-6月期间，已经有超过430万的页面访问量，目前每月收到的论文提交数量已经超过《自然》杂志。《自然—通讯》在今年前6个月发表了723篇论文，这一数字已经比2012年全年发表的702篇还要多。在今年上半年在《自然—通讯》上发表的论文数量占目前已发表论文总量的36%，预计全年将发表1,650篇论文。《自然—通讯》为论文作者提供一个开放获取的选择， 38%的已发表论文是可以开放获取的，这些论文都遵守共同创作协议（CC）。

《科学报告》是自然出版集团（NPG）增长最快的期刊，其发表的论文数量已经超过集团旗下所有其他刊物。今年以来，《科学报告》已经发表了超过1，000篇论文，占到自2011年6月推出以来发表论文总量的一半。《科学报告》中的所有文章都是在创作共用许可协议（CC）下让读者开放获取的。今年以来，《科学报告》的网站已经有350万的页面访问量。

《自然—通讯》在2012年期刊引证报告科学版中同另外18本《自然》旗下的刊物一起，跻身全球最佳50本期刊。该期刊引证报告科学版是考量了全球8,411本科学期刊后，所得出的排名结果。另外《自然》旗下的《自然气候变化》，其首次的影响因子就达到了14.472，在所有环境科学类期刊中位列第1。

中国应对气候变化科技专项行动的重点任务

厄尔尼诺现象又称厄尔尼诺海流，是太平洋赤道带大范围内海洋和大气相互作用后失去平衡而产生的一种气候现象，就是沃克环流圈东移造成的。正常情况下，热带太平洋区域的季风洋流是从美洲走向亚洲，使太平洋表面保持温暖，给印尼周围带来热带降雨。但这种模式每2—7年被打乱一次，使风向和洋流发生逆转，太平洋表层的热流就转而向东走向美洲，随之便带走了热带降雨，出现所谓的“厄尔尼诺现象”。

厄尔尼诺现象的基本特征是太平洋沿岸的海面水温异常升高，海水水位上涨，并形成一股暖流向南流动。它使原属冷水域的太平洋东部水域变成暖水域，结果引起海啸和暴风骤雨，造成一些地区干旱，另一些地区又降雨过多的异常气候现象。

由于热带海洋地区接收太阳辐射多，因此，海水温度相应较高。在热带太平洋海域，由于受赤道偏东信风牵引，赤道洋流从东太平洋流向西太平洋，使高温暖水不断在西太平洋堆积，成为全球海水温度最高的海域，其海水表面温度达29℃以上，相反，在赤道东太平洋海水温度却较低，一般为23～24℃，由于海温场这种西高东低的分布特征，使热带西太平洋呈现气流上升，气压偏低，热带东太平洋呈现气流下沉，气压较高。

正常情况下，西太平洋上升运动强，降水丰沛，在赤道中、东太平洋，大气为下沉运动，降水量极少。当厄尔尼诺现象发生时，由于赤道西太平洋海域的大量暖海水流向赤道东太平洋，致使赤道西太平洋海水温度下降，大气上升运动减弱，降水也随之减少，造成那里严重干旱。而在赤道中、东太平洋，由于海温升高，上升运动加强，造成降水明显增多，暴雨成灾。

厄尔尼诺现象是海洋和大气相互作用不稳定状态下的结果。据统计，每次较强的厄尔尼诺现象都会导致全球性的气候异常，由此带来巨大的经济损失。1997年是强厄尔尼诺年，其强大的影响力一直续待至1998年上半年，我国在98年遭遇的历史旱见的特大洪水，厄尔尼诺便是最重要的影响因子之一。

厄尔尼诺的气候影响

首先是台风减少，厄尔尼诺现象发生后，西北太平洋热带风暴（台风）的产生个数及在我国沿海登陆个数均较正常年份少。

其次是我国北方夏季易发生高温、干旱，通常在厄尔尼诺现象发生的当年，我国的夏季风较弱，季风雨带偏南，位于我国中部或长江以南地区，我国北方地区夏季往往容易出现干旱、高温。1997年强厄尔尼诺发生后，我国北方的干旱和高温十分明显。

第三是我国南方易发生低温、洪涝，在厄尔尼诺现象发生后的次年，在我国南方，包括长江流域和江南地区，容易出现洪涝，近百年来发生在我国的严重洪水，如1931年、1954年和1998年，都发生在厄尔尼诺年的次年。我国在1998年遭遇的特大洪水，厄尔尼诺便是最重要的影响因素之一。

最后，在厄尔尼诺现象发生后的冬季，我国北方地区容易出现暖冬。

根据近50年的气象资料，厄尔尼诺发生后，我国当年冬季温度偏高的几率较大，第二年我国南部地区夏季降水容易偏多，而北方地区往往出现大范围干旱。

据历史记载，自1950年以来，世界上共发生13次厄尔尼诺现象。其中1997年发生的并且持续至今的这一次最为严重。主要表现在：从北半球到南半球，从非洲到拉美，气候变得古怪而不可思议，该凉爽的地方骄阳似火，温暖如春的季节突然下起来大雪，雨季到来却迟迟滴雨不下，正值旱季却洪水泛滥。

科学家们认为，厄尔尼诺现象的发生与人类自然环境的日益恶化有关，是地球温室效应增加的直接结果，与人类向大自然过多索取而不注意环境保护有关。

根据对近百年来太阳活动变化规律与厄尔尼诺关系的研究，科学家发现太阳黑子减少期到谷值期是厄尔尼诺的多发期，并有2至3次厄尔尼诺发生。

气候变化会影响外来物种种群扩张和危害吗？

（一）气候变化的科学问题

新一代气候系统模式。开发新一代具有自主知识产权的，包含碳循环过程、地球生物化学过程、陆面、冰盖和生态模式以及高分辨率的海洋和大气环流数值模式的气候系统模式。

气候变化的检测与归因。重建过去两千年以来中国高分辨率气候变化序列，利用气候模式进行气候变化自然和人为因子影响的敏感性试验，确定不同历史时期气候变化的主要影响因子。

气候变化监测预测预警。开发气候变化监测预测预警技术，监测气候变化的过程和要素，模拟预测各种温室气体排放情景下未来全球气候变化情景，预测人类活动影响下全球主要地区未来气候变化，预警极端天气/气候和灾害事件及其风险评估。

亚洲季风系统与气候变化。研究亚洲季风系统的变化规律及其在全球气候变化中的地位，分析人类活动对亚洲季风系统及气候变化的影响，研究海－陆－气相互作用及其在全球气候异常产生中的作用。

中国极端天气/气候事件与灾害的形成机理。研究全球变暖背景下中国极端天气/气候事件与灾害发生频率、强度和空间分布特征的变化规律和趋势，认识气候变暖背景下亚洲和中国区域能量和水循环的变化特征及其与旱涝的关系，研究气候变暖背景下中国沿海海平面变化规律。

冰冻圈变化过程与趋势。研究冰冻圈的气候、水文、生态、环境效应，青藏高原积雪变化对长江中、下游气候影响的机理及其对全球气候变化的响应，研究南北两极、欧亚大陆积雪对中国气候变化的影响。

生态系统能量转化、物质循环对气候变化的响应。研究气候变化背景下生态系统的碳、氮和水循环过程及其耦合机制，以及生态系统结构和过程对气候变化的响应。

（二）控制温室气体排放和减缓气候变化的技术开发

节能和提高能效技术。重点研究开发电力、冶金、石化、化工、建材、交通运输、建筑等各主要高耗能领域的节能和提高能效技术与装备，机电产品节能和提高能效技术，商业和民用节能技术和设备，能源梯级综合利用技术等。

可再生能源和新能源技术。重点研究低成本规模化可再生能源开发利用技术，开发大型风力发电设备，高性价比太阳光伏电池及利用技术、太阳能发电技术和太阳能建筑一体化技术，燃料电池技术，水电、生物质能、氢能、地热能、海洋能和沼气等的开发利用技术。

煤的清洁高效开发利用技术。重点研究开发煤炭高效开采技术及配套设备、重型燃气轮机、整体煤气化联合循环、高参数超（超）临界机组、超临界大型循环流化床等高效发电技术与装备，开发和应用液化及多联产技术，开发煤液化以及煤气化、煤化工等转化技术、以煤气化为基础的多联产系统技术等。

油气资源和煤层气勘探和清洁高效开发利用技术。重点开发复杂断块与岩性地层以及深海油气藏勘探技术，深层油气资源勘探技术，稠油油藏和低品位油气资源提高采收率综合技术，油气资源和煤层气清洁高效开发利用技术。

先进核能技术。研究并掌握快堆设计及核心技术，相关核燃料和结构材料技术，突破钠循环等关键技术，积极参与国际热核聚变实验反应堆的建设与研究。

二氧化碳捕集、利用与封存技术。研发二氧化碳捕集、利用与封存关键技术和措施；制订二氧化碳捕集、利用与封存技术路线图，开展二氧化碳捕集、利用与封存能力建设、工程技术示范。

生物固碳技术和固碳工程技术。研究林业等生物固碳技术和各类固碳工程技术。

农业和土地利用方式控制温室气体排放技术。研究通过调控农业生产方式减少温室气体排放的技术；研究土地利用方式改变减少温室气体排放的技术。

（三）适应气候变化的技术和措施

气候变化影响评估模型。在现有气候变化影响评估模型的基础上，根据中国区域影响评估的特点和需求，开发具有自主知识产权的影响评估工具和综合评估模型。

气候变化对中国主要脆弱领域的影响及适应技术和措施。研究气候变化对中国农牧业、水资源、海岸带、森林、草原、湿地和其他自然生态系统以及人类健康和公共卫生、特有生态系统和濒危物种等方面的影响，开发相应的适应技术并提出应对措施。

极端天气/气候事件与灾害的影响及适应技术和措施。研究极端天气/气候事件与灾害对人类社会和生态系统的影响、减灾的技术措施，建立相应的预测预警和适应技术、对策与响应机制。

气候变化影响的敏感脆弱区及风险管理体系的建立。通过影响评估划分中国气候变化的敏感区和脆弱区，评估气候变化对各类敏感脆弱区影响的风险水平，研究建立中国气候变化影响的风险管理体系。

气候变化对重大工程的影响及应对措施。评估气候变化对中国重大工程建设和运行的影响及相互作用，提出应对措施。

气候变化与其他全球环境问题的交互作用及应对措施。研究气候变化与生物多样性、荒漠化、环境污染等其他全球环境问题的交互作用、响应机制及其适应技术和措施。

气候变化影响的危险水平及适应能力。研究气候变化影响的危险水平，科学地评估不同部门和地区的适应气候变化危险水平的能力。

适应气候变化案例研究。选择典型部门/区域进行适应气候变化案例研究，提出具可操作性的适应政策和措施，分析适应措施的成本有效性。

（四）应对气候变化的重大战略与政策

应对气候变化与中国能源安全战略。分析中国中长期能源需求趋势，研究控制温室气体排放与中国能源供给和需求的关系，科学评估能源供给多元化和节能减排政策的经济技术潜力。

未来气候变化国际制度。研究不同时期国际气候变化制度的发展态势，分析其各种可能方案对中国的潜在影响，研究提出中国自己的未来气候变化国际制度方案。

中国未来能源发展与温室气体排放情景。研究中国未来能源需求情景和温室气体排放情景，研究全球温室气体排放、稳定温室气体浓度水平和气候变化的关系，研究中国各行业、各地方节能减排潜力及其宏观经济成本。

清洁发展机制与碳交易制度。研究气候变化国际制度对全球碳市场的影响，研究与清洁发展机制相适应的国内政策与机制，研究以清洁发展机制为核心的中国碳交易制度的发展方向及其内容。

应对气候变化与低碳经济发展。研究发达国家发展低碳经济的政策和制度体系，分析中国低碳经济发展的可能途径与潜力，研究促进中国低碳经济发展的体制、机制和管理模式。

国际产品贸易与温室气体排放。研究隐含能源进出口与温室气体排放的关系，综合评价全球应对气候变化行动对制造业国际转移和分工的影响。

应对气候变化的科学技术战略。研究气候变化科技发展态势，建立自主创新、引进吸收与知识产权保护相互关系的新机制，形成中国自主创新与国际合作相结合的气候变化科技发展战略。

未来人类活动和气候变化对地下水圈演变的预测及评价

外来物种的成功定殖须达到一定的种群数量，温度升高能够促进外来物种的繁殖，从而增大种群数量，有利于种群的成功定殖。大量试验研究表明，CO2浓度升高会显著促进植物的生长发育，促进外来物种的定植和种群扩张。根据北美的6种主要入侵杂草的试验研究，当CO2浓度从现有水平增至未来水平（719微摩尔/摩尔）时，生物量平均增加46%；据此推测，20世纪CO2浓度升高可能是这些杂草猖獗发生的主要因素。

一般推测，CO2浓度升高对C3植物的促进作用大于对C4植物的作用，所以，外来C3植物的入侵性将会更强，在与本土植物的竞争中将具有更大的优势。例如，豚草具有C3光合路径，原产于北美，自20世纪30年代豚草传入我国，以沈阳、南京、武汉、南昌4个扩散中心向周边蔓延危害，现已传播到大部分省区，对生态环境、农牧业生产和人类健康构成威胁。模拟CO2浓度升高的环境以及野外开放条件下的试验均表明，CO2浓度升高与豚草生物量和花粉量存在显著的正相关性。即使外来植物属于C4光合路径、本土作物属于C3光合路径，在气候变化条件下，外来植物可能仍然具有更强的相对竞争力，因为温度升高对外来C4植物的促进作用可能更强，从而抵消了CO2浓度升高对本土C3作物带来的优势。

此外，在本土植物与外来植物的竞争中，另一个重要的影响因子是植食性天敌，本土植物面临大量植食性昆虫的取食胁迫，而外来植物在传入过程中“摆脱”了原产地的天敌胁迫，所以，即使CO2浓度升高有利于C3作物，在实际与C4外来植物的竞争中也可能处于劣势。例如在温室的竞争试验表明，在CO2浓度升高条件下，一年生C4植物的相对竞争力强于一年生C3植物。

根据植物生态学理论推测，在气候变化条件下，外来入侵植物可能比作物获得更大的“好处”，因为外来入侵植物对新环境胁迫因子具有更强的忍耐性，表现出更快的适应性进化，具有更强的表型可塑性，具有更宽的生态幅，这些特性将使得外来入侵植物在气候变化环境中比作物具有更大的适合度。例如，对美国麻省某地本土和外来植物150年物候数据进行的分析发现，外来植物通过调整开花期能更好地适应气候变化。所以，气候变化可能在未来有利于外来植物的定植和入侵。

气候变暖除了使外来物种克服了生理障碍外，也可能改变外来物种的迁飞扩散格局。例如，入侵我国大部分稻区的稻水象甲在春季迁入稻田的早晚与气温密切相关（图6），当13.8℃以上的积温达到约90℃时，约50%的个体完成了飞行肌的发育。据此推测，当早春气温升高后，越冬成虫迁入稻田的时间将提早，温度除影响稻水象甲的迁飞外，还影响其摄食量、产卵量和卵发育等生活史特性。

图6

A.稻水象甲（来源：祝增荣） B.马铃薯甲虫（来源：李保平）C.烟粉虱（来源：李保平）

（孟玲）

12.3.2.1 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12.16），因此将潜水含水层确定为重点模拟预测研究的含水层。

图12.16 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12.17、图12.18。

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12.17 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12.18 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12.19）。

（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12.19 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12.20、图12.21）。

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12.7至表12.9

表12.7 浅层含水层水文地质参数初值表

图12.20 浅层含水层初始参数分区图

表12.8 深层含水层水文地质参数初值表

表12.9 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12.21 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12.9。

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0.05～0.10，平原区一般为0.10～0.15。

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12.10。

表12.10 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69.58×108m3。其中，公共供水设施和自建取水设施地下水取水量分别为3.67×108m3和7.77×108m3，农业灌溉开采量为54.99×108m3。

（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0.5m范围内的监测孔分别占监测孔总数的77.1%和83.3%，识别时段（2003年12月31日）地下水流场拟合情况见表12.11，图12.22、图12.23。代表性监测孔的水位拟合情况见图12.24，拟合效果满足《地下水资源管理模型工作要求》。

图12.22 浅层地下水流场拟合图

图12.23 深层地下水流场拟合图

表12.11 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12.12、表12.13、表12.14。

表12.12 浅层含水层水文地质参数识别结果表

续表

图12.24 识别阶段浅层含水层代表性监测孔单井拟合曲线图

表12.13 弱透水层越流系数识别结果表　单位：10-5d-1

表12.14 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0.5m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12.25、图12.26）。

图12.25 验证时段浅层地下水流场拟合结果图

图12.26 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。

12.3.2.2 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12.27、图12.28），得到典型降水保证率下的降水量（表12.15）。从两站降水量序列图（图12.29）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12.27 中牟县降水量频率曲线图

图12.28 巩义市降水量频率曲线图

表12.15 巩义市和中牟县典型保证率下的降水量表　单位：mm

图12.29 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12.30 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12.30、图12.31）。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0.5～-18m，承压水水位变幅0.5～-11m（图12.32、图12.33）。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0～0.5m。河南平原南部潜水水位略有下降，水位降幅为0～-0.5m。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12.31 连续5个中等干旱年后深层地下水流场图

图12.32 连续5个中等干旱年后潜水水位变幅图

图12.33 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12.34、图12.35）。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12.36、图12.37）。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-10.5m。

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12.34 连续2个特殊干旱年后浅层地下水流场图

图12.35 连续2个特殊干旱年后深层地下水流场图

图12.36 连续2个特殊干旱年后潜水水位变幅图

图12.37 连续2个特殊干旱年后承压水位变幅图

12.3.2.3 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12.38）。

图12.38 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37.69×108m3，占河南平原地下水开采量（104.81×108m3/a，1997）的35.96%。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12.16。

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12.16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12.16 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12.39 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1.82×104km2，各城市基本分布在南水北调总干渠一线附近（图12.39）。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（89.68×108m3/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12.40至图12.42。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0.7m，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6.64m，8.15m和4.15m（表12.17）。

表12.17 河南平原典型漏斗中心预报前后地下水位埋深状况

图12.40 1年后浅层地下水位等值线图

图12.41 2年后浅层地下水位等值线图

图12.42 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12.43至图12.45）。

图12.43 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。