中国北方岩溶地下水系统对人类活动和极端气候变化的响应研究

Karst groundwater is the primary source of water supply in northern China. In recent decades, the human activities and the climate change have resulted in many environmental problems, such as declining well yields, depletion of the spring discharge, and land subsidence. In this study, we are interested in answering the questions: how will the karst groundwater system respond under extreme climate change? Whether will it dry up? To answering the questions,this proposal selects Niangziguan Springs in northern China as research site, and then analyzes and simulates the response of the karst groundwater system to human activities and climate change. First, we separate the contribution of human activities on spring discharge depletion from the climate change; second, we set up the model between spring charge and precipitation under natural condition (i.e. without the impact of human activities), and then simulate the response of spring discharge to extreme climate change under different scenarios. Finally, by combining the contribution of human activities on spring discharge depletion and the spring discharge under extreme climate change, we acquire the response of karst groundwater system to both human activities and extreme climate change. Moreover, the spring discharge model under extreme climate is supposed to be set up according to the theory of statistics of extreme value (SEV). Because the SEV model mainly describes one dimensional extreme value distribution, we will extend it to multidimensional model based on the characteristics of karst groundwater system. In the model we will consider the time delay between the input and output variables (i.e. precipitation and spring discharge), and the interval input variables of karst groundwater system in order to acquire better undersatanding of the relations between groundwater system and extreme climate change. The purpose is to provide essential theory and methods for water supply security in northern China.

中国北方岩溶地下水是当地的主要水源，然而，近年来人类活动和气候变化导致水井枯干、泉流量衰减、地面沉陷等。在这种情况下，如果遭遇极端气候变化，北方岩溶地下水系统将会如何响应？是否面临枯竭？本项目以娘子关泉域为研究对象，研究岩溶地下水系统对人类活动和极端气候变化的响应：首先，分离出人类活动对泉流量衰减的贡献；其次，建立自然状态下（即没有人类干扰）泉水流量与降水量的关系模型，并模拟不同极端气候情景下的泉流量；最后，将二者叠加，从而获得岩溶地下水系统对人类活动和极端气候变化的响应模型。其中，自然状态下泉流量与降水量的关系模型主要运用极值统计的理论建立，而目前极值统计模型多数是小概率事件的一元分布，本项目将根据岩溶地下水系统的特征，将其推广至多元，同时考虑输入与输出变量之间在时间上的滞后和输入变量的连续区间输入特征，以便更准确地描述地下水系统和极端气候变化之间的关系，为我国北方供水安全提供基础资料。

中国北方岩溶地下水是当地的主要水源，近年来，人类活动和气候变化造成水井枯干、泉流量衰减、地面沉陷等问题。在这种背景下，如果遭遇极端气候变化，北方岩溶地下水系统将具有怎样的响应？本项目主要研究中国北方岩溶泉水流量对人类活动和极端气候变化的响应。首先，识别人类活动对泉流量衰减的作用和影响；其次，运用极值统计理论建立自然状态下（即没有人类干扰）泉水流量对降水量的关系模型、模拟不同极端气候变化情景下泉流量的响应；最后，将人类活动对泉流量衰减的贡献与单纯极端气候变化情景下的岩溶泉流量迭加，获得岩溶地下水系统对人类活动和极端气候变化的响应。目前极值统计模型多数是小概率事件的一元分布，本项目将根据岩溶地下水系统的特征，提出极值统计理论的多元模型，同时考虑输入与输出变量之间在时间上的滞后和输入变量的区间连续性，构建岩溶地下水系统对极端气候变化的响应模型，为我国北方供水安全提供基础资料。.我们对山西省柳林泉水流量进行了分阶段模拟分析，在研究泉水流量特征和开发利用背景的基础上，将柳泉水流量划分为自然阶段(1957-1973年)、过渡阶段(1974-1996年)和新平衡阶段(1997-2009年)，研究发现，泉水流量的标准差在自然阶段为0.37，过渡阶段为0.65，新平衡阶段为0.36。这充分说明地下水开发利用严重干扰了地下水系统的原有流场，造成了泉水流量的波动，经过一段时间的相互协调，地下水的自然流场与人为开发利用流场达成新平衡，流场再一次趋于平稳。继而，运用灰色系统模型建立不同阶段的泉水流量模型，结果显示，降水对泉水流量的驱动系统由自然阶段的0.0122，下降为新平衡阶段的0.0078，说明在人类活动影响下柳林泉域地下水系统变的更加脆弱。为了进一步研究人类活动和极端气候变化共同作用下泉水流量的变化过程，我们将广义极值统计模型进行改进，提出了非平稳广义极值模型，将非平稳广义极值模型应用于模拟娘子关泉泉水流量的极小值。研究结果表明，在人类活动和气候变化的共同作用下，娘子关泉断流的机率将随时间不断增加，于2022年，2025年和2030年断流的机率分别为1/100，1/27和1/19。项目成果将对我国北方岩地下水可持续开发利用和保护，提供基础资料。