高强度开发流域陆地水储量的分量模拟与评估

Huanghe-huaihe-haihe Region is select as the study area in this project because the basins have been affected strongly by human activities. Firstly, impacts of human activities on surface water and unconfined groundwater are analyzed based on experiment station data, hydro-meteorological data, groundwater and GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) data. Then an unconfined groundwater use module is developed by combining Dupiut-Thiem equation and Bossenesq equation, and then the module is integrated into an existing land surface hydrology model for developing a new coupled land surface hydrology model which has a good performance in highly developed basins. The newly developed model is calibrated in typical sub-basins according to observed hydrologic data. Impact mechanism of groundwater withdraw on land surface water and energy cycle will be studied with the model simulation results and field experiments. Monthly terrestrial water storage (TWS) is estimated by the GRACE data for last decade to be compared with simulated TWS by the newly developed land surface hydrology model. Seasonal and annual characters of "Blue water" (i.e. surface water and groundwater), "Green water" (i.e. soil moisture and evapotranspiration) and total TWS are then analyzed according to the daily simulated results since the year 1960, and their change trends are discussed. The project will help to understand the impact of groundwater withdraw on land surface water and energy processes, which can provide critical theory and technology for water resource evaluation and management.

选择人类活动影响显著的黄淮海地区为研究对象。依据实验数据、常规气象水文数据、地下水资料以及GRACE重力卫星资料，分析人类活动对地表水和浅层地下水的影响。以Dupuit-Thiem井流方程和二维浅层地下水方程为依据，发展浅层地下水开采方案，与现有陆面水文模型集成，建立适用于高强度开发流域的陆面水文耦合模型，在多个典型子流域对发展的模型进行率定，结合强化观测实验，阐明浅层地下水开采对流域陆面水分、能量过程的影响机制。同时，利用重力卫星资料反演得到近10年研究区的逐月陆地水储量，与模型计算值进行对比验证。根据模型模拟的逐日结果，评估1960年以来研究区"蓝水"（地表水和浅层地下水部分）、"绿水"（土壤水和蒸散发）和总的陆地水储量的季节变化和年际变化特征，揭示其长期演变规律。本项目研究成果将有助于揭示水资源开发对陆面水分能量过程的影响，为科学评估和管理流域水资源提供重要理论依据和技术支撑。

本项目以人类活动影响显著的黄淮海地区为研究对象。依据实验数据、常规气象水文数据、以及GRACE重力卫星资料等多源星地数据，分析了人类活动对地表水和浅层地下水的影响。发展了地表水和浅层地下水开采与灌溉参数化方案，与现有陆面水文模型集成，建立了适用于高强度开发流域的陆面水文耦合模型，在多个典型子流域对发展的模型进行率定，阐明浅层地下水开采对流域陆面水分、能量过程的影响机制。同时，利用重力卫星资料反演得到近10年研究区的逐月陆地水储量，与模型计算值进行对比验证。根据模型模拟的逐日结果，评估了研究区"蓝水"（地表水和浅层地下水部分）、"绿水"（土壤水和蒸散发）和总的陆地水储量的季节变化和年际变化特征，揭示了其长期演变规律。项目内容属于水文科学和大气科学的交叉研究领域，是国际研究热点和前沿，研究区受人类活动影响剧烈，具有重要理论意义和应用价值。.项目建立了适用用高强度开发流域的陆面水文耦合模型及其数据库一套，发表学术论文16篇，出版相关科研专著2部，其中2017年出版的《陆面水文耦合模型与应用》入选科学出版社刘昌明院士主编的《水科学前沿丛书》系列；申请和授权专利6项，获得水利部大禹水利科学技术奖一等奖1项（排名第3）等奖励；研究骨干赴美国、加拿大著名高校合作交流一年2人次，培养毕业研究生8人，在读研究生10人；参加中国地理学大会、欧洲地理学大会（EGU）等国内外著名会议10次，其中特邀报告1次。提出的地表地下水拦蓄与灌溉模拟方法、浅层地下水耦合方案等被中科院大气物理研究所、德国卡尔斯鲁厄理工大学等国内外著名研究机构采用。