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黄淮海平原区土地利用变化对地下水资源量变化的影响

本站小编 Free考研考试/2021-12-29

雷鸣¹^,²^,, 孔祥斌¹^,²^,, 张雪靓¹^,², 吴芳芳¹^,²

1. 中国农业大学资源与环境学院,北京 100193

2. 国土资源部农用地质量与监控重点实验室,北京 100193

Land use change and impact on groundwater storage in the Huang-Huai-Hai Plain

LEIMing¹^,²^,, KONGXiangbin¹^,²^,, ZHANGXueliang¹^,², WUFangfang¹^,²

1.College of Resources and Environment,China Agricultural University,Beijing 100193,China

2. Key Laboratory for Farmland Quality and Monitoring of National Ministry of Land Resources,Beijing 100193,China

通讯作者:通讯作者:孔祥斌,E-mail:kxb@cau.edu.cn
收稿日期:2016-06-5
修回日期:2017-03-16
网络出版日期:2017-06-20
版权声明:2017《资源科学》编辑部《资源科学》编辑部
基金资助:

国家社会科学重点基金项目（14AZD031）

北京市自然科学重点基金项目（8151001）

作者简介:
-->作者简介:雷鸣,男（布依族）,贵州黔南人,博士生,主要研究方向为土地资源可持续利用研究。E-mail:leiming51@126.com

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摘要
土地利用变化对水文过程的影响以及衍生的资源与环境问题已经成为当前研究的热点问题,针对黄淮海平原区水资源短缺问题,研究区域的土地利用变化对地下水资源量的效应,对于地下水位下降原因的诊断,调整土地利用以缓解地下水危机具有现实意义。本文构建了1km网格地理信息数据库,利用基于水量平衡原理的单元网格水平衡分析方法,计算出了1990年、2010年两期黄淮海平原区310 863个网格地下水蓄变量。研究发现,黄淮海平原区的土地结构变化趋势是生态用地转换为耕地,耕地转换为建设用地,而其中各地类的耗水强度排序为建设用地>耕地>草地以及未利用土地,建设用地耗水强度从107万m³/km²增加到2010年的166万m³/km²,耕地耗水强度从51.90万m³/km²增加到57.50万m³/km²,草地与未利用地耗水强度分别从43.91万m³/km²、46.78万m³/km²变化到50.93万m³/km²、49.39m³/km²。低耗水强度的用地结构向高耗水强度用地结构变化,以及建设用地和耕地耗水强度不断增加,导致了黄淮海平原区各流域地下水蓄变量减少。

关键词：地下水蓄变量;水平衡;土地利用变化;黄淮海平原区
Abstract
Impacts of land use on hydrologic processes and environmental problems caused by land use are hot research topics in global. Facing water shortages in the Huang-Huai-Hai Plain,a method of grid water balance principle is presented here based on a 1km grid geographic information database. The grid water balance model was applied to simulate groundwater storage of 310 863 grids in 1990 and 2010. The result of grid water balance effectively simulated the groundwater storage of Huang-Huai-Hai Plain in 1990 and 2010. The reduction of groundwater storage from 1990 to 2010 has a close link with land use change and the water consumption intensity of land. The trend of land use change is that construction land occupies cultivated land and cultivated land occupies ecological land in the Huang-Huai-Hai Plain from 1990 and 2010. The rank for water consumption strength of land use grid is:Construction land > Cultivated land > Grassland and Unused land. Low water consumption strength land type turns to high water consumption rate land type in the Huang-Huai-Hai Plain,which means less groundwater storage in 20 years. Grid construction land water consumption increased by 1.07 million m³/km² in 2010 from 1.66 million m³/km² in 1990,grid cultivated land water consumption changed from 519 thousand m³/km² in 1990 to 575 thousand m³/km² in 2010. The water consumption rate of construction land and cultivated land increased consecutively. The rule of land use change is important for Huang-Huai-Hai Plain ground water decline.

Keywords：groundwater storage;water balance;land use change;Huang-Huai-Hai Plain

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雷鸣, 孔祥斌, 张雪靓, 吴芳芳. 黄淮海平原区土地利用变化对地下水资源量变化的影响[J]. , 2017, 39(6): 1099-1116 https://doi.org/10.18402/resci.2017.06.10
LEI Ming, KONG Xiangbin, ZHANG Xueliang, WU Fangfang. Land use change and impact on groundwater storage in the Huang-Huai-Hai Plain[J]. 资源科学, 2017, 39(6): 1099-1116 https://doi.org/10.18402/resci.2017.06.10

1 引言

土地利用变化是水文变化的重要驱动因素^[1],土地利用变化对水文过程的影响以及衍生的资源与环境问题已经成为当前研究的热点问题^[2,3]。黄淮海平原区是中国粮食的主产区^[4],也是京津冀城市群的所在地,农业、工业以及居民用水需求量巨大,开采地下水成为该区域用水量的主要来源^[5]。目前因超采地下水,黄淮海平原区地下水水位快速下降,已成为世界三大地下水“漏斗群”之一^[6,7]。研究黄淮海平原区的土地利用变化对地下水资源量的效应,对于地下水位下降原因的诊断,调整土地利用以缓解地下水危机具有现实意义。
目前不少****对土地利用变化的水文效应问题进行研究,如谢高地通过相关分析探讨了泾河流域降雨、景观以及径流变化之间的相互作用^[8];Susanna等利用HSPF（The Hydrologic Simulation Program-Fortran）模型对美国俄亥俄州LMR（Little Miami River）流域进行了土地利用变化对径流影响的研究^[9];Zhang利用SWAT（Soil and Water Assess-ment Tool）模型研究了海河流域灌溉强度对浅层地下水的动态^[10]。但随着区域尺度增大,运用模型所需变量增加,数据要求的提高^[11],所以现有土地利用变化的水文效应研究多侧重于中小尺度径流量变化,涉及大尺度多流域的土地利用变化的水文效应研究并不多见。目前,在黄淮海平原区地下水资源问题研究中,Wang等分析了河北平原不同土壤类型、作物类型、灌溉等因素对于地下水补给量变化的影响,指出灌溉方式、作物类型对地下水补给量变化影响较大^[12];张光辉等建立了华北平原农林灌溉用水强度与地下水承载力适应性状况评价指标体系,识别出华北平原中部的大部分地区农林灌溉用水强度处于“严重不适应”状态^[13]。这些研究大多集中于耕地利用对地下水资源的影响,土地利用变化对地下水资源量影响的研究较少。所以本文立足于跨流域大尺度的黄淮海平原区水资源问题,为摆脱大量基础观测数据以及模型复杂的参数率定,通过在Mantoudi K^[14]、曾维华^[15]等使用的GIS网格水平衡模型中加入土地利用类型,建立了1990年与2010年两期单元网格数据集,计算流域的地下水蓄变量,以期分析黄淮海平原区土地利用变化对地下水资源量的影响。

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

黄淮海平原区包括京、津、冀、鲁、豫、苏、皖7省（市）,总面积31万km²,2010年耕地面积为23万km²,接近全国耕地面积的1/6,耕地数量及垦殖率均居全国各一级农区首位,生产全国近60%~80%的小麦和35%~40%的玉米,是中国的粮仓^[16]。同时,黄淮海平原区包括海河流域、黄河流域下游段以及淮河部分流域,为研究跨多流域尺度土地利用变化的水文效应,本文以水资源系统为研究对象,以《中国水资源分区》与《中国地下水系统分区》为基础,并考虑研究区内的行政界线。如图1所示,将黄淮海平原区划分为11个水资源子系统,其中海河流域包括北四河下游流域、大清河流域、黑龙港与运东流域、徒骇马颊河流域、漳卫河流域、子牙河流域6个水资源子系统,淮河流域包括淮河上游流域、淮河中游流域、淮河下游流域以及南四湖流域4个水资源子系统。

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图1黄淮海平原示意
-->Figure 1Location of research area in Huang-Huai-Hai Plain
-->

2.2 数据来源

本研究通过Arcgis10.3软件建立投影为krasovsky_1940_Albers的多源地理信息数据库。数据源包括土地利用数据、降水量、蒸散发数据等,如表1所示。
Table 1
表1
表1研究数据描述
Table 1Study data description

数据名称	数据描述	数据来源
土地利用数据	空间分辨率为1km $\begin{matrix} \times \end{matrix}$ 1km,分别为1990年、2010年两期	中国科学院资源环境科学数据中心^[17]
降水量	空间分辨率为1km $\begin{matrix} \times \end{matrix}$ 1km,1990-2010年	中国气象数据网中国地面累年值年值数据集^[18]
蒸散发数据	1980-2006年由IBIS（Input Buffer Information Specificati-on）模型输出的全球蒸散发数据,空间分辨率为0.5 $\begin{matrix} ° \end{matrix} \begin{matrix} \times \end{matrix}$ 0.5 $\begin{matrix} ° \end{matrix}$ 栅格;由于缺少2010年蒸散发数据,2001-2010年是MOD16全球蒸散发数据产品,空间分辨率为1km $\begin{matrix} \times \end{matrix}$ 1km;两套数据时间分辨率为年	1980-2006年数据来源于国家地球系统数据共享平台-全球变化模拟集成科学数据中心^[19];2001-2010年数据来源于用NASA（National Aeronautics and Space Administration）全球蒸散发数据产品^[20]
出入境水资源流量	1998-2010年外调水量和入海水量	外调水量和入海水量来源于海河流域水资源公报,黄河流域水资源公报以及淮河流域水资源公报^[21-23]
地下水侧向补给量测算所需参数	潜流入渗系数,垂直于剖面的水力坡度,单位长度剖面面积,计算长度等	《河北省地下水资源勘查报告》^[24]
不透水系数 $\begin{matrix} α \end{matrix}$	透水系数 $\begin{matrix} α \end{matrix}$ 为0.633,林地的不透水系数 $\begin{matrix} α \end{matrix}$ 为0.291,水域的不透水系数 $\begin{matrix} α \end{matrix}$ 为1,草地的不透水系数 $\begin{matrix} α \end{matrix}$ 为0.369,未利用土地的不透水系数 $\begin{matrix} α \end{matrix}$ 为0.369	不透水系数 $\begin{matrix} α \end{matrix}$ 参考了钱建等的模拟结果^[25]
地表水供给系数 $\begin{matrix} β \end{matrix}$	建设用地、耕地以及水域的地表水供给系数 $\begin{matrix} β \end{matrix}$ 数据	由于缺乏建设用地、耕地以及水域的地表水供给系数 $\begin{matrix} β \end{matrix}$ 数据,通过海河流域水资源公报,黄河流域水资源公报以及淮河流域水资源公报的农业部门、工业部门以及生态耗水对地表水的消耗占比近似替代
统计数据	县域工业产值、人口数据以及粮食产量数据	据王静爱的研究^[26],300~600mm降水带的居民每天耗水量在40~60L之间,年平均的耗水量为18.25m³,工业耗水数据主要依据全国万元工业产值耗水量进行计算;统计数据来源于中国经济与社会发展统计数据库中各县市统计年鉴^[27]

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2.3 研究方法

2.3.1 土地利用类型划分
土地利用现状数据中的土地利用类型包括耕地、林地、草地、水域、城乡、工矿居民地和未利用土地6个一级类型以及25个二级类型^1）(1）按照TD/T 1010-2015 《土地利用动态遥感监测规程》^[28],土地利用现状数据中未利用土地是未利用地的二级分类,指目前还未利用的土地,包括沙地、戈壁、盐碱地、沼泽地、裸土地等。)。为便于单元网格水平衡的计算方法,将土地利用类型再划分,一级分为农用地、建设用地以及生态用地;二级类型中农用地包括耕地以及生产性林地、牧草地;建设用地即为城镇用地、工矿用地以及居民用地;生态用地主要包括,自然草地、林地,水域以及未利用土地等。
2.3.2 土地利用转移矩阵与转移净变化量
土地利用转移矩阵反映了某一区域某一时段初期与末期各地类面积之间相互转化的动态过程信息。其通常的形式为^[29]:

\begin{matrix} T_{ij} = [\begin{matrix} t_{11} & t_{12} & \begin{matrix} ? & t_{1 n} \end{matrix} \\ t_{21} & t_{22} & \begin{matrix} ? & t_{2 n} \end{matrix} \\ \begin{matrix} ? \\ t_{n 1} \end{matrix} & \begin{matrix} ? \\ t_{n 2} \end{matrix} & \begin{matrix} ? \\ \begin{matrix} ? & t_{nn} \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix}] \end{matrix}

(1)
式中

\begin{matrix} T_{ij} \end{matrix}

为土地利用转移矩阵,

\begin{matrix} t \end{matrix}

代表面积,

\begin{matrix} i \end{matrix}

、

\begin{matrix} j (i, j = 1,2, ?, n) \end{matrix}

分别代表转移前与转移后的土地利用类型;

\begin{matrix} n \end{matrix}

为转移前后的土地利用类型数;

\begin{matrix} t_{ij} \end{matrix}

为转移前的

\begin{matrix} i \end{matrix}

地类转换成转移后的

\begin{matrix} j \end{matrix}

地类的面积。所以矩阵中的每一行代表转移前的

\begin{matrix} i \end{matrix}

地类向转移后的各地类的流向信息,矩阵中的每一列元素是转移后

\begin{matrix} j \end{matrix}

地类面积从转移前的各地类的来源信息。
为分析不同地类内部的变化规律,采用了地类净变化量进行分析^[30]:

\begin{matrix} ? t = t_{ji} - t_{ij} （ i \neq j ） \end{matrix}

（2）
式中

\begin{matrix} ? t \end{matrix}

为研究时期内,

\begin{matrix} i \end{matrix}

地类与

\begin{matrix} j \end{matrix}

地类转化的净量关系。

\begin{matrix} ? t \end{matrix}

为负值,说明

\begin{matrix} i \end{matrix}

地类

\begin{matrix} ? t \end{matrix}

数量土地净流入

\begin{matrix} j \end{matrix}

地类;

\begin{matrix} ? t \end{matrix}

为正值,说明

\begin{matrix} j \end{matrix}

地类

\begin{matrix} ? t \end{matrix}

数量土地净流入

\begin{matrix} i \end{matrix}

地类。
2.3.3 单元网格水平衡法
单元网格水量平衡法,包括地下水水量平衡与土壤水量平衡,计算公式如下:

\begin{matrix} ? G + ? S = G_{IN} - G_{O} + S_{IN} - S_{O} \end{matrix}

（3）

\begin{matrix} G_{IN} = Rec h \arg e + G_{b} \end{matrix}

（4）

\begin{matrix} G_{O} = Ir + G_{P} \end{matrix}

（5）

\begin{matrix} ? G = Rec h arge - Ir + G_{b} - G_{P} \end{matrix}

（6）

\begin{matrix} S_{IN} = (1 - α) \times R + IN - O + Ir + α \times R \end{matrix}

（7）

\begin{matrix} S_{O} = Rec h arge + E \end{matrix}

（8）

\begin{matrix} ? S = (1 - α) \times R + IN - O + Ir + α \times R \\ - Rec h arge - E \end{matrix}

（9）

\begin{matrix} ? G + ? S = R + IN - O - E + G_{b} - G_{P} \end{matrix}

（10）
式中

\begin{matrix} ? G \end{matrix}

为地下水蓄变量,是地下水水量补给与排泄的差值,实质是地下水水量的净变化量;

\begin{matrix} ? S \end{matrix}

为土壤水蓄变量,是土壤水水量补给与排泄的差值;

\begin{matrix} G_{IN} \end{matrix}

与

\begin{matrix} G_{O} \end{matrix}

分别为地下水系统的转入与转出;

\begin{matrix} S_{IN} \end{matrix}

与

\begin{matrix} S_{O} \end{matrix}

分别为土壤水系统的转入与转出;

\begin{matrix} Rec h arge \end{matrix}

为土壤对地下含水层的垂直补给项;

\begin{matrix} Ir \end{matrix}

为地下水的抽采水量,用于农用地灌溉,工业生产与居民生活等;

\begin{matrix} G_{b} \end{matrix}

为地下水的横向补给;

\begin{matrix} G_{P} \end{matrix}

为地下水的横向排泄;

\begin{matrix} α \end{matrix}

为土壤上垫面的不透水系数;

\begin{matrix} R \end{matrix}

为研究时段的降水量,那么

\begin{matrix} (1 - α) \times R \end{matrix}

为地表水入渗量,可称为有效降雨;

\begin{matrix} IN \end{matrix}

为入境地表水量,包括河流自然入境量以及跨流域调水工程供水;

\begin{matrix} O \end{matrix}

为出境地表水量;

\begin{matrix} IN - O \end{matrix}

为流域中出入境地表水差值;

\begin{matrix} α \times R \end{matrix}

为降雨的产流量;

\begin{matrix} E \end{matrix}

为研究时段的总耗水量,包括地表水量蒸发、植被蒸腾及人类活动耗水等。通常一年为周期的土壤水蓄变量近似不变,即

\begin{matrix} ? S \approx 0 \end{matrix}

,流域蓄变量相当于地下水蓄变量^[31]。
如图2所示,降水、灌溉、部分地表水体并不是直接与地下水系统发生水利关系,它们均是透过表层土壤层才到达含水层,所以将地下水系统与土壤作为一个系统,那么流域中出入境地表水差值

\begin{matrix} IN - O \end{matrix}

与降雨的产流量

\begin{matrix} α \times R \end{matrix}

的和可以表示为地表水供给量

\begin{matrix} F \end{matrix}

。由于地下水的横向补给量

\begin{matrix} G_{b} \end{matrix}

主要为山前侧向流入补给,公式（12）用于测算地下水的横向补给量

\begin{matrix} G_{b} \end{matrix}

\begin{matrix} F = IN - O + α \times R \end{matrix}

（11）

\begin{matrix} G_{b} = 365 \times K \times I \times A \times L \times T \end{matrix}

（12）
式中

\begin{matrix} K \end{matrix}

为潜流入渗系数;

\begin{matrix} I \end{matrix}

为垂直于剖面的水力坡度;

\begin{matrix} A \end{matrix}

为单位长度剖面面积;

\begin{matrix} L \end{matrix}

为计算长度;

\begin{matrix} T \end{matrix}

为计算时间,由于地下水水平方向排泄数据

\begin{matrix} G_{P} \end{matrix}

难以收集,在此暂不考虑。在单元网格水量平衡计算中,地下水垂向补给量最重要的影响因素是下垫面的条件,包括土地利用类型与土壤质地。因此,基于土地利用类型的水平衡评价方法以每种土地利用类型建立相应的水量平衡方程式,可以间接地计算地下水的补给量与排泄量,从而得到地下水的蓄变量。

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图2单位网格水平衡概念模型
-->Figure 2The concept of water balance model in grid
-->

建设用地单位网格的水平衡计算公式如下:

\begin{matrix} ? G_{ci} = G_{bi} + Ir c_{i} \end{matrix}

（13）

\begin{matrix} Ir c_{i} = (1 - α_{c}) \times R c_{i} + F c_{ij} - E c_{ij} \end{matrix}

（14）

\begin{matrix} F c_{ij =} (F \times β c_{i}) / N c_{i} \end{matrix}

（15）

\begin{matrix} E c_{ij} = E b_{ij} + E m_{ij} \end{matrix}

（16）

\begin{matrix} E b_{ij =} (P b_{i} \times C b_{i}) / N b_{i} \end{matrix}

（17）

\begin{matrix} E m_{ij} = (P m_{i} \times Cm) / N m_{i} \end{matrix}

（18）

\begin{matrix} ? G c_{ij} = (1 - α_{c}) \times R c_{i} + F c_{ij} - E c_{ij} + G b_{i} \end{matrix}

（19）
式中

\begin{matrix} ? G_{ci} \end{matrix}

为建设用地单位网格地下水蓄变量;

\begin{matrix} G_{bi} \end{matrix}

为单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的地下水横向补给量,是流域内的山前侧向流入补给量与侧向补给范围内的网格总数的比值;

\begin{matrix} Ir c_{i} \end{matrix}

为抽取地下水的非农用水量;

\begin{matrix} R c_{i} \end{matrix}

为建设用地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

上的降水;

\begin{matrix} α_{c} \end{matrix}

为建设用地不透水系数;

\begin{matrix} (1 - α_{c}) \times R c_{i} \end{matrix}

为建设用地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的有效降水;

\begin{matrix} F c_{ij} \end{matrix}

为

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县

\begin{matrix} j \end{matrix}

网格地表水供给量,由于建设用地上的居民住宅以及企业用水主要是通过所在区县的供水单位供给,所以流域内建设用地的地表水供给因为区县的不同,供给的地表水资源量不尽相同;

\begin{matrix} E c_{ij} \end{matrix}

为

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县

\begin{matrix} j \end{matrix}

网格建设用地的耗水量;

\begin{matrix} F \end{matrix}

为

\begin{matrix} 流域 \end{matrix}

地表水供给量;

\begin{matrix} β c_{i} \end{matrix}

为

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县建设用地的地表水供给比例;

\begin{matrix} F \times β c_{i} \end{matrix}

为

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县建设用地的地表水量,

\begin{matrix} N c_{i} \end{matrix}

是

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县的建设用地网格数;

\begin{matrix} E c_{ij} \end{matrix}

为

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县

\begin{matrix} j \end{matrix}

网格建设用地的耗水量,主要分为居民生活用水

\begin{matrix} E b_{ij} \end{matrix}

和工业用水

\begin{matrix} E m_{ij} \end{matrix}

;

\begin{matrix} P b_{i} \end{matrix}

为当年期

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县人口量;

\begin{matrix} C b_{i} \end{matrix}

为人均年耗水系数;

\begin{matrix} N b_{i} \end{matrix}

为

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县城镇用地以及农村居民用地的网格数;

\begin{matrix} P m_{i} \end{matrix}

为当年期

\begin{matrix} i \end{matrix}

县年工业产总值（以当年价格计算）;

\begin{matrix} C m_{i} \end{matrix}

为万元工业产值耗水量;

\begin{matrix} N m_{i} \end{matrix}

为

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县的城镇用地与工矿用地网格数。

\begin{matrix} ? G c_{ij} \end{matrix}

为

\begin{matrix} i \end{matrix}

区县

\begin{matrix} j \end{matrix}

网格建设用地单位网格地下水蓄变量。
耕地单位网格的水平衡计算公式如下:

\begin{matrix} ? S a_{i} = (1 - α_{a}) \times R a_{i} + F a_{i} + Ir a_{i} \\ - Rec h \arg e_{ai} - E a_{i} \end{matrix}

（20）

\begin{matrix} F a_{i} = (F \times βa) / Na \end{matrix}

（21）

\begin{matrix} ? G a_{i} = G_{bi} + Rec h \arg e_{ai} - Ir a_{i} \end{matrix}

（22）

\begin{matrix} ? S a_{i} + ? Ga = (1 - α_{a}) \times R a_{i} + F a_{i} - E a_{i} + G_{bi} \end{matrix}

（23）
式中

\begin{matrix} ? S a_{i} \end{matrix}

为耕地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的土壤水蓄变量;

\begin{matrix} R a_{i} \end{matrix}

为耕地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

上的降水;

\begin{matrix} α_{a} \end{matrix}

为耕地不透水系数;

\begin{matrix} (1 - α_{a}) \times R a_{i} \end{matrix}

为耕地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的有效降水;

\begin{matrix} F a_{i} \end{matrix}

为耕地单位网格地表水供给量;

\begin{matrix} Ir a_{i} \end{matrix}

为抽取地下水的灌溉用水量;

\begin{matrix} Rec h \arg e_{ai} \end{matrix}

为耕地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

土壤对地下含水层的补给;

\begin{matrix} E a_{i} \end{matrix}

为耕地作物的耗水量,可近似为耕地的蒸散发量^[32] ;

\begin{matrix} F \end{matrix}

为流域的地表水资源量;

\begin{matrix} βa \end{matrix}

为耕地的地表水供给比例;

\begin{matrix} Na \end{matrix}

为耕地网格数量;

\begin{matrix} ? G a_{i} \end{matrix}

为耕地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的地下水蓄变量;

\begin{matrix} G_{bi} \end{matrix}

为单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的地下水横向补给量。
生态用地单位网格的水平衡计算公式如下:

\begin{matrix} ? S e_{i} = (1 - α_{e}) \times R e_{i} + F e_{i} - Rec h \arg e_{ei} - E e_{i} \end{matrix}

（24）

\begin{matrix} F e_{i} = (F \times βe) / Ne \end{matrix}

（25）

\begin{matrix} ? G e_{i} = G_{bi} + Rec h \arg e_{ei} \end{matrix}

（26）

\begin{matrix} ? S e_{i} + ? G e_{i} = (1 - α_{e}) \times R e_{i} + F e_{i} \\ - E e_{i} + G_{bi} \end{matrix}

（27）
式中

\begin{matrix} ? S e_{i} \end{matrix}

为生态用地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的土壤水蓄变量;

\begin{matrix} (1 - α_{e}) \times R e_{i} \end{matrix}

为生态用地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的有效降水;

\begin{matrix} F e_{i} \end{matrix}

为生态用地单位网格地表水供给量;

\begin{matrix} Rec h \arg e_{ei} \end{matrix}

为生态用地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

土壤对地下含水层的补给;

\begin{matrix} E e_{i} \end{matrix}

为生态用地上植被的蒸散发量;

\begin{matrix} F \end{matrix}

为流域的地表水资源量;

\begin{matrix} Ne \end{matrix}

为生态用地网格数量;

\begin{matrix} βe \end{matrix}

为生态用地的地表水供给比例,由于自然林地、草地以及未利用土地较少通过地表水灌溉,多认为林地、草地以及未利用土地的地表水供给比例

\begin{matrix} βe \end{matrix}

为0,水域

\begin{matrix} βe \end{matrix}

是水域渗透量与整个流域地表水资源

\begin{matrix} F \end{matrix}

的比值,其与水域面积以及河流流量有关^[33,34];

\begin{matrix} ? G e_{i} \end{matrix}

为生态用地单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的地下水蓄变量;

\begin{matrix} G_{bi} \end{matrix}

为单位网格

\begin{matrix} i \end{matrix}

的地下水横向补给量。
流域水资源蓄变量为:

\begin{matrix} ? G + ? S = \overset{n}{\sum_{i = 1}} \overset{N c_{i}}{\sum_{j = 1}} ? G c_{ij} + \overset{Na}{\sum_{i = 1}} （ ? S a_{i} + ? G a_{i} ） \\ + \overset{Ne}{\sum_{i = 1}} （ ? S e_{i} + ? G e_{i} ） \end{matrix}

（28）

\begin{matrix} ? S = \overset{Na}{\sum_{i = 1}} ? S a_{i} + \overset{Ne}{\sum_{i = 1}} ? S e_{i} \end{matrix}

（29）

\begin{matrix} ? G = \overset{n}{\sum_{i = 1}} \overset{N c_{i}}{\sum_{j = 1}} ? G c_{ij} + \overset{Na}{\sum_{i = 1}} ? G a_{i} + \overset{Ne}{\sum_{i = 1}} ? G e_{i} \end{matrix}

（30）
根据不同地类的划分,以及各地类单位网格水平衡的计算方法不同,得到各个地类上的地下水以及土壤水的蓄变量,由于以年为时间尺度的变化过程汇总,流域土壤水蓄变量可视为基本不变,即

\begin{matrix} ? S \approx 0 \end{matrix}

。那么流域水资源蓄变量相当于可以分解为各个地类水资源蓄变量消耗的情况。
相对误差的计算公式为:

\begin{matrix} δ = |\frac{（ X - L ）}{L}| \times 100 % \end{matrix}

（31）
式中

\begin{matrix} δ \end{matrix}

为相对误差;

\begin{matrix} X \end{matrix}

为计算值;

\begin{matrix} L \end{matrix}

为实测值;

\begin{matrix} |X - L| \end{matrix}

为绝对误差,相对误差是绝对误差与实测值之比,能有效反映计算的可信程度。
贡献度计算公式为:

\begin{matrix} C X_{c} = \frac{\overset{n}{\sum_{i = 1}} \overset{N c_{i}}{\sum_{j = 1}} ? G c_{ij 1990} - \overset{n}{\sum_{i = 1}} \overset{N c_{i}}{\sum_{j = 1}} ? G c_{ij 2010}}{? G_{1990} - ? G_{2010}} \end{matrix}

（32）

\begin{matrix} C X_{a} = \frac{\overset{Na}{\sum_{i = 1}} ? G a_{i 1990} - \overset{Na}{\sum_{i = 1}} ? G a_{i 2010}}{? G_{1990} - ? G_{2010}} \end{matrix}

（33）

\begin{matrix} C X_{e} = \frac{\overset{Ne}{\sum_{i = 1}} ? G e_{i 1990} - \overset{Ne}{\sum_{i = 1}} ? G e_{i 2010}}{? G_{1990} - ? G_{2010}} \end{matrix}

（34）
式中

\begin{matrix} C X_{c} \end{matrix}

、

\begin{matrix} C X_{a} \end{matrix}

及

\begin{matrix} C X_{e} \end{matrix}

分别表示建设用地、耕地以及生态用地在地下水蓄变量中的贡献率,若CX为正值,表示该地类的地下水蓄变量与流域的地下水蓄变量同方向,对流域的地下水蓄变量变化起推动作用。
土地利用耗水变化量计算公式为:

\begin{matrix} G_{ij} = [\begin{matrix} g_{11} & g_{12} & \begin{matrix} ? & g_{1 n} \end{matrix} \\ g_{21} & g_{22} & \begin{matrix} ? & g_{2 n} \end{matrix} \\ \begin{matrix} ? \\ g_{n 1} \end{matrix} & \begin{matrix} ? \\ g_{n 2} \end{matrix} & \begin{matrix} ? \\ \begin{matrix} ? & g_{nn} \end{matrix} \end{matrix} \end{matrix}] \end{matrix}

（35）
式中

\begin{matrix} G_{ij} \end{matrix}

为土地利用耗水变化量的转移矩阵;

\begin{matrix} g \end{matrix}

为两个时期地下水资源的变化量;

\begin{matrix} n \end{matrix}

为转移前后的土地利用类型数;

\begin{matrix} i 、 j （ i, j = 1,2, ?, n ） \end{matrix}

分别代表转移前与转移后的土地利用类型;

\begin{matrix} g_{ij} \end{matrix}

为转移前

\begin{matrix} i \end{matrix}

地类转换成

\begin{matrix} j \end{matrix}

地类后的地下水资源变化量。此矩阵用于分析不同地类之间转换所导致的地下水资源量变化。

3 结果及分析

3.1 土地利用变化分析

基于1990年和2010年两期黄淮海平原区土地利用现状数据,得到两期土地利用转移矩阵,由于黄淮海平原区的农业用地中生产性林地、牧草地占比不超过2%,所以耕地是农业用地的主要地类。从表2可知,耕地从23.98万km²减少到23.31万km²,减少了2.8%。建设用地从4.52万km²增加到5.35万km²,增加了18.28%,是变化量最大的地类。草地与未利用土地均在减少,分别减少了18.28%与28.06%,而水域与林地略有增加,水域从1.14万km²增加到1.15万km²,林地从6362km²增加到6383km²。
Table 2
表2
表21990年与2010年黄淮海平原区土地利用转移矩阵
Table 2Change matrix of each compared LUCC type in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010（km²）

1990年	2010年							2010年变化百分比/%
1990年	耕地	建设用地	草地	水域	林地	未利用土地	总量	2010年变化百分比/%
耕地	197 528	35 360	1 170	4 025	1 151	617	239 851	-2.80
建设用地	27 506	16 364	312	782	205	111	45 280	18.28
草地	2 020	333	2 415	106	444	11	5 329	-17.77
水域	3 667	935	135	6 339	270	86	11 432	0.83
林地	1 343	239	333	143	4 252	52	6 362	0.33
未利用土地	1 071	328	17	132	61	1 000	2 609	-28.06
总量	233 135	53 559	4 382	11 527	6 383	1 877	310 863

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表3显示,耕地的主要转入项是草地与林地,草地净转入耕地850km²,林地净转入耕地192km²,而耕地的主要转出项是建设用地,耕地净转入建设用地为7854km²。建设用地是所有地类的净转出项,其中耕地转入面积占建设用地净增加面积的94.86%。草地的主要转出项是耕地,占草地净变化量的89.76%,草地的主要转入项是水域与未利用土地,水域与未利用土地分别净转入草地21km²和6km²。水域的净转出项是建设用地、草地与林地,分别净转出153km²,29km²,127km²,其主要转入项是耕地,耕地有358km²转化成水域。林地面积虽略有增加,但耕地是林地的最大转出项,有192km²林地转化成了耕地,林地的主要转入项是草地与水域。未利用土地是所有地类中减少比值最大,转出到其他各个地类,其中耕地是未利用土地最大的转出项,占到了未利用土地净变化量的62.02%。
Table 3
表3
表31990-2010年黄淮海平原区土地净变化量
Table 3Net change in LUCC types in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010（%,km²）

土地利用类型	2010年变化百分比	耕地	建设用地	草地	水域	林地	未利用土地	净变化量
耕地	-2.80	-	-7 854	850	-358	192	454	-6 716
建设用地	18.28	7 854	-	21	153	34	217	8 279
草地	-17.77	-850	-21	-	29	-111	6	-947
水域	0.83	358	-153	-29	-	-127	46	95
林地	0.33	-192	-34	111	127	-	9	21
未利用土地	-28.06	-454	-217	-6	-46	-9	-	-732

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从整个研究区域来看,黄淮海平原区耕地、草地以及未利用土地在20年间均有减少,建设用地增加量最大,水域与林地略有增加。建设用地是所有地类的净转出项,主要净转入项是耕地,而耕地的主要转入项是草地以及未利用土地。所以黄淮海平原区的土地类型利用的趋势是建设用地挤占耕地以及生态用地,耕地挤占草地以及未利用土地。

3.2 各地类水平衡分析

3.2.1 建设用地水平衡分析
通过对建设用地单位网格水平衡进行计算,得到建设用地单位网格地下水水位下降分布图,并对各个流域的单位网格供耗水项进行加总,计算出各个流域的建设用地地下水蓄变量。在1990年与2010年两期建设用地地下水蓄变量对比中,如表4所示,除南四湖流域建设用地地下水蓄变量略有增加,其他流域均在减少。而其中的北四河下游、大清河以及黑龙港运东流域2010年建设用地地下水蓄变量为负值,说明这些区域中由于建设用地上的耗水,导致流域建设用地地下水蓄变量减少。建设用地上的耗水造成了北四河下游流域地下水亏缺19.51亿m³、大清河流域地下水亏缺8.36亿m³,黑龙港运东流域亏缺6.61亿m³。各流域建设用地水平衡中的供给量变化不大,而消耗项总量均有增加,2010年与1990年各流域耗水总量比值在152.23%~220.12%之间,尤其是工业耗水量2010年与1990年相比,工业耗水总量增加了接近四倍。供水与耗水之间增加量上的差距,造成了建设用地地下水蓄变量的快速减少。
Table 4
表4
表41990-2010年黄淮海平原区建设用地地下水蓄变量计算
Table 4Groundwater storage of construction land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010（亿m³）

流域	1990年建设用地地下水蓄变量计算							2010年建设用地地下水蓄变量计算
流域	山前侧向补给	地表水供给量	有效降水	地面蒸发量	生活耗水量	工业耗水量	1990年地下水蓄变量	山前侧向补给	地表水供给量	有效降水	地面蒸发量	生活耗水量	工业耗水量	2010年地下水蓄变量
北四河下游	0.22	14.71	10.45	4.31	3.79	15.28	2.00	0.30	12.82	14.16	10.97	6.43	29.39	-19.51
子牙河流域	0.27	14.46	3.53	1.17	2.61	5.94	8.54	0.37	14.04	4.80	2.87	2.82	9.22	4.30
徒骇马颊河	-	46.00	8.87	1.37	2.85	4.31	46.34	-	45.10	10.48	4.10	3.38	10.94	37.16
大清河流域	0.33	12.31	4.65	1.24	2.49	8.80	4.76	0.45	12.12	6.09	3.93	3.50	19.59	-8.36
漳卫河流域	0.15	13.77	2.54	1.13	1.32	1.89	12.12	0.18	13.29	3.02	2.15	1.34	3.11	9.89
黑龙港运东	-	4.33	4.90	0.67	1.87	5.52	1.17	-	4.19	6.20	1.68	3.51	11.81	-6.61
黄河下游	0.20	21.43	8.79	1.27	2.38	4.13	22.64	0.24	27.85	9.52	2.82	2.90	8.79	23.10
淮河上游	0.32	21.47	24.76	2.57	3.30	11.58	29.10	0.35	30.10	26.19	6.24	4.57	24.44	21.39
淮河中游	-	32.95	18.40	2.21	2.75	3.99	42.40	-	34.23	19.43	3.19	3.36	8.81	38.30
淮河下游	-	23.14	24.79	3.91	4.03	7.27	32.72	-	24.82	25.38	4.95	4.80	19.25	21.20
南四湖	-	30.92	5.93	0.73	1.48	1.59	33.05	-	37.20	6.77	1.94	1.76	5.92	34.35

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如图 3所示,1990-2010年建设用地各项耗水量的增加量与建设用地扩张面积有着密切的关系,20年间地面蒸发增加量、生活耗水增加量以及工业耗水增加量与建设用地增加量成线性正向关系,随着建设用地的扩张,建设用地面积的不断增加,建设用地地面蒸发增加量、生活耗水增加量以及工业耗水增加量都在变大。同时,根据建设用地耗水情况与面积的关系,建设用地单元网格平均耗水强度从1990年的107万m³/km²到2010年的166万m³/km²。这说明不仅建设用地的扩张与建设用地地下水蓄变量有着紧密的关系,建设用地单元网格耗水强度的增大,也是造成地下水位下降的原因之一。

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图31990-2010年黄淮海平原区建设用地地下水蓄变量分析
-->Figure 3The analysis of the change in groundwater storage of construction land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010
-->

单元网格地下水蓄变量为负值说明地下水水位因超采下降。如图4所示,2010年与1990年相比,单位网格地下水蓄变量出现负值的建设用地单位网格增加10 384km²,而海河流域中的北四河下游流域、大清河流域以及黑龙港运东流域占到了54%,特别是北四河下游流域的北京与天津,从1990年起,建设用地单元网格地下水蓄变量下降范围在400~1000mm,2010年下降程度更加严峻,北京与天津地下水水量均出现了1000mm以上的减少。大清河流域以及黑龙港运东流域,1990年的建设用地网格地下水水量下降的情况不多,但2010年,保定、衡水、沧州等地地下水水量呈现严重减少趋势。而相比较1990年的情况,2010年处于淮河流域的漯河、阜阳、宿迁等城市开始出现了建设用地地下水水量减少的情况,郑州与徐州地下水水量降低速度明显加快（图4）。

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图41990-2010年黄淮海平原区建设用地单位网格地下水蓄变量流域分布
-->Figure 4The distribution of groundwater storage in grid of construction land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010
-->

3.2.2 耕地水平衡分析
在1990年与2010年两期耕地地下水蓄变量对比中,如表5（见第1107页）显示,各个流域耕地地下水蓄变量均在减少,其中位于海河流域的北四河下游、子牙河流域、徒骇马颊河流域、大清河流域、漳卫河流域以及黑龙港运东流域耕地地下水蓄变量1990年与2010年均为负值,说明这些流域由于耕地持续用水失衡,导致流域地下水水量不断减少。其中2010年耕地上的耗水造成了子牙河流域地下水亏缺26.61亿m³,耕地地下水水量平均下降200mm,是2010年整个研究区耕地地下水水量下降最快速的流域。
Table 5
表5
表51990-2010年黄淮海平原区耕地地下水蓄变量计算
Table 5Groundwater storage calculation of cultivated land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010（亿m³）

流域	1990年耕地地下水蓄变量计算					2010年耕地地下水蓄变量计算
流域	山前侧向补给	有效降水量	地表水供给量	农作物蒸散发量	1990年地下水蓄变量	山前侧向补给	有效降水量	地表水供给量	农作物蒸散发量	2010年地下水蓄变量
北四河下游	0.82	75.58	4.92	80.39	0.93	0.74	66.14	4.28	82.81	-11.65
子牙河流域	2.13	53.58	4.83	71.60	-11.06	2.03	49.97	4.69	83.30	-26.61
徒骇马颊河	-	99.37	15.37	126.86	-12.12	-	93.80	15.07	146.88	-38.01
大清河流域	2.43	64.09	4.11	79.49	-8.86	2.32	59.83	4.05	89.61	-23.41
漳卫河流域	1.12	28.02	4.60	33.87	-0.13	1.10	26.00	4.44	37.82	-6.28
黑龙港运东	-	74.84	1.45	90.75	-14.46	-	70.48	1.40	101.74	-29.86
黄河下游流域	0.91	81.03	83.20	96.84	68.30	0.91	78.68	84.37	107.64	56.32
淮河上游	1.68	250.79	35.25	259.67	28.05	1.65	240.80	49.42	275.49	16.38
淮河中游	-	193.86	63.65	188.41	69.10	-	187.01	68.12	191.17	63.96
淮河下游	-	168.29	38.00	151.61	54.68	-	157.78	40.75	154.12	44.41
南四湖	-	60.37	55.77	67.58	48.56	-	55.92	58.07	71.45	42.54

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耕地水平衡的消耗项主要是农作物的蒸散量,如图5所示,各流域平均每平方公里的粮食产量增加量与每平方公里的农作物蒸散发增加量呈现正向相关。随着各流域单元网格的粮食产量增加,流域内的蒸散发量也在增加。流域蒸散发量增加量与耕地地下水蓄变量减少量也成正向关系,随着流域蒸散发量增加量变大,耕地地下水蓄变量亏损也变大。1990-2010年,黄淮海平原区耕地的面积从23.99万km²减少到23.31万km²,但单位网格地下水蓄变量为负值的面积从57 337km²增加到60 764km²,总的蒸散量也增加94.9亿m³,耕地单位网格平均耗水从1990年的51万m³/km²到2010年的57万m³/km²。说明20年间黄淮海平原区耕地面积虽然在减少,但耕地平均单位耗水强度是在增大,导致总耗水量增加。

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图51990-2010年黄淮海平原区耕地地下水蓄变量分析
-->Figure 5The analysis of the change in groundwater storage of cultivated land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010
-->

从图6可知,20年间耕地单元网格地下水水量下降趋势恶化,海河流域耕地单元网格地下水水量下降超过100mm面积扩大了2.5倍,从1990年占整个海河流域耕地面积的28.52%增加到2010年的71.41%。而淮河上游的耕地地下水蓄变量减少的范围也在增大,1990年淮河上游只有郑州、开封附近的耕地单元网格地下水水位呈现下降趋势,2010年许昌、商丘以及周口等地的耕地单元网格地下水水位都出现了不同程度的下降。黄河下游流域、淮河中下游以及南四湖流域水资源供给充沛,耕地单元网格基本能达到水资源水平衡,具有一定的开发利用潜力。

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图61990-2010年黄淮海平原区耕地单位网格地下水蓄变量流域分布
-->Figure 6The distribution of groundwater storage in grid of cultivated land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010
-->

3.2.3 生态用地水平衡分析
在1990年与2010年两期生态用地地下水蓄变量对比中,如表6所示,北四河下游、子牙河流域、徒骇马颊河流域、大清河流域、漳卫河流域以及黄河下游流域的生态用地地下水蓄变量均在减少,其中黄河下游流域减少了3.57亿m³,北四河下游流域减少了1.97亿m³,漳卫河流域减少了1.15亿m³,是生态用地地下水蓄变量变化最为剧烈的三个区域。在生态用地水平衡计算过程中,水域的地下水蓄变量均为正值,说明水域地下水蓄变量的盈余是生态用地水资源平衡中的主要补给项,而草地、林地以及未利用土地的水平衡亏损是生态用地水资源平衡中的主要消耗项。根据各地类蒸散发量与面积的关系,生态用地各地类的耗水强度较为稳定,1990年草地、林地以及未利用土地的单位网格平均耗水强度分别为43.91万m³/km²、55.58万m³/km²、46.78万m³/km²,2010年草地、林地以及未利用土地的单位网格平均耗水强度分别为50.93万m³/km²、56.59万m³/km²、49.39万m³/km²。水域作为生态用地中涵养水源的主要土地类型,1990年黄淮海平原区水域单位网格地下水水量平均盈余12.34万m³/km²,2010年盈余14.43万m³/km²。
Table 6
表6
表61990-2010年黄淮海平原区生态用地地下水蓄变量计算
Table 6Groundwater storage calculation of ecological land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010（亿m³）

生态用地地下水蓄变量计算		北四河下游	子牙河	徒骇马颊河	大清河	漳卫河	黑龙港运东	黄河下游	淮河上游	淮河中游	淮河下游	南四湖
1990年	水域有效降水	0.98	0.17	0.32	0.74	0.06	0.19	0.87	0.87	0.75	2.93	0.22
	水域蒸散量	7.57	1.59	2.83	6.22	0.54	1.56	7.29	6.41	5.00	19.95	1.71
	河流补给量	8.51	1.74	2.96	6.76	0.57	1.76	11.08	7.62	6.22	15.93	3.13
	山前侧向补给	0.08	0.05	-	0.19	0.01	-	0.08	0.04	-	-	-
	水域蓄变量	2.00	0.37	0.45	1.47	0.10	0.39	4.74	2.12	1.97	-1.09	1.64
	草地有效降水	3.28	1.59	0.97	2.65	3.10	0.29	4.43	3.24	2.18	2.57	0.35
	草地蒸散量	3.01	1.57	0.93	2.46	3.04	0.26	4.14	3.14	2.13	2.34	0.38
	山前侧向补给	0.03	0.06	-	0.09	0.09	-	0.06	0.02	-	-	-
	草地蓄变量	0.30	0.08	0.04	0.28	0.15	0.03	0.35	0.12	0.05	0.23	-0.03
	林地有效降水	9.27	0.45	0.95	0.67	2.85	0.03	1.19	6.77	2.02	7.84	0.62
	林地蒸散量	10.93	0.59	1.16	0.80	3.76	0.03	1.45	6.81	1.93	7.21	0.68
	山前侧向补给	0.10	0.02	-	0.02	0.08	-	0.01	0.04	-	-	-
	林地蓄变量	-1.56	-0.12	-0.21	-0.11	-0.83	0.00	-0.25	0.00	0.09	0.63	-0.06
	未利用土地有效降水	2.03	0.00	3.12	0.22	0.12	0.55	3.28	0.10	0.00	0.09	0.28
	未利用土地蒸散量	2.33	0.00	4.57	0.28	0.11	0.76	3.56	0.13	0.01	0.13	0.32
	山前侧向补给	0.02	0.00	-	0.01	0.00	-	0.04	0.00	-	-	-
	未利用土地蓄变量	-0.28	0.00	-1.45	-0.05	0.01	-0.21	-0.24	-0.03	-0.01	-0.04	-0.04
	生态用地总蓄变量	0.46	0.33	-1.17	1.59	-0.57	0.21	4.60	2.21	2.10	-0.27	1.51
2010年	水域有效降水	1.03	0.16	0.38	0.68	0.06	0.21	0.78	0.82	0.77	2.93	0.22
	水域蒸散量	8.37	1.59	3.12	5.55	0.45	1.96	6.94	6.04	5.39	20.91	1.79
	河流补给量	9.46	1.83	3.56	6.28	0.51	2.25	8.23	7.58	6.71	19.59	4.27
	山前侧向补给	0.08	0.05	0.00	0.18	0.01	0.00	0.07	0.04	0.00	0.00	0.00
	水域蓄变量	2.20	0.45	0.82	1.59	0.13	0.50	2.14	2.40	2.09	1.61	2.70
	草地有效降水	2.55	1.45	0.90	2.44	2.89	0.00	2.31	2.24	2.28	2.27	0.25
	草地蒸散量	2.90	1.91	1.12	2.88	3.76	0.00	2.70	2.35	2.32	2.10	0.28
	山前侧向补给	0.03	0.06	0.00	0.09	0.09	0.00	0.03	0.01	0.00	0.00	0.00
	草地蓄变量	-0.32	-0.40	-0.22	-0.35	-0.78	0.00	-0.36	-0.10	-0.04	0.17	-0.03
	林地有效降水	8.42	0.42	0.85	0.70	2.43	0.04	1.21	7.06	2.08	7.63	0.58
	林地蒸散量	11.61	0.62	1.26	0.99	3.55	0.05	1.64	7.02	1.98	6.70	0.70
	山前侧向补给	0.09	0.02	0.00	0.03	0.07	0.00	0.02	0.04	0.00	0.00	0.00
	林地蓄变量	-3.10	-0.18	-0.41	-0.26	-1.05	-0.01	-0.41	0.08	0.10	0.93	-0.12
	未利用土地有效降水	1.65	0.00	2.53	0.17	0.05	0.47	1.50	0.03	0.00	0.03	0.23
	未利用土地蒸散量	1.96	0.00	4.12	0.25	0.07	0.65	1.86	0.04	0.00	0.02	0.30
	山前侧向补给	0.02	0.00	0.00	0.01	0.00	0.00	0.02	0.00	0.00	0.00	0.00
	未利用土地蓄变量	-0.29	0.00	-1.59	-0.07	-0.02	-0.18	-0.34	-0.01	0.00	0.01	-0.07
	生态用地总蓄变量	-1.51	-0.13	-1.40	0.91	-1.72	0.31	1.03	2.37	2.15	2.72	2.48

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如图7（见第1110页）所示,草地与未利用土地地下水蓄变量的变化与地类的面积有密切关系,随着草地与未利用土地的面积减少,在耗水强度较为稳定的情况下,草地与未利用土地耗水总量降低,其地下水蓄变量反向增加。同时,水域面积的减少与水域地下水蓄变量增加量成负向关系,随着水域面积减少,水域涵养水资源总量减少,其地下水蓄变量增加量减少。在生态用地地下水蓄变量计算中,草地、未利用土地等由于面积减少,生态用地的耗水总量有所缓解,而水域面积也在减少,水资源补充量降低,导致生态用地地下水蓄变量总体呈现下降趋势。

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图71990-2010年黄淮海平原区生态用地地下水蓄变量分析
-->Figure 7The analysis of the change in water storage of ecological land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010
-->

从空间上看（图8,见第1111页）,生态用地分布较为分散,草地、林地以及未利用土地主要分布在太行山山脉,渤海湾以及淮河流域,由于草地、林地以及未利用土地水量失衡,地下水蓄变量多为负值;水域主要分布在北四河下游流域、黄河下游流域以及淮河下游流域,水域地下水水蓄变量为正值,具有涵养水源的作用。由于水域面积的减少,削弱了水域涵养水源的影响;其中黄河下游流域水域面积减少了183km²,是水域面积减少最多的流域,相比1990年黄河下游流域水域的地下水蓄变量,2010年水域地下水蓄变量减少了2.6亿m³。

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图81990-2010年黄淮海平原区生态用地单位网格地下水蓄变量流域分布
-->Figure 8The distribution of groundwater storage in grid of ecological land in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010
-->

3.3 流域地下水蓄变量结果

通过流域水资源蓄变量公式,计算出整个流域地下水的蓄变量。1990年与2010年两期降水量在1990-2010年间均为平水年^[35,36],所以造成流域地下水蓄变量变化主要是用水量的变化。如图9所示,其中1990年所计算出的各个流域地下水蓄变量与20世纪90年代初此区域基于全国地下水资源评价的超采量最大相对误差为11.39%^[37]。2010年所计算的各个流域地下水蓄变量与全国地下水动态信息黄淮海平原区2010地下水蓄变量实际监测数据最大相对误差为13.66%^[38]。单位网格水平衡方法的地下水蓄变量计算结果与实测数据在流域尺度有较好的一致性,说明此方法具有可行性。

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图91990-2010年黄淮海平原区计算值与实测值对比
-->Figure 9Comparison between calculated value and measured values in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010
-->

将两期流域地下水蓄变量进行汇总,并测算不同地类的贡献度。如表7所示,2010年与1990年相比,北四河下游流域地下水蓄变量减少了36.06亿m³,建设用地耗水导致的地下水蓄变量减少为21.51亿m³,贡献率达到59.65%,建设用地耗水变化是北四河下游流域地下水超采的主要原因。而子牙河流域、徒骇马颊河流域、黑龙港流域、黄河下游流域、淮河中上游流域以及南四湖流域,耕地耗水贡献率都在50%以上,说明耕地耗水是地下水蓄变量变化的主要原因。与此同时,在20年间子牙河流域、大清河流域、黑龙港运东流域地下水蓄变量持续失衡,亏缺量分别增加了20.25亿m³、28.35亿m³以及23.08亿m³,南四湖流域由于地下水蓄变量变化较小,2010年建设用地与生态用地地下水蓄变量相比1990年均有所增加,造成耕地耗水的贡献度极高。此外,由于水域面积的减少,黄河下游流域地下水蓄变量在减少,生态用地贡献率高达23.66%,是所有流域中最高值。
Table 7
表7
表71990-2010年黄淮海平原区流域地下水蓄变量计算
Table 7Groundwater storage calculation of basin in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010（亿m³,%）

流域	地下水蓄变量变化计算			地下水蓄变量变化贡献度
流域	1990年蓄变量	2010年蓄变量	地下水蓄变量变化	建设用地	耕地	生态用地
北四河下游	3.39	-32.67	-36.06	59.65	34.89	5.46
子牙河	-2.19	-22.44	-20.25	20.94	76.79	2.27
徒骇马颊河	33.05	-2.25	-35.30	26.01	73.34	0.65
大清河	-2.51	-30.86	-28.35	46.28	51.32	2.40
漳卫河	11.42	1.89	-9.53	23.40	64.53	12.07
黑龙港运东	-13.08	-36.16	-23.08	33.71	66.72	-0.43
黄河下游	95.54	80.45	-15.09	-3.05	79.39	23.66
淮河上游	59.36	40.14	-19.22	40.11	60.72	-0.83
淮河中游	113.60	104.41	-9.19	44.61	55.93	-0.54
淮河下游	87.13	68.33	-18.80	61.28	54.63	-15.90
南四湖	83.12	79.37	-3.75	-34.67	160.53	-25.87

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在黄淮海平原区,土地利用类型变化大致呈生态用地转换为耕地,耕地转换为建设用地。如表8所示,由于建设用地单位网格的耗水强度大于耕地单位网格的耗水强度,所以在耕地净转入建设用地时,造成了27.76亿m³地下水蓄变量的减少。同时,耕地单位网格的耗水强度大于同期草地以及未利用土地单位网格的耗水强度,由于草地、未利用土地与耕地的地类转换,分别造成了0.58亿m³、0.65亿m³地下水蓄变量的减少。黄淮海平原区低耗水强度土地利用类型向高耗水强度土地利用类型转换,这是造成各流域地下水蓄变量均减的原因之一。从地类利用强度的角度来看,建设用地耕地单位网格平均耗水从1990年的107万m³/km²,到2010年的166万m³/km²,造成了76.36亿m³的地下水蓄变量减少;耕地单元网格耗水强度从51.90万m³/km²到57.50万m³/km²,造成了105.89亿m³的地下水蓄变量减少。说明建设用地与耕地单元网格耗水强度在增加,是导致流域地下水蓄变量降低的最重要原因。
Table 8
表8
表81990年与2010年黄淮海平原区不同土地利用下水资源蓄变量转移矩阵
Table 8Change matrix of LUCC type water storage in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010 （亿m³）

1990年土地利用类型	2010年土地利用类型
1990年土地利用类型	耕地	建设用地	草地	水域	林地	未利用土地
耕地	-105.89	-65.30	0.67	33.45	0.68	0.40
建设用地	37.54	-76.36	0.62	6.61	0.41	0.23
草地	-1.25	-1.24	0.03	2.60	0.01	0.00
水域	-32.00	-7.19	-0.08	-10.16	-0.16	-0.06
林地	-0.82	-0.89	0.01	1.15	0.13	0.01
未利用土地	-1.06	-2.27	0.00	1.62	0.00	-0.05

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如图10所示,从空间上看2010年黄河以北的海河流域单位网格地下水蓄变量下降程度较1990年更为严重,水量下降超过200mm的单元网格数量明显增多,主要集中在大清河流域、子牙河流域以及黑龙港运东流域,而石家庄地下水漏斗、保定地下水漏斗、霸州地下水漏斗以及沧州地下水漏斗就位于以上流域^[5]。如果仍保持单元网格的耗水失衡,地下水水量严重下降带来的后果将不堪想象,亟需对不同的单元网格进行用水强度控制,优化流域土地利用结构,缓解流域水资源失衡区地下水水量下降的趋势。在黄河以南的淮河上游流域,单位网格地下水蓄变量为负值的面积逐渐增多,地下水蓄变量值急剧降低,具有流域整体水平衡失衡的趋势,需要对局部超采区降低单元网格用水强度。黄河下游流域、南四湖流域以及淮河中下游流域地下水蓄变量为正值,地下水水量下降较不明显,说明这些流域水资源量存在盈余,可以进一步提高用水效率,充分挖掘水资源利用潜力。

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图101990-2010年黄淮海平原区地下水蓄变量分布
-->Figure 10The change of groundwater storage in Huang-Huai-Hai Plain from 1990 to 2010
-->

4 结论与讨论

4.1 结论

本文利用遥感数据,结合空间统计方法,面向流域水资源短缺问题,应用单位网格水平衡分析方法,通过1990年与2010年土地利用现状图形成网格数据集,考虑了自然和社会经济的双重影响,避开了复杂的产汇流机制研究以及庞大的数据需求,较好地计算出了1990年与2010年两期地下水蓄变量结果,得到以下结论:
（1）单元网格水平衡计算方法在黄淮海平原区具有可行性。基于水平衡原理,在310 863个网格上进行了水平衡计算,从流域尺度上看,单位网格水平衡方法的计算结果与实测数据有较好的一致性,方法具有可行性。水平衡结果显示,20年间黄淮海平原区各流域地下水水量均在减少,黄河以北的流域超采范围以及超采程度持续恶化。
（2）1990-2010年黄淮海平原区地下水蓄变量的减少与土地结构变化以及土地耗水强度变化有密切的关系。低耗水强度土地利用类型向高耗水强度土地利用类型转换,以及建设用地与耕地的耗水强度不断增加是黄淮海平原区地下水水位下降的重要原因。
（3）在流域两期地下水蓄变量变化中,建设用地的耗水变化是北四河下游流域、大清河流域以及淮河下游流域地下水蓄变量减少的主要原因,耕地的耗水变化是子牙河流域、徒骇马颊河流域、黑龙港流域、黄河下游流域、淮河中上游流域以及南四湖流域地下水蓄变量减少的主要原因。另外,由于水域面积的减少,黄河下游流域生态用地地下水蓄变量降低。

4.2 讨论

本文虽取得了一些认识,但以下问题还有待进一步深化研究:
（1）单元网格水平衡的方法精度仍有较大的提升空间。单元网格水平衡方法虽能在时间和空间上展示土地利用变化与地下水资源量的变化关系,但在计算的过程中,各地类的计算方法还可以进一步改进,例如建设用地耗水被粗略分为生活、工业与蒸发,工业还可以细分到各个部门,而生活用水可以划分为城市和农业、人与牲畜耗水等。其次,单元网格水平衡方法采用多源数据,例如两期蒸散发量数据的精度不一致,在一定程度上影响了计算的精度。
（2）本文分区中考虑了自然因素以及社会因素,其中自然因素考虑了地表水流域分区以及地下水系统分区,社会因素主要是考虑县市域行政边界的完整性,分区方法造成了一定的系统误差。同时,本文将浅层地下水与深层地下水看成一个整体的系统,未考虑不同含水层的相互补给,还需进一步在模型中考虑到浅层地下水与深层地下水之间的关系。
（3）本文从土地利用的角度揭示了黄淮海平原区地下水下降的成因,如何针对不同地类的耗水特点及水资源限制下的土地利用优化有待深入研究。
（4）农业用地耗水作为用水大户,1990年与2010年分别占到总耗水的83.46%,77.81%。考虑到黄河以南流域有着较为丰富水资源,具有一定开发潜力,如何通过粮食生产重心转移,缓解地下水超采区水失衡,具有较强的研究意义。
The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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黄淮海平原区土地利用变化对地下水资源量变化的影响

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Land use change and impact on groundwater storage in the Huang-Huai-Hai Plain

1 引言

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

2.2 数据来源

2.3 研究方法

3 结果及分析

3.1 土地利用变化分析

3.2 各地类水平衡分析

3.3 流域地下水蓄变量结果

4 结论与讨论

4.1 结论

4.2 讨论

参考文献原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子

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Land use change and impact on groundwater storage in the Huang-Huai-Hai Plain

1 引言

2 研究区概况、数据来源与研究方法

2.1 研究区概况

2.2 数据来源

2.3 研究方法

3 结果及分析

3.1 土地利用变化分析

3.2 各地类水平衡分析

3.3 流域地下水蓄变量结果

4 结论与讨论

4.1 结论

4.2 讨论

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