基于系統動力學的南昌市地下水應急供水方案模擬研究

鄧志輝，張 佳*，馬青山，陳鴻漢，賈軍元

(1.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083；2.中國地質調查局南京地質調查中心，江蘇 南京 210016)

受人類活動和氣候變化等因素的影響，全球正面臨著嚴峻的水資源短缺問題。中國作為發展中國家，水資源利用效率低于世界平均水平，加之水資源時空分布不均，導致水資源供需矛盾突出，嚴重制約了經濟社會發展。

目前，國內關于水資源供需平衡方面的研究主要集中于干旱-半干旱等水資源短缺地區。我國長江中下游地區是典型的濕潤區，水資源總量豐富，但近年來區內主要城市卻頻發嚴重的季節性水資源短缺事件，這主要是由于經濟社會發展驅動的水資源需求量增長以及極端氣候條件頻發共同導致的。但目前濕潤區季節性水資源短缺問題還沒有引起學界的足夠重視。

南昌市位于我國長江中下游地區，水資源總量豐富，但受季風氣候的影響，該地區水資源量年際變化大且年內分配不均。地表水作為南昌市主要供水水源，約占總供水量的96%，近年來“旱澇急轉”等極端氣候頻發，過度依賴地表水使得其供水安全更易受到年內降水不均的影響。南昌市季節性水資源供需失衡問題十分突出，1946—2010年的65年間發生了39次季節性干旱缺水事件。值得注意的是，南昌市地下水資源豐富，主要含水層為第四系砂礫石層，富水性強，單井涌水量約為1 000～10 000 m/d。但目前該地區地下水開發利用程度較低，僅占地下水可開采資源量的12%，供水潛力大。因此，在統籌考慮地表水-地下水聯合使用的基礎上，對南昌市水資源供需平衡進行動態分析，并開展地下水應急供水方案研究，可能是解決南昌市季節性水資源短缺問題的重要途徑。

水資源供需平衡分析是研究地下水應急供水方案的重要基礎，主要從需水和供水兩個方面進行。目前，針對水資源需水量和供水量預測的方法眾多。但是，以往研究中對于水資源供需平衡分析通常以年為時間步長，不能反映季節性水資源供需平衡狀況，同時，對于社會經濟系統需水端和水資源系統供水端之間的內在聯系考慮不足。水資源能夠支撐經濟社會發展，也會制約經濟社會發展，進而影響水資源需求量。因此，充分考慮社會經濟系統與水資源系統之間的反饋關系十分重要。

系統動力學方法具有動態模擬功能，并能夠分析復雜系統內部的因果反饋關系，在水文與水資源研究中應用廣泛。基于系統動力學方法的水資源供需平衡分析往往將系統劃分為社會、經濟、地表水和地下水等子系統，能夠反映社會經濟系統與水資源系統之間的內在聯系。但是，以往研究中對于地表水子系統與地下水子系統之間的水量交換關系考慮不足，難以滿足基于地表水-地下水聯合使用的地下水應急供水預測分析的需要。

本文以我國南方濕潤區城市南昌市為例，構建社會經濟系統與水資源系統耦合的概念模型，采用系統動力學方法建立南昌市水資源供需平衡的系統動力學模型，預測分析了不同經濟社會發展和氣候變化情景下水資源供需平衡的動態特征，并基于地表水-地下水的聯合使用開展了地下水應急供水方案模擬研究，以為南昌市應對季節性水資源短缺問題提供科學依據。

1 研究區概況

南昌市(115°27′～116°35′ E,28°09′～29°11′ N)地處中國江西省中部偏北，位于長江流域中下游平原，全市面積為7 402 km，其中水域總面積為2 204 km，占全市區域總面積的29.8%。境內水系十分發育，主要有贛江、撫河和修水河，均匯入下游鄱陽湖。該地區地勢總體西北高、南東低，依次發育低山丘陵、崗地、平原，呈現層狀地貌特征，以贛江為界，贛江西北部為構造剝蝕低山丘陵、崗地，贛江以東為河流侵蝕堆積平原。

該地區氣候溫暖，多年平均氣溫為17.78 ℃，雨量充沛，多年平均降雨量為1 582.81 mm。南昌市水資源總量豐富，多年平均水資源量為66.00×10m，受季風氣候影響，每年4～6月份降雨量占全年總量的47%，地表水資源量年際變化大且年內分配不均。根據《南昌市水資源公報》，2018年南昌市總供水量為32.02×10m。《南昌市統計年鑒》統計數據顯示，2018年年末南昌市常住人口達554.60萬人，地區生產總值為5 275億元，比上年增長8.9%。

南昌市地下水類型主要包括松散巖類孔隙水、紅層溶隙裂隙水和基巖裂隙水。其中，松散巖類孔隙水含水層為區內地下水的主要貯存空間，廣泛分布于贛撫沖積平原，主要由全新統、上更新統和中更新統沖積砂礫石組成，其富水性較強。河流是南昌市地下水主要的排泄邊界，汛期也可反補地下水，大部分河床位于砂礫石層上或揭穿了砂礫石層，地表水與地下水具有密切的水力聯系。

2 研究方法

系統動力學(System Dynamics,SD)是一種通過計算機仿真技術對系統結構進行模擬的方法，主要理論基礎是反饋控制理論和非線性動力學等。系統動力學方法的核心是建立問題的因果循環圖，并通過分析因果循環關系幫助我們更加深入地理解各系統間的真實行為。構成系統動力學模型結構的要素主要包括狀態變量、速率變量和輔助變量等，系統流圖則是將要素與要素之間的關系用一定的規則表示出來。但是，構建系統動力學模型并不是為了精準預測某些變量，而是通過系統行為重點識別系統的發展模式和發展趨勢。

Vensim系列軟件是構建系統動力學模型最具代表性的一種可視化應用軟件，因此本文使用基于Windows平臺運行的Vensim-PLE 7.3.5軟件來建立南昌市水資源供需平衡系統動力學模型。

3 南昌市水資源供需平衡的系統動力學模型建立與識別

3.1 模型邊界及數據來源

3.1.1 模型邊界

南昌市水資源供需平衡的系統動力學模型的空間邊界為南昌市行政邊界，時間邊界為2006—2030年，其中2006—2018年為模型驗證期，2019—2030年為模型預測期，預測基準年為2018年，時間步長為1個月。

3.1.2 數據來源

本研究數據類型主要包括兩大類：①社會經濟數據，主要有總人口及其增長率、工業增加值及其增長率、園林綠地面積及其增長率、有效灌溉面積以及各行業用水定額；②水資源數據，主要有地表水資源量、地下水資源量及其可利用系數、主要供水來源及供水量等。

模型所需數據主要來源于《南昌市水資源公報》《江西省水資源公報》《南昌市國民經濟和社會發展統計公報》《南昌市國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》《南昌市2000年地下水資源及環境地質問題預測》和《江西省南昌市城市環境地質問題調查評價報告》等。

3.2 模型構建

3.2.1 概念模型

南昌市水資源供需平衡的系統動力學模型主要由社會經濟需水系統和水資源供水系統兩個部分組成。其中，社會經濟需水系統主要用于計算生活、工業、農業和生態需水量；水資源供水系統主要用于計算地表水、地下水和其他水源供水量。將總供水量與總需水量的比值定義為水資源供需比，水資源供需比可以定量地反映南昌市季節性水資源短缺程度。水資源供水系統能夠支撐經濟社會發展，但是當水資源供需失衡時就會限制經濟社會發展。

3.2.2 因果循環圖和系統流圖

建立南昌市水資源供需平衡系統動力學模型主要分為兩個主要階段：第一階段是分析南昌市社會經濟系統與水資源系統之間的反饋關系，建立問題的因果循環圖并確定社會經濟-水資源耦合系統中主要要素的因果反饋關系；第二階段是基于因果循環關系和實際資料，確定模型各要素之間的數學關系，建立問題的流圖。

(1) 因果循環圖。社會經濟系統與水資源系統之間具有復雜的相互作用或反饋關系：一方面社會經濟發展會造成用水需求增加，引發水資源短缺和水質問題；另一方面水資源的不可持續發展同樣會限制經濟社會發展。將需水和供水分別作為社會經濟系統和水資源系統的邊界要素，基于需水和供水之間的矛盾將社會經濟系統和水資源系統相結合，建立了南昌市社會經濟-水資源耦合系統因果循環圖，見圖1。圖中每一個箭頭代表著一種因果關系，“+”代表著一個變量隨另一個變量增加(減少)而增加(減少)，“-”代表著一個變量隨另一個變量增加(減少)而減少(增加)。

圖1 南昌市社會經濟-水資源耦合系統因果循環圖Fig.1 Causal loop diagram of social-economic water resource coupled system of Nanchang City

由圖1可見，社會經濟系統與水資源系統之間的反饋關系主要通過水資源供需比實現，其大小受總供水量和總需水量的影響，同時又會影響工業增加值、總人口和園林綠地面積的增長速率。因果循環圖通過因果關系闡明了社會經濟系統與水資源系統間的相互作用，為水資源供需平衡分析奠定了基礎。同時，針對季節性水資源短缺問題，設置了地下水應急供水回路，當水資源出現缺口時，為滿足人民生活用水需求，增大地下水開采量，以減小水資源缺口。

(2) 系統流圖。基于南昌市社會經濟-水資源耦合系統因果循環圖，確定南昌市水資源供需平衡的系統動力學模型主要包括社會經濟需水、水資源供水和地下水應急供水3個子系統。為了進一步明確子系統結構、行為及各變量間的關系，構建了各子系統流圖，見圖2至圖4。

圖2 南昌市社會經濟需水子系統流圖Fig.2 Stock and flow diagram of socio-economic water demand subsystem of Nanchang City

圖3 南昌市水資源供水子系統流圖Fig.3 Stock and flow diagram of water resource supply subsystem of Nanchang City

圖4 南昌市地下水應急供水子系統流圖Fig.4 Stock and flow diagram of emergency groundwater supply subsystem of Nanchang City

社會經濟需水子系統和水資源供水子系統主要通過經濟社會發展需水量(總需水量)與水資源供水量(總供水量)之間的關系，即水資源供需比，實現社會經濟系統與水資源系統之間的反饋。總需水量包括工業需水量、生活需水量、農業需水量和生態需水量；總供水量由地表水、地下水和其他水源共同提供。南昌市現狀條件下地下水和其他水源供水相對穩定，總需水量增加時地表水需水量也會相應地增加，干旱月份地表水資源可利用量不能滿足用水需求時，會出現水資源供需失衡狀況，即水資源供需比小于1，從而限制了經濟社會發展。

地下水應急供水子系統主要用于分析季節性水資源短缺下應急供水方案，其內涵是在地表水資源量不能夠滿足供水需求的干旱月份，加大地下水開采量，以滿足居民基本生活用水需求。系統動力學模型中將地下水開采水源地概化為理想的圓桶模型，當進行地下水應急開采時，水源地地下水水位會下降，與地表水水頭邊界形成水頭差，再利用達西定律計算地表水與地下水之間的交換水量。

3.2.3 主要參數及計算

(1) 工業需水量

WD

=IAV

×

WQ

/120 000

(1)

IAV

=INTEG(

IAV

,

235.78

)

(2)

式中：

WD

為工業需水量(億m/月)；

WQ

為工業用水定額(m/萬元)；

IAV

為工業增加值

(

億元

)

；

IAV

為工業增加值增長量

(

億元/月

)

；INTEG(

a,b

)表示對

a

在時間步長上進行積分，

b

為初始值。

(2) 生活需水量

WD

=[P

×

(WQ

+

WQ

)

+

P

×

W

]

/100

(3)

P

=P

×

U

(4)

P

=P

-

P

(5)

P

= INTEG(

P

,

4.516 1

)

(6)

式中：

WD

為生活需水量(億m/月)；

WQ

為城鎮居民生活用水定額[m/(月·人)]；

WQ

為城鎮公共用水定額[m/(月·人)]；

WQ

為農村居民生活用水定額[m/(月·人)]；

P

為城鎮人口

(

百萬人

)

；

P

為農村人口

(

百萬人

)

；

U

為城鎮化率；

P

為總人口

(

百萬人

)

；

P

為總人口增長量

(

百萬人/月

)

。

(3) 農業需水量

WD

=EIA

×

WQ

/10+

WD

(7)

式中：

WD

為農業需水量(億m/月)；

EIA

為有效灌溉面積

(

hm

)

；

WQ

為農業用水定額(主要集中在每年4～9月份)[m/(hm·月)]；

WD

為林牧漁畜需水量(億m/月)。

(4) 生態需水量

WD

=GA

×

WQ

/10

(8)

GA

= INTEG(

GA

,

6 287

)

(9)

式中：

WD

為生態需水量(億m/月)；

WQ

為生態用水定額[m/(hm·月)]；

GA

為園林綠地面積

(

hm

)

；

GA

為園林綠地面積增長量(hm/月)。

(5) 水資源

SW

+1

=SW

+

IF

-

OF

+

EX

+

AD

-

SWD

+

SWR

-

EPS

(10)

GW

+1

=GW

+

LI

-

LO

-

EX

+

AR

-

GWA

+

INF

-

EPG

(11)

式中：

SW

和

SW

+1分別為

t

月和

t

+1月地表水體積(億m)；

IF

為

t

月地表水入流量(億m/月)；

OF

為

t

月地表水出流量(億m/月)；

EX

為

t

月地表水與地下水之間交換水量(億m/月)；

AD

為

t

月地表水人工排泄量(億m/月)；

SWD

為

t

月地表水取水量(億m/月)；

SWR

為

t

月地表產流量(億m/月)；

EPS

為

t

月地表水蒸發量(億m/月)；

GW

和

GW

+1分別為

t

月和

t

+1月地下水儲存量(億m)；

LI

為

t

月地下水側向流入量(億m/月)；

LO

為

t

月地下水側向流出量(億m/月)；

AR

為

t

月地下水人工回灌量(億m/月)；

GWA

為

t

月地下水開采量(億m/月)；

INF

為

t

月降水入滲量(億m/月)；

EPG

為

t

月地下水蒸發量(億m/月)。

(6) 供需平衡

WSWD=

WS

/

WD

(12)

WD

=WD

+

WD

+

WD

+

WD

(13)

WS

=WS

+

WS

+

WS

(14)

WS

=

min

(SW

,WD

)

(15)

SW

=

SW

-

WD

(16)

SW

=(

0.046 2×

R

-9.738 3

)

×

R

/100

(17)

WD

=

SW

×

P

(18)

WD

=

WD

-

GW

-

WS

(19)

式中：

WSWD

為水資源供需比；

WD

為總需水量(億m/月)；

WS

為總供水量(億m/月)；

WS

為地表水供水量(億m/月)；

WS

為地下水供水量(億m/月)；

WS

為其他水源供水量(億m/月)；

SW

為地表水資源可利用量(億m/月)；

SW

為地表水資源量(億m/月)，其計算公式是由水資源公報中年降水量與地表水資源量數據擬合而來；

WD

為河道內生態需水量(億m/月)，其值采用Tennant法計算，由于無實測徑流量資料，故利用研究區地表水資源量代替；

P

為河道內生態需水占徑流量的比例，取值為0.05；

R

為年降水量(mm)；

R

為年內每月降水比例；

WD

為地表水需水量(億m/月)；

GW

為現狀地下水開采量(億m/月)。

(7) 地下水應急供水

(20)

W

=

W

×

(WD

/

WD

)

(21)

(22)

BF

=BF

/

BF

(23)

EX=BF

-

BF

(24)

BF

=W

=K

×

(

2×

π

×

r

×

H)

×

J

(25)

J=V

/

(π

×

r

×

r)

/

r

/10

(26)

V

=INTEG(

V

-

V

,

0

)

(27)

V

=

W

/

μ

(28)

V

=W

/

μ

(29)

式中：

W

為水資源缺口(億m/月)；

W

為地下水應急開采量(億m/月)；

Y

為應急開采控制因子

,

取值為0表示不進行地下水應急供水，其余數值均表示進行地下水應急供水；

BF

為基流減少比例；

BF

為基流減少量(億m/月)；

BF

為基流量(億m/月)，取多年平均值0.86億m/月；

W

為漏斗區回補流量(億m/月)；

J

為水力坡度；

r

為漏斗半徑(km)，取值為4 km；

V

為漏斗體積(億m)；

V

為漏斗體積增加值(億m/月)；

V

為漏斗體積增加值(億m/月)；

μ

為給水度；

K

為含水層滲透系數(m/d)，取值為50 m/d；

H

為含水層厚度(m)，取值為30 m。其中，水資源缺口(

W

)是根據地表水需水量與地表水資源可利用量的差值計算得到；地下水應急開采量(

W

)是由水資源缺口與生活需水量占總需水量之比的乘積計算得到，模型假設各行業受水資源短缺的影響程度相同；地下水開采量(

WS

)受應急開采控制因子的影響，若不進行地下水應急供水，地下水開采量等于現狀開采量，若進行地下水應急供水，地下水開采量等于現狀開采量與地下水應急開采量之和；基流減少比例(

BF

)為基流減少量與基流量的比值；公式(25)～(29)為依據達西定律計算基流減少量(

BF

)的過程。

3.3 模型驗證

為了保證建立的南昌市水資源供需平衡的系統動力學模型的準確性，需要對模型進行檢驗。根據南昌市2006—2018年統計數據，選取工業增加值、總人口、園林綠地面積、總供水量等模型主要變量進行了驗證。驗證結果表明：這些變量的相對誤差基本都在10%以內，大部分變量的相對誤差保持在5%以內。模型主要變量的模擬結果與實際情況較為一致，見表1。

表1 模型主要變量驗證結果Table 1 Validation results of main variables of the model

南昌市水資源供需比的模擬結果，見圖5。

圖5 南昌市水資源供需比的模擬結果Fig.5 Simulated result of water resource supply- demand ratio of Nanchang city

由圖5可見，南昌市出現水資源季節性供需失衡的年份有5年，分別為2007年、2008年、2009年、2011年和2013年。實際資料顯示，贛江流域2007—2009年、2011年、2013年和2017—2018年均發生了不同程度的季節性干旱，水資源供需情況的模擬結果與實際情況一致。

綜上所述，本文建立的南昌市水資源供需平衡系統動力學模型的結構合理且運行正確，能夠較準確地模擬南昌市水資源供需平衡的動態變化，且發展趨勢與實際情況相符，可用于不同情景下地下水應急供水方案的預測分析。

4 南昌市地下水應急供水方案的模擬研究

4.1 模擬情景設置

為了應對季節性水資源短缺需要進行地下水應急供水方案研究，即需綜合考慮經濟社會發展和氣候變化對水資源供需平衡進行模擬預測。居民生活、農業生產、工業發展以及生態系統都高度依賴水資源的支撐，因此經濟社會發展是導致需水量增加的主要驅動力；另外，氣候變化會影響供水的不確定性，在干旱條件下供水不足會導致水資源短缺問題。因此，本文同時考慮未來經濟社會發展和氣候變化情景對地下水應急供水需求量的動態影響。

經濟社會發展情景主要從各行業用水定額以及經濟發展速度等方面進行分析，設定了以下3個經濟社會發展情景：①情景1(現狀型)，假設系統變量在2018年水平的基礎上有一個適度的發展趨勢；②情景2(發展型)，在情景1的基礎上，注重經濟發展，工業增加值增速每月由0.007提高至0.01；③情景3(節水型)，在情景1的基礎上，工業用水定額、生態用水定額和農業用水定額到2030年分別降低25%、20%和20%。南昌市農業需水占比較大且比較集中，主要發生在農作物的生長期4～9月份。

本文在對1951—2019年南昌站年降水量進行分析的基礎上，采用歷史重現法，設置了3種氣候變化情景：①情景A(穩定型)，降水量無明顯變化，線性擬合斜率

k

=6.28 mm/a，

R

=0.09(1976—1987年降水量)；②情景B(下降型)，降水量呈顯著減小的趨勢，線性擬合斜率

k

=-77.38 mm/a，

R

=0.41(1998—2009年降水量)；③情景C(上升型)，降水量呈顯著增加的趨勢，線性擬合斜率

k

=48.30 mm/a，

R

=0.28(1987—1998年降水量)。

綜上所述，在綜合考慮經濟社會發展和氣候變化的基礎上，本文共設置了9種模擬情景，具體模擬情景設置見表2。

表2 不同模擬情景設置一覽表Table 2 Settings of different simulation scenarios

4.2 水資源供需平衡動態分析

需水量預測是水資源供需平衡分析的重要組成部分，不同模擬情景下南昌市總需水量隨經濟社會發展呈現增長趨勢，到2030年，不同經濟社會發展情景下南昌市總需水量大小總體表現為節水型<現狀型<發展型。發展型情景下工業增加值相比現狀型會提高44.47%～48.56%，但總需水量會提高18.25%～19.68%，總需水量最大可達多年平均水資源量的77.82%；節水型情景下總需水量相比現狀型會減少18.33%～19.65%，同時還能實現工業增加值0.62%～1.79%的提升。

不同模擬情景下南昌市水資源供需平衡狀況的預測結果,見圖6。

圖6 不同模擬情景下南昌市水資源供需平衡狀況的 預測結果Fig.6 Predictive results of water resource supply and demand balance of Nanchang city in different simnlation scenarios

由圖6可以看出：

(1) 氣候情景為穩定型時，現狀型、發展型和節水型經濟社會發展情景下南昌市的缺水年數分別為9 a、10 a和8 a，年平均缺水月數分別為3.0月、3.8月和2.1月；氣候變化情景為下降型時，現狀型、發展型和節水型經濟社會發展情景下南昌市的缺水年數分別為7 a、9 a和7 a，年平均缺水月數分別為3.9月、4.6月和2.4月；氣候變化情景為上升型時，現狀型、發展型和節水型經濟社會發展情景下南昌市的缺水年數分別為6 a、9 a和4 a，年平均缺水月數分別為2.7月、3.1月和2.5月。

(2) 發展型情景下南昌市的總缺水月數相比現狀型提高了41%～75%，年平均缺水量提高了39%～62%；節水型經濟社會發展情況下南昌市的總缺水月數相比現狀型降低了約37%，年平均缺水量降低了33%～58%。

(3) 不同模擬情景下南昌市最小水資源供需比變化范圍為0.45～0.82，其中B2情景下最小水資源供需比最小(為0.45)，C3情景下最小水資源供需比最大(為0.82)。

4.3 地下水應急供水方案的模擬研究

根據預測結果可知，穩定型氣候條件下，不同經濟社會發展情景下南昌市地下水應急供水需求量平均值為0.11億m/a～0.35億m/a；下降型氣候條件下，不同經濟社會發展情景下南昌市地下水應急供水需求量平均值為0.16億m/a～0.46億m/a；上升型氣候條件下，不同經濟社會發展情景下南昌市地下水應急供水需求量平均值為0.08億m/a～0.19億m/a。因受農業灌溉需水主導，地下水應急供水需求量主要集中在每年的7～8月份。

南昌市地下水應急供水需求量和地下水水位的預測結果，見圖7。

圖7 南昌市地下水應急供水需求量和地下水水位變化經濟社會預測結果Fig.7 Predictive results of emergency groundwater supply demand and changes of the groundwater level of Nanchang city

由圖7可以看出：

(1) 穩定型氣候條件下，由地下水應急供水需求量及開采條件下應急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值的逐月動態結果可知，現狀型、發展型和節水型經濟社會發展情景下南昌市的地下水應急供水需求量分別為52.04萬m/d、74.74萬m/d和40.90萬m/d，年平均應急供水天數分別為90 d、114 d和63 d。其中，現狀型和節水型經濟社會發展情景下2030年末應急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值均大于1/2，對地下水系統的影響較小；發展型經濟社會發展情景下應急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值小于1/3[見圖7(a)]。因此，穩定型氣候條件下，南昌市地下水應急供水可以支撐現狀型經濟社會發展情景，但不能支撐經濟社會快速發展。

(2) 下降型氣候條件下，現狀型、發展型和節水型經濟社會發展情景下南昌市的地下水應急供水需求量分別為63.62萬m/d、82.21萬m/d和49.36萬m/d，年平均應急供水天數分別為117 d、138 d和72 d。其中，現狀型和節水型經濟社會發展情景下，2030年末應急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值均大于1/2，對地下水系統的影響較小；發展型經濟社會發展情景下應急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值小于10%[見圖7(b)]。因此，下降型氣候條件下，南昌市地下水應急供水難以支撐經濟社會快速發展，需聯合采取節水措施。

(3) 上升型氣候條件下，現狀型、發展型和節水型經濟社會發展情景下南昌市的地下水應急供水需求量分別為44.55萬m/d、67.25萬m/d和26.74萬m/d，年平均應急供水天數分別為81 d、96 d和75 d。不同經濟社會發展情景下，2030年末應急水源地剩余含水層厚度與初始含水層厚度的比值均大于1/2[見圖7(c)]。因此，上升型氣候條件下南昌市地下水應急供水能夠支撐經濟社會快速發展，且對地下水系統的影響較小。

(4) 由不同模擬情景下南昌市地下水應急供水需求量及應急水源地地下水水位降幅與初始含水層厚度比值的對比結果可知，現狀型經濟社會發展情景下南昌市的地下水應急供水可以滿足不同氣候條件下居民用水需求，且并未對地下水系統產生顯著的影響；過度追求經濟社會發展，工業增加值會顯著增加，但地下水應急供水需求量相比現狀型經濟社會發展情景平均增加20.65萬m/d，而地下水應急供水量過大會對地下水系統產生較大的影響，在不利的氣候條件下難以支撐經濟社會快速發展；節水型情景下地下水應急供水需求量相比現狀型平均減少14.48萬m/d，且對地下水系統的影響減弱，因此非常有必要采取節水措施。

4.4 生態環境影響分析

4.4.1 河道內生態需水量分析

地表水與地下水間存在著密切的水力聯系，因此地下水應急開采可能會對地表水生態環境產生影響。相反，地表水資源的可利用性同樣影響著地下水應急開采。當可利用的地表水資源量無法滿足地表水需水量時則需要進行地下水應急供水，而可利用地表水資源量定義為地表水資源量與河道內生態需水量的差值，因此河道內生態需水量間接地對地下水應急供水構成約束。

上節中關于水資源供需平衡和地下水應急供水方案的分析，均是以河道內生態需水量占徑流量的5%作為約束條件進行的。為了探究河道內生態需水量對于地下水應急供水的影響，增加了河道內生態需水量占徑流量的比例分別為10%、20%和30%的模擬情景，使得徑流量分別達到一般、良好和較好的狀態。因為不同氣候條件下，河道內生態需水量對系統的約束作用相同，故只選取了穩定性氣候條件下的模擬結果進行分析，不同生態流量約束條件下南昌市地下水應急供水需求量與地下水水位降幅與含水層厚度比例的模擬結果見圖8。

圖8 不同生態流量約束下南昌市的模擬結果對比圖Fig.8 Comparison of simulation results under different ecological flow constraints of Nanchang city

由圖8可見，相比河道內生態需水量占徑流量5%的情景，河道內生態需水量占徑流量的10%、20%和30%情景下南昌市地下水應急供水需求量平均分別增加7.54%、22.41%和36.31%，地下水水位降幅平均分別增加30.35%、110.67%和205.98%。發展型經濟社會發展情景下，地下水水位降幅始終大于含水層厚度的2/3，且河道內生態需水量占徑流量20%的約束條件下含水層已疏干；現狀型經濟社會發展情景下，河道內生態需水量占徑流量30%的約束條件下，地下水水位降幅大于含水層厚度的2/3；節水型經濟社會發展情景下，即使在河道內生態需水量占徑流量30%的約束條件下，地下水水位降幅也未超過含水層厚度的1/2。由此可見，地下水應急供水過程與河道內生態需水量之間存在矛盾，在地下水應急供水過程中有必要統籌兩者之間的關系。

4.4.2 地表水環境容量分析

地下水應急開采會影響地表水徑流量，而地表水徑流量又是影響地表水環境容量的重要因素。由于地下水應急供水水源地主要位于城區周邊，并且多為傍河取水方式，地下水應急開采量主要來源于襲奪地下水向河流的排泄量和激發河流向地下水的補給量，因此地下水應急開采會導致河流基流量的減少。根據模擬結果可知，不同模擬情景下南昌市地下水應急供水需求量在26.74萬m/d～82.61萬m/d之間，相應的河流基流量會減少0.86萬m/d～13.56萬m/d，河流基流減少量占河流基流量的比例約為0.30%～4.73%，故不同模擬情景下南昌市地下水應急供水對河流基流量影響程度的大小表現為發展型>現狀型>節水型。根據以上分析可知，南昌市地下水應急開采導致的河流基流減少量要小于地下水應急開采量，并且在地下水應急開采結束后仍會存在一定程度的影響，由此可見，地下水應急開采對河流基流量的影響存在著滯后效應。

地下水應急開采條件下，河流徑流量的減少會導致地表水環境容量減小。胡鋒平等計算了贛江—南昌段在保證率為90%的枯水期，河流徑流量為374 m/s時的地表水環境容量為139 380 t/a。地下水應急開采條件下河流基流減少量約為0.10～1.57 m/s，因此導致地表水環境容量會相應減少37～584 t/a，約占地表水環境總量的0.02%～0.42%。其中，不同模擬情景下南昌市地表水環境容量的減少量由大至小依次為發展型>現狀型>節水型。綜上所述，南昌市地下水應急開采對河流基流量存在一定程度的影響，但是由于河流基流量占河流徑流量的比例較小，故對地表水環境容量的影響程度較小。

5 結論與建議

本文采用系統動力學方法，以南昌市為例，建立了社會經濟系統與水資源系統耦合的概念模型，并在此基礎上構建了水資源供需平衡的系統動力學模型，從地表水-地下水聯合使用的角度出發，在不同經濟社會發展和氣候變化情景下，開展了2019—2030年南昌市地下水應急供水方案的模擬研究，主要得到如下結論：

(1) 基于系統動力學方法的水資源供需平衡分析和地表水-地下水的聯合使用，能夠綜合考慮經濟社會發展和氣候條件變化的影響，從而確定不同模擬情景下城市地下水應急供水需求量，為解決季節性水資源短缺問題提供了一種新思路。

(2) 現狀型經濟社會發展情景下，穩定型、下降型和上升型氣候條件下南昌市地下水應急供水需求量分別為52.04萬m/d、63.62萬m/d和44.55萬m/d，且不會對地下水系統產生顯著的影響，可滿足南昌市應急供水需求；僅考慮經濟社會快速發展時，在不利的氣候條件下南昌市地下水應急供水難以支撐經濟社會快速發展；實施節水措施后，南昌市地下水應急供水需求量減少，對地下水系統的影響也會減小，因此在季節性干旱條件下進行地下水應急供水的同時，采取節水措施也十分必要。

(3) 河道內生態需水量與地下水應急供水過程存在著矛盾，為了使應急開采條件下河流生態環境較好，需要采取嚴格的節水措施。地下水應急開采后，對河流基流量會產生一定的影響，并且存在滯后效應；另外，由于河流基流量占河流徑流量的比例較小，因此地下水應急開采對地表水環境容量的影響較小。

(4) 基于達西定律的地表水-地下水交換量計算方法為評價應急地下水開采對地下水系統的影響奠定了基礎，后續可結合分布式建模方法開展地表水-地下水耦合模型研究，從而進一步提高模型的預測精度。