既地下水采補平衡又冬小麥穩(wěn)產的探討

張雪靚，任 理

（1.中國農業(yè)大學土地科學與技術學院土地資源管理系，北京 100193；2.中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院土壤和水科學系，北京 100193）

1 既要壓采淺層地下水又要做到冬小麥穩(wěn)產的重要性

在我國，華北平原是地下水超采情勢最為嚴重的區(qū)域[1?3]，其中尤以京津以南的河北省平原區(qū)為甚[4]。2014年以來，為保障華北地區(qū)的水安全和生態(tài)安全，國家出臺了一系列以“壓采”地下水為核心的文件[5?18]，其中，河北省始終是相關政策貫徹與落實的重要靶區(qū)（圖1）。實現(xiàn)地下水采補平衡、地下水位止降回升是地下水超采綜合治理工作的重要目標，而在各種方案所涉及的具體壓采舉措中，推進節(jié)水農業(yè)一直被列為重點。據(jù)統(tǒng)計，河北省作為糧食生產大省，地下水開采量中的70%以上都用于農田灌溉[19]，井灌早已成為保障作物產量的重要支撐。河北省太行山東側的山前平原是該省糧食的主產區(qū)之一[20]，也是全國淺層地下水超采最嚴峻的區(qū)域[4]。該井灌區(qū)因淺層地下水的水質良好，其含水層早已成為主要的開采層[21]。1990年以來，因連續(xù)超采，該區(qū)域淺層地下水位的平均下降速度高達1 m/a以上[22?23]。淺層地下水由于能夠接受降水等補給，屬于可更新資源，具備實現(xiàn)“地下水位止降回升、地下水采補平衡”這一壓采目標的潛力。探討如何科學地壓減該區(qū)域內用于井灌的淺層地下水開采量、實現(xiàn)采補平衡，不僅是目前地下水資源可持續(xù)利用領域的熱點科學問題，也是當前相關管理部門在政策制定與方案比選時的重要考慮。

圖1 2014—2021年中央與國家有關部委和河北省人民政府及其相關管理部門有關地下水超采綜合治理重要文件發(fā)布的時間順序Fig.1 The policies about comprehensive treatment on groundwater overexploitation released by Chinese government,related ministries,and Hebei Province during 2014—2021

河北省太行山山前平原[23?26]共涉及保定、石家莊、邢臺和邯鄲4個地區(qū)的48個縣（市），總面積近2.3×104km2，其中耕地占比在80%以上，以冬小麥?夏玉米一年兩熟制作為最主要的種植模式[20]。由于冬小麥在其生育期內的降水量與需水量高度不匹配，多年平均缺水300 mm以上[27]，所以，灌溉特別是井灌成為近幾十年來該區(qū)域冬小麥生產的重要保障[28]。顯然，壓減地下水開采量勢必會在很大程度上影響冬小麥產量。河北省太行山山前平原，作為優(yōu)質強筋小麥的優(yōu)勢產區(qū)，在河北省小麥生產中占據(jù)著不可替代的地位[29?30]。2021年中央一號文件特別強調了糧食安全保障作為國家安全戰(zhàn)略的重要性[17]，當前河北省冬小麥的播種面積和單產水平保持穩(wěn)定是必須的。綜上，農業(yè)水文學的應用研究需要回答：在淺層地下水超采與優(yōu)質冬小麥生產的矛盾相當突出的河北省太行山山前平原，能否在地下水采補平衡的同時做到冬小麥穩(wěn)產？

2 既要壓采淺層地下水又要做到冬小麥穩(wěn)產的艱巨性

在考慮土壤質地、土地利用類型、氣象要素、作物品種、播種和收獲時段、灌溉制度的分區(qū)等空間信息的基礎上，構建了能夠模擬河北省太行山山前平原農田水文循環(huán)的分布式的土壤和水評估工具（Soil and Water Assessment Tool，SWAT）模型[23,26]。針對SWAT模型原始版本不能直接模擬和輸出地下水位的問題，Zhang等[23]、任理等[26]在其地下水模塊中增加了淺層含水層給水度等參數(shù)（量），并加入了山前側向補給量這一水均衡項，使之能夠更加合理地模擬該井灌區(qū)淺層地下水的水量和水位的“雙變化”。在此基礎上，利用收集整理的16口國家級監(jiān)測井和148口區(qū)域調查井的淺層地下水埋深觀測數(shù)據(jù)、“新一輪地下水資源評價”結果、遙感解譯的蒸散量、冬小麥和夏玉米的產量統(tǒng)計數(shù)據(jù)等多源信息，對改進后的SWAT模型進行了多模塊參數(shù)的率定與模型驗證，為進一步運用該模型開展特定情景下的模擬計算奠定了扎實的基礎[23,26]。對冬小麥?夏玉米一年兩熟制的現(xiàn)狀灌溉情形下的模擬結果表明：若按照研究中概化的1993—2012年農民的灌溉習慣來井灌冬小麥（當冬小麥生育期的降水水平為平水時灌溉4次，當冬小麥生育期的降水水平為枯水和特枯水時灌溉5～6次），從2012年開始，再有80年的時間，河北省太行山山前平原井灌區(qū)的淺層含水層將被疏干[23,26]。

河北省人民政府及其相關行政管理部門的有關政策文件[5?8,10?11,15?18]和研究者們已開展的田間試驗[31?34]表明：實施冬小麥生育期的限水灌溉模式（減少冬小麥的灌水次數(shù)和灌溉定額）將是河北省太行山山前平原最主要的農業(yè)節(jié)水壓采措施。為了權衡井灌開采量與冬小麥產量，基于模擬試驗，Zhang等[24]、任理等[26]設計了冬小麥生育期“春澆兩水”（在拔節(jié)期和抽穗期分別灌水一次）、“春澆一水”（只在拔節(jié)期灌水一次）和“雨養(yǎng)”三種限水灌溉方案作為模擬情景進行定量研究。結果表明：在“春澆兩水”和“春澆一水”的情景下，盡管該井灌區(qū)淺層地下水位的多年平均下降速度可分別減緩為現(xiàn)狀情形下的2/3左右和1/4左右，但淺層地下水的超采情勢在整體上仍難以得到控制（表1）。在“雨養(yǎng)”情景下，該井灌區(qū)淺層地下水位實現(xiàn)了“止降回升”，但雨養(yǎng)方案使冬小麥的平均減產率超過了50%（表1）。針對上述兩種限水灌溉情景下的淺層地下水位繼續(xù)下降而一種限水灌溉情景下的淺層地下水位能夠回升的模擬結果，進一步以淺層地下水的采補平衡為約束條件、以冬小麥單產的減產率最小為目標函數(shù)，獲得了研究區(qū)內所涉及的各子流域和各縣（市）域優(yōu)化的限水灌溉模式。優(yōu)化結果表明：若要實現(xiàn)淺層地下水的采補平衡，冬小麥最少也要減產約42%（表1），且在冬小麥生育期的降水水平為平水時大部分區(qū)域都需要實施雨養(yǎng)方案[24,26]。與此同時，還將“以水為約束”換為“以糧為約束”，在冬小麥單產特定減幅的約束條件下、以淺層地下水位下降速度最小為目標函數(shù)，再次進行優(yōu)化后得到了應采用的限水灌溉模式。結果表明：若希望冬小麥減產幅度不超過20%～30%，河北省太行山山前平原井灌所用淺層地下水每年仍超采3.7×108～7.8×108m3[24,26]，淺層地下水位持續(xù)下降的情勢將難以得到控制（表1）。

表1 現(xiàn)狀灌溉和限水灌溉及休耕模式下研究區(qū)內淺層地下水位動態(tài)與冬小麥產量變化Table 1 The variations in shallow groundwater table and winter wheat yield under the current situation,the limited irrigation schemes,and the fallow scheme patterns

季節(jié)性休耕或許會成為河北省太行山山前平原在對冬小麥實施限水灌溉之外又一種壓采井灌量的潛在策略[9,12?14]。河北省目前開展的耕地季節(jié)性休耕試點（將冬小麥?夏玉米一年兩熟制改為只種植一季雨熱同期作物的一年一熟制）是在深層地下水嚴重超采的黑龍港地區(qū)。考慮到太行山山前平原是河北省冬小麥的優(yōu)質高產區(qū)且井灌地下水主要來自于淺層含水層，在將連年休耕模式轉變?yōu)楦裟晷莞▽F(xiàn)狀的冬小麥?夏玉米一年兩熟制變?yōu)樾莞?夏玉米→冬小麥?夏玉米的兩年三熟制）模式下，Zhang等[25]、任理等[26]開展了情景模擬、評估與優(yōu)化。結果表明：為實現(xiàn)淺層地下水的采補平衡，在隔年休耕的模式下，還需要在河北省太行山山前平原大約90%的井灌耕地上實施冬小麥非休耕季的“春澆兩水”或“春澆一水”的限水灌溉方案，并在夏玉米生育期只采用“雨養(yǎng)”[25?26]。這就意味著，優(yōu)化的休耕模式需要在減少冬小麥種植年限（亦即：“減種”）的同時，還要減少灌水次數(shù)（亦即：“減灌”），才能達到淺層地下水位不再繼續(xù)下降的壓采效果。由于冬小麥每隔一年休耕一季的季節(jié)性休耕模式在冬小麥非休耕季還需要普遍實施限水灌溉，故其多年平均單產相較于冬小麥連年種植的現(xiàn)狀灌溉情形將減少一半以上。優(yōu)化的休耕模式顯示，在淺層地下水采補平衡的約束下，河北省太行山山前平原冬小麥年均單產的最小減產率約為55%（表1）。

上述結果表明，無論是種植制度保持不變條件下實施冬小麥限水灌溉（亦即：“減灌不減種”），還是變一年兩熟制為兩年三熟制的隔年休耕方案（亦即：“減種又減灌”），若要在區(qū)域尺度上實現(xiàn)淺層地下水位止降回升這一壓采目標，冬小麥要減產大約42%（限水灌溉模式）或大約55%（隔年休耕模式）。因此，若將實現(xiàn)淺層地下水的采補平衡作為該區(qū)域地下水資源承載力的剛性約束，僅利用淺層地下水進行井灌難以支撐現(xiàn)狀情形下冬小麥的產量水平。換言之，河北省太行山山前平原淺層地下水采補平衡的代價是冬小麥至少減產40%以上。

3 一水用“淺層地下水”另一水用“南水北調水”基本可做到既采補平衡又穩(wěn)產

面對國家下達的糧食播種面積和總產量的目標任務，統(tǒng)籌兼顧壓采和穩(wěn)糧，進一步探索“保產量和節(jié)水并舉”的新路徑對于當前河北省農業(yè)生產和農田水利工作具有重要意義。由表1可知，在冬小麥?夏玉米一年兩熟制下實施“春澆兩水”的限水灌溉方案，在模擬分析時段的20 年內，冬小麥減產率在研究區(qū)的平均值約為13%。相關的田間試驗結果[20,31?34]表明：若再配合一些農藝措施，減產幅度還能得到進一步的降低，這意味著“春澆兩水”的限水灌溉方案有望在河北省太行山山前平原實現(xiàn)冬小麥基本穩(wěn)產或輕度減產。但是，該限水灌溉方案下的淺層地下水超采情勢依然不容樂觀，水位的平均下降速度大約為0.7 m/a（表1），淺層地下水堪憂的安全情勢仍未得到扭轉。值得注意的是，近年來南水北調工程已經開始向華北平原輸水，為了探索河北省人民政府提出的“保產量與節(jié)水并舉的新路徑”，亦即兼顧“保冬小麥產量”與“壓地下水開采”，在冬小麥減產幅度相對較小的“春澆兩水”的限水灌溉方案的基礎上，本文將進一步探討：在冬小麥關鍵需水期內的兩次灌溉中，除一次仍采用淺層地下水，另一次可否使用南水北調中線工程的引水置換一次淺層地下水？

若能夠使用“南水北調水”置換一次井灌的地下水，則不妨將“一水用淺層地下水、另一水用南水北調工程的引水”稱之為“修改的春澆兩水”模式（以下統(tǒng)一簡稱為“修改的春澆兩水”模式）。在此模式下，淺層地下水的動態(tài)在某種程度上近似于原來模擬的井灌冬小麥“春澆一水”的結果。換言之，研究區(qū)淺層地下水位平均下降速度可至少減緩為0.28 m/a（亦即：淺層地下水位的下降速度可減緩為現(xiàn)狀情形下的1/4 左右），井灌超采量可削減75%左右，而在都使用淺層地下水作為灌溉水源的“春澆兩水”的限水灌溉方案下，平均只能壓減約37%的井灌超采量?？傮w來看，在河北省太行山山前平原，采用“修改的春澆兩水”模式，在井灌的灌水定額設為75 mm的情景下，冬小麥平均減產約13%，淺層地下水位的降速是現(xiàn)狀下的大約1/4。在Zhang等[24]、任理等[26]的基礎上，又設計了灌水定額不同的井灌冬小麥的“春澆一水”方案，并進行了模擬與優(yōu)化，結果顯示：在保定地區(qū)主要實施灌水定額為50 mm的井灌一次的方案、在邢臺和邯鄲地區(qū)主要實施灌水定額為40 mm的井灌一次的方案、在石家莊西南地區(qū)主要實施灌水定額為30 mm的井灌一次的方案，如此，可在研究區(qū)大約70%面積上實現(xiàn)淺層地下水的采補平衡。在冬小麥生育期“春澆兩水”的模式下，若兩次灌溉均使用淺層地下水，則在研究區(qū)90%左右的區(qū)域內，淺層地下水位仍會以超過0.5 m/a的速度繼續(xù)下降（圖2），但是，若一次灌溉仍采用淺層地下水且灌水定額依舊為75 mm，而另一次灌溉使用南水北調中線工程的引水且灌水定額也為75 mm，則研究區(qū)90%左右的區(qū)域內的淺層地下水位的下降速度可減緩為0.5 m/a以內，但井灌時所采用的灌水定額仍難以實現(xiàn)大部分區(qū)域內淺層地下水位止降回升（圖2）；若進一步壓減采用淺層地下水進行灌溉的這一水的灌水定額，則研究區(qū)內大部分區(qū)域有望實現(xiàn)淺層地下水的采補平衡（圖2）。

圖2 “春澆兩水”和“修改的春澆兩水”的限水灌溉情景下研究區(qū)內淺層地下水位不同下降速度的井灌耕地面積占井灌耕地總面積的比例Fig.2 The percentages of well-irrigated cropland area divided by the different declining degrees of the shallow groundwater table under the limited irrigation schemes with applying two rounds of irrigation for winter wheat

4 使用一次“南水北調水”的引水量及其財政補貼之匡算

上述分析表明，在本文提出的“修改的春澆兩水”模式下，既可以基本維持冬小麥產量，也有望實現(xiàn)淺層地下水采補平衡。然而，這其中涉及到一個關鍵問題：南水北調中線工程的引水是否可以提供河北省太行山山前平原灌溉冬小麥所需的水量呢？根據(jù)對《河北水利統(tǒng)計年鑒》中的機電井灌溉面積[35]的統(tǒng)計計算，河北省太行山山前平原的井灌耕地面積約為11 499 km2。在“修改的春澆兩水”灌溉模式下，假定使用南水北調中線引水工程進行灌溉的灌水定額仍為75 mm，則河北省太行山山前平原冬小麥的井灌區(qū)每年需要南水北調中線工程的引水提供灌溉用水量大約8.6×108m3。據(jù)了解，南水北調中線引水分配給河北省的年用水指標約為30.4×108m3[36]，若河北省每年引水中用于工業(yè)和生活的水量不到20×108m3，則每年至少還有大約10×108m3的用水指標可以使用。此外，南水北調中線工程在2018—2020年每年向河北省的生態(tài)補水至少約10×108m3[36?37]。因此，在河北省太行山山前平原冬麥區(qū)若使用南水北調中線工程的引水來置換1次井灌抽水，從水量保障的角度上看似乎是可行的。

另一方面，若能利用南水北調中線工程的引水對冬小麥灌溉1次，灌水定額為75 mm，按照目前南水北調中線引水的用水價格至少0.97元/m3[38]計算，對河北省太行山山前平原冬麥區(qū)灌溉1次所需的灌溉水費至少8.37億元?？紤]到南水北調中線工程引水的水價實行“兩部制”[39]，若河北省的引水只有10×108m3，河北省至少需要支付的水費約為1.93元/m3。因此，若將河北省太行山山前平原冬麥區(qū)的井灌費用按照文獻[40]報道的利用淺層地下水進行灌溉的水費約為0.22元/m3進行計算，農民若采用南水北調中線的引水置換一次淺層含水層的抽水用于麥田灌溉，至少分別需要多支付0.75元/m3（按0.97元/m3計算）和1.71元/m3（按1.93元/m3計算）。如此，在河北省太行山山前平原冬小麥生育期內采用本文所建議的“修改的春澆兩水”的限水灌溉模式，由于將井灌水源置換為使用一次南水北調中線工程的引水而分別需要多花費6.47億～14.75億元，這相當于農民在每公頃井灌耕地上要多花費562.5～1282.5元?；诤颖笔√猩缴角捌皆瓬\層地下水超采情勢的嚴峻性和治理的迫切性，當使用南水北調中線工程的引水部分置換淺層含水層的抽水用于冬小麥的灌溉時，將使用引水進行灌溉與采用地下水進行灌溉的水費之差額，由政府財政補貼給河北省太行山山前平原的種麥農民，對于貫徹落實口糧安全立足國內且維護農民種麥的積極性是十分重要的。

5 結語

地下水超采治理與穩(wěn)定糧食生產對于河北省推進高質量發(fā)展都是極為重要的政府管理目標。在采補平衡作為河北省太行山山前平原淺層地下水資源承載力的剛性約束下，無論是實施限水灌溉方案還是實行季節(jié)性休耕模式，在區(qū)域尺度上都難以做到冬小麥穩(wěn)產。

為了降低冬小麥的減產幅度且減小淺層地下水位的下降速度，若能夠使用南水北調中線引水工程的地表水部分置換淺層地下水用于冬小麥的灌溉，即采用“一水仍用淺層地下水而另一水使用南水北調水”的“修改的春澆兩水”的冬小麥生育期限水灌溉模式，可以在這一典型的淺層地下水超采區(qū)70%的面積上實現(xiàn)采補平衡（亦即淺層地下水位基本穩(wěn)定），且冬小麥也有望基本穩(wěn)產。

當然，就本文提出的“修改的春澆兩水”模式在該區(qū)域的推廣而言，目前只是粗略地考慮引水指標及其相應的財政補貼。今后，可以進一步細化利用南水北調中線引水配額中除工業(yè)、生活用水以外的盈余指標和生態(tài)補水指標用于研究區(qū)內的冬小麥灌溉，并進一步細化從供水價格的角度給予種麥農民一定的補貼額度。如何做到既實現(xiàn)該區(qū)域淺層地下水采補平衡的壓采治理目標又不損害農民的種糧利益是值得今后深入研究的?？傊?，本文的探討對河北省太行山山前平原的淺層地下水超采治理工作具有一定的參考意義。

致謝：感謝中國地質環(huán)境監(jiān)測院提供位于河北省太行山山前平原的國家級地下水監(jiān)測井的地下水位監(jiān)測數(shù)據(jù)和地下水統(tǒng)測井的地下水位調查數(shù)據(jù)；感謝河北省水利科學研究院郭永晨教授級高級工程師及河北省水文水資源勘測局陳勝鎖教授級高級工程師提供河北水利統(tǒng)計年鑒中的相關數(shù)據(jù)；感謝水利部南水北調規(guī)劃設計管理局法規(guī)處處長姚建文教授級高級工程師就有關南水北調中線工程的引水量與用水價格問題所給予的指教；感謝河北省水利科學研究院水資源水環(huán)境與河長制研究所所長潘增輝教授級高級工程師就有關南水北調中線工程引水的兩部制水價問題所給予的指教；感謝河北省農業(yè)農村廳前總農藝師、前副廳長、一級巡視員段玲玲就河北省冬小麥生產現(xiàn)狀所給予的指教；感謝中國農業(yè)大學資源與環(huán)境學院博士后李佩對相關數(shù)據(jù)的核算。