冀中山前平原農(nóng)灌用水與地下水承載力適應(yīng)性狀況

田言亮++張光輝　嚴明疆　王茜　王金哲

摘要：針對冀中太行山前平原淺層地下水嚴重超采與農(nóng)林灌溉用水之間關(guān)系問題，應(yīng)用地學(xué)的模數(shù)理念、水量均衡理論方法和MapGIS空間特征分析技術(shù)，建立了農(nóng)灌用水與地下水承載力之間適應(yīng)性狀況評價方法及指標體系，以049 km2剖分單元精度識別了冀中山前平原農(nóng)林灌溉用水強度及其與淺層地下水可采資源量之間適應(yīng)性狀況。結(jié)果表明，冀中山前平原農(nóng)林灌溉導(dǎo)致的“極嚴重不適應(yīng)”或“嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)是淺層地下水超采的主要原因，其中小麥等夏糧作物灌溉用水主導(dǎo)了這些農(nóng)灌區(qū)地下水超采，蔬菜作物和耗水型果林灌溉開采對地下水的影響呈顯著增加趨勢，應(yīng)重視這種非理性加劇影響因素。

關(guān)鍵詞：冀中山前平原； 灌溉用水； 地下水資源承載力；淺層地下水超采；適應(yīng)性

中圖分類號：P641 文獻標志碼：A 文章編號：16721683（2016）05011106

Adaptability between agricultural irrigation and groundwater

carrying capacity in Central Hebei Piedmont Plain

TIAN Yanliang，ZHANG Guanghui，YAN Mingjiang，WANG qian，WANG Jinzhe

（Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China）

Abstract：Aiming at the problems of the water resources shortage and serious groundwater overexploitation for agricultural irrigation in the central Hebei piedmont plain，the evaluation index system and the evaluation method for the adaptability between agricultural irrigation and groundwater carrying capacity were established at an accuracy of 049 km2 by applying the earth science module concept，equilibrium theory and MapGIS technology.Evaluation results showed that the agricultural irrigation water intensity was in "serious incommensurate" status in most areas of the Hebei Taihang Piedmont Plain and the agricultural irrigation water was in"very serious incommensurate"state in most groundwater overdraft areas of Hebei plain，in which the summer crops such as wheat crop had an irrigation water intensity dominates groundwater overdraft，and the ratio of the irrigation water strength of the vegetable crop and the consumption fruit trees in total agricultural irrigation water increases showed a significant percentage increase trend.We should avoid this kind of irrational continuous increase.

Key words：Central Hebei Piedmont Plain；agricultural irrigation；carrying capacity of groundwater resources；groundwater overexploitation；adaptability

冀中山前平原淺層地下水超采主因是農(nóng)林灌溉。該平原區(qū)總用水量的80%以上來自于地下水，當?shù)氐叵滤傞_采量的85%用于農(nóng)業(yè)灌溉。其中，石家莊地區(qū)當?shù)乜傞_采量的8371%、邯鄲為8673%、保定8459%和衡水9020%用于農(nóng)業(yè)灌溉[1]。因此，開展該區(qū)農(nóng)灌用水與地下水承載力之間適應(yīng)性研究，對于緩解該區(qū)地下水超采問題具有重要意義。

有關(guān)農(nóng)業(yè)用水與區(qū)域水資源適應(yīng)性的研究較多[29]。程彥培、馬峰、姜秋香等研究表明農(nóng)業(yè)灌溉是影響水資源承載力的重要因素。鄭昌晶、張光輝、劉中陪等研究表明，我國北方平原區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉對地下水超采影響顯著[1021]。范建勇等認為，農(nóng)業(yè)灌溉導(dǎo)致了華北嚴重的地下水超采[1823]。張光輝等提出了地下水可持續(xù)利用性評價理論方法，并在我國華北、西北和東北地區(qū)地下水功能評價中得到廣泛應(yīng)用[2426]。有關(guān)農(nóng)業(yè)灌溉用水與地下水承載力適應(yīng)性評價是有待進一步研究課題[1]。

本文資料來自于國家科技項目、地質(zhì)調(diào)查項目調(diào)查所得和氣象、國土、水利、農(nóng)業(yè)等部門監(jiān)測所得，采用本項目創(chuàng)建的適應(yīng)性評價理論方法[1]，對冀中山前平原區(qū)小麥、玉米、蔬菜和耗水型果林的不同播種及灌溉開采地下水時空特點，分區(qū)、分類進行了適應(yīng)性狀況量化評價。

1 研究區(qū)概況

冀中山前平原區(qū)位于河北省太行山前平原，包括邯鄲市的臨漳、成安、磁縣、肥鄉(xiāng)、永年縣和山前部分縣平原部分，邢臺市的柏鄉(xiāng)、隆堯、任縣、南和、寧晉縣和山前部分縣平原部分，石家莊市的正定縣、欒城區(qū)、行唐縣、高邑縣、深澤縣、無極縣、元氏縣、趙縣、辛集市、藁城區(qū)、晉州市、新樂市、鹿泉區(qū)，以及保定市的清苑、徐水、定興、望都、涿州、定州市、安國、高碑店縣和山前部分縣平原部分，面積317萬km2（圖1）。該區(qū)是我國小麥主產(chǎn)區(qū)，也是華北平原淺層地下水超采最為嚴重地區(qū)。

2 基本概念與評價方法

2.1 基本概念與資料來源

2.1.1 基本概念

地下水承載力是地下水資源承載力的簡稱，它是指一定時間尺度的均衡期內(nèi)（一般不小于10年）多年平均地下水可開采資源的數(shù)量。灌溉用水強度是指平均每年、每平方千米內(nèi)灌溉用水的數(shù)量（萬m3/（a·km2）。

有關(guān)“水資源承載力”的概念主要包括三種：（1）水資源支撐社會經(jīng)濟系統(tǒng)持續(xù)發(fā)展能力論；（2）水資源承載最大人口論；（3）水資源開發(fā)規(guī)模論。它們的不同點是所強調(diào)的服務(wù)對象不同。本文中的“水資源承載力”指的是在自然環(huán)境中可更新的、客觀存在的、不會引起自然生態(tài)系統(tǒng)惡化的前提下能被人類社會利用的水資源數(shù)量[2729]。

本文中“適應(yīng)性”是指一定區(qū)域單位面積的地下水可開采資源量與相應(yīng)農(nóng)業(yè)（或不同作物）灌溉用水強度之間均衡狀況，采用I指標表達，評價等級、依據(jù)和意義見表1。

有至少20%的潛力。 “均衡”是指某研究區(qū)地下水可采資源量與當?shù)剞r(nóng)林灌溉用水量之間水量差介于±20%，用水比率處于良性?！耙话悴贿m應(yīng)”表示某研究區(qū)地下水可采資源量小于當?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水量，但農(nóng)林灌溉超用水量小于50%?！拜^嚴重不適應(yīng)”是指某研究區(qū)地下水可采資源量小于當?shù)剞r(nóng)林灌溉用水量，且農(nóng)林灌溉超用水量大于50%、小于80%?！皣乐夭贿m應(yīng)”是指某研究區(qū)地下水可采資源量小于當?shù)剞r(nóng)林灌溉用水量，且農(nóng)林灌溉超用水量大于80%、小于110%?！皹O嚴重不適應(yīng)” 是指某研究區(qū)地下水可采資源量小于農(nóng)林灌溉用水量，且農(nóng)林灌溉超用水量大于110%。

2.1.2 資料來源

氣象資料選擇研究區(qū)內(nèi)具有較完整資料序列（1961年-2010年）的逐日降水、氣溫和蒸發(fā)氣象站點監(jiān)測資料。

地下水方面資料主要是國土部門監(jiān)測和評價資料；地表水資源量和實際供用水量以海河水利委員會和河北省各地市水利部門監(jiān)測與調(diào)查資料為主；供水量主要包括淺（深）層地下水和地表水。

用水量包括農(nóng)田灌溉、工業(yè)、城市公共與生活、林牧漁畜、農(nóng)村居民生活和生態(tài)環(huán)境用水量。

灌溉農(nóng)業(yè)資料主要來自研究區(qū)各地市、縣農(nóng)村經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒，數(shù)據(jù)以鄉(xiāng)為統(tǒng)計單，資料主要包括小麥、玉米、稻谷等糧食作物、各類蔬菜和（蘋果、梨、桃、葡萄等）鮮果林播種面積和產(chǎn)量，灌溉定額、實際灌溉水量、灌溉時間及次數(shù)，耕地、水田和水澆地面積。

2.2 評價方法

農(nóng)林灌溉用水與地下水承載力之間適應(yīng)性狀況的評價指標，采用“評價指數(shù)”（I）表達，見式（1）。

式中：Nm為第m分區(qū)灌溉作物種類（小麥、玉米、蔬菜和耗水型果林）的數(shù)量；Wm（N）為第m分區(qū)、N種農(nóng)作物的灌溉用水量（萬m3/a）；Gm為當?shù)氐叵滤_采資源量；Fm為研究區(qū)面積（km2）；I為第m分區(qū)單位面積灌溉用水強度的適應(yīng)性結(jié)果。當I<0時，表示該分區(qū)水資源承載力小于農(nóng)業(yè)用水量；當I>0時，表示該分區(qū)水資源承載力大于農(nóng)業(yè)用水量，尚有水資源可用于農(nóng)業(yè)灌溉。根據(jù)I具體計算結(jié)果，可以判別某區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉與水資源承載力之間的適應(yīng)性狀況。

保障工業(yè)和生活用水（二者用水量之和≥總用水量30%），同時考慮糧蔬生產(chǎn)安全和區(qū)域地下水資源可持續(xù)利用，所以，本文采用多年平均地下水可采資源量（1991年-2010年）的70%作為基準值用于模型的識別與評價。此后，利用MapGIS空間分析技術(shù)，構(gòu)建07×07 km2精度剖分評價體系，即以面積為049 km2剖分基本單元，建立各縣分區(qū)不同作物灌溉用水強度數(shù)據(jù)庫，核查各縣分區(qū)地表水和地下水資源可利用量。最后在剖分單元體系上，建立地下水可采資源量與農(nóng)業(yè)灌溉用水強度的適應(yīng)性狀況評價體系。由此，利用式（1）計算各單元的I值并確定適應(yīng)性狀態(tài)。

根據(jù)上述結(jié)果，繪制I值等值線圖，依據(jù)表1的評價分區(qū)標準，可以得到研究區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水強度“適應(yīng)性”狀態(tài)圖。分析各狀態(tài)區(qū)的屬性、成因與趨勢；最后，提出針對各分區(qū)的的建議與對策。

3 研究結(jié)果

3.1 農(nóng)灌用水與地下水承載力分布特征

從農(nóng)林灌溉用水強度來看，冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)明顯大于華北平原（1107萬m3/（a·km2））。冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)農(nóng)林用水強度絕大部分在18萬m3/（a·km2）以上（圖2a），其中，辛集藁城無極正定欒城元氏一帶達3384萬m3/ （a·km2），部分農(nóng)區(qū)在36萬m3/（a·km2）以上，超出當?shù)剞r(nóng)業(yè)可利用水資源量的2倍。

以地下水可采資源量的70%作為基準值，冀中山前平原的西北部淺層地下水開采資源模數(shù)大于10萬m3/（a·km2），其中定興、容城和易縣曲陽地區(qū)地下水開采資源模數(shù)也較大，介于1927～2011萬m3/（a·km2）。衡水廊坊一帶，地下水開采資源模數(shù)較小，在249～577萬m3/（a·km2）之間。除了以上地區(qū)，其余大部分地區(qū)在70～10萬m3/（a·km2）之間。

自20世紀80年代以來，研究區(qū)絕大部分河流常年斷流，區(qū)內(nèi)可用于農(nóng)業(yè)灌溉的地表水資源十分有限。

3.2 農(nóng)灌用水與地下水承載力之間適應(yīng)性狀況

3.2.1 適應(yīng)性狀況分布特征

從圖2b可見，冀中山前平原的大部分地區(qū)農(nóng)灌用水強度與地下水可采資源承載力之間處于“極嚴重不適應(yīng)” 或“嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)，只有在該平原區(qū)的西北部保定地區(qū)，農(nóng)林灌溉用水處于“有潛力”或“均衡”狀態(tài)（表2）。

“極嚴重不適應(yīng)”或“嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)的地區(qū)，主要分布在石家莊和衡水地區(qū)，I值分別為-16563%和-19579%。其次是邢臺、邯鄲一帶，大部分為“嚴重不適應(yīng)”或“較嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)，少部分為“極嚴重不適應(yīng)”，I值分別為-10631%和-8124%。

3.2.2 地下水超采區(qū)適應(yīng)性狀況

（1）石家莊寧隆柏邢臺地下水超采區(qū)。

該超采區(qū)是華北平原最大的淺層地下水超采區(qū)，面積10 000 km2以上，漏斗中心區(qū)的地下水位埋深已達65 m，而1975年水位埋深僅1178 m。該區(qū)農(nóng)林灌溉用水狀況為“極嚴重不適應(yīng)”（圖2b），農(nóng)林灌溉用水強度與地下水資源承載力之間的I值超過-110%。大部分地區(qū)農(nóng)林灌溉用水強度在23萬m3/（a·km2）以上，遠大于當?shù)氐叵滤砷_采資源量（70～129萬m3/（a·km2））。

在“極嚴重不適應(yīng)” 狀態(tài)區(qū)域中，小麥等夏糧作物灌溉用水強度占農(nóng)林灌溉用水強度的5232%～6297%，其值大部分在17萬m3/（a·km2）以上。玉米等秋糧作物灌溉用水強度占農(nóng)林灌溉用水強度的1799%～3132%，其值大部分在7萬m3/（a·km2）以上。蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水強度，分別占該超采區(qū)農(nóng)林灌溉用水強度的406%～1693%和676%～823%，其中該區(qū)南部的蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水強度所占權(quán)重，明顯比該區(qū)北部小。該超采區(qū)南部的小麥等夏糧作物和玉米等秋糧作物的灌溉用水強度所占權(quán)重，都大于該區(qū)北部。

（2）保定高蠡清超采區(qū)。

保定高蠡清（高陽蠡縣清苑）超采區(qū)位于“寧柏隆”漏斗區(qū)以北，區(qū)內(nèi)淺層地下水降落漏斗面積2 217 km2，漏斗中心區(qū)地下水位埋深已超過60 m，而1975年水位埋深僅1211 m。在保定-高蠡清超采區(qū)，小麥等夏糧作物灌溉用水強度占該區(qū)農(nóng)林灌溉用水強度的6151%，達12萬m3/（a·km2）以上。玉米等秋糧作物灌溉用水強度占該區(qū)農(nóng)林灌溉用水強度的1866%，達32萬m3/（a·km2）以上。蔬菜作物或耗水型果林灌溉用水強度，分別占該超采區(qū)農(nóng)林灌溉用水強度的1218%和277%。

（3）邯鄲超采區(qū)。

邯鄲超采區(qū)是位于“寧隆柏”漏斗區(qū)以南，漏斗區(qū)面積2 211 km2，漏斗中心區(qū)地下水位埋深已超過53 m。在邯鄲超采區(qū)，農(nóng)林灌溉用水強度少部分為“極嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)，大部分處于“嚴重不適應(yīng)”和“較嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)，其值在13萬m3/（a·km2）以上，此外該超采區(qū)的南部其值更在23萬m3/（a·km2）以上，遠超當?shù)氐叵滤砷_采量（70～101萬m3/（a·km2））。

在“嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)區(qū)，農(nóng)林灌溉用水強度的4374%～5143%用于夏糧作物（小麥等）灌溉，夏糧作物灌溉用水強度大部分地區(qū)超過12萬m3/（a·km2）。玉米等秋糧作物灌溉用水強度占農(nóng)林灌溉用水強度的1174%～2268%%，大部分地區(qū)超過8萬m3/（a·km2）。蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水強度，分別占該超采區(qū)農(nóng)林灌溉用水強度的2023%～3708%和426%～744%。

4 結(jié)論

基于水文地學(xué)的“模數(shù)”理念、單元剖分方法和70%的地下水開采資源量（生活和工業(yè)用水占30%），應(yīng)用本項目組創(chuàng)建的農(nóng)林灌溉用水強度與地下水資源承載力之間適應(yīng)性狀況評價理論方法，研究結(jié)果如下。

（1）灌溉農(nóng)業(yè)，尤其以小麥為主的夏糧作物和蔬菜灌溉開采，已經(jīng)成為冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水超采的主要因素。

（2）在冀中山前平原農(nóng)林灌溉用水處于“極嚴重不適應(yīng)”或“嚴重不適應(yīng)”狀態(tài)的地區(qū)，不是僅因為當?shù)氐乇硭畢T乏，而是灌溉農(nóng)業(yè)用水規(guī)模遠超過了當?shù)厮Y源承載力，尤其是小麥作物和蔬菜等高耗水作物的種植規(guī)模。

（3）在冀中山前各超采區(qū)中，小麥等夏糧作物灌溉用水強度占50%以上，有些地區(qū)高達6297%。同時，蔬菜等開采地下水量呈顯著增加趨勢，很多地區(qū)蔬菜灌溉用水強度在20%以上，為避免蔬菜灌溉開采地下水的非理性持續(xù)大幅增加，應(yīng)引起人們高度重視。

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