對(duì)既保冬小麥產(chǎn)量又防承壓水耗竭的灌溉策略之探討

李 佩 ，任 理

（1.長安大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院環(huán)境工程系, 陜西 西安 710054；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院土壤和水科學(xué)系, 北京 100193）

1 問題的提出

位于京津以南的河北省黑龍港地區(qū)總面積約為4×104km2，包含53個(gè)縣（市），是華北平原中地表水資源匱乏且淺層又廣泛分布微咸水或咸水的區(qū)域[1-3]，但同時(shí)又是河北省優(yōu)質(zhì)冬小麥的重要產(chǎn)區(qū)[4-6]。由于該區(qū)域冬小麥的灌溉不得不在一定程度上依賴于開采深層地下水[7-11]，因而導(dǎo)致了在區(qū)域尺度上深層地下水的水位（頭）持續(xù)下降，再與該區(qū)域生活供水與工業(yè)生產(chǎn)用水對(duì)深層地下水的超采相疊加，便形成了在我國甚至全球都具有典型性的深層地下水位（頭）漏斗區(qū)[12]。2019年1月，水利部、財(cái)政部、國家發(fā)展改革委和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部頒布了《華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)方案》，黑龍港地區(qū)作為華北平原深層地下水的嚴(yán)重超采區(qū)，被列為這一方案中最重要的區(qū)域[13]。然而，黑龍港地區(qū)作為河北省冬小麥的主產(chǎn)區(qū)之一，所承擔(dān)的口糧生產(chǎn)任務(wù)又不容許該區(qū)域以犧牲冬小麥的產(chǎn)量來換取深層地下水的壓采（禁采或限采），換言之，盡管黑龍港地區(qū)壓采冬小麥井灌所用深層地下水既十分重要又刻不容緩，但維持該地區(qū)的冬小麥產(chǎn)能（這里特指冬小麥的播種面積與單產(chǎn)水平）同樣重要甚至更加重要！顯然，解決的途徑只可能是采用外調(diào)地表水置換深層地下水用于現(xiàn)狀情形下的冬小麥灌溉，如此才能既確保冬小麥穩(wěn)產(chǎn)又禁采深層地下水。于是，就產(chǎn)生了如下亟待探討的科學(xué)問題：在現(xiàn)狀灌溉情形下的冬小麥生育期，井灌所用深層地下水被禁采的前提下，確保冬小麥穩(wěn)產(chǎn)所需的外調(diào)引水量是多少？進(jìn)一步地，若外調(diào)引水量目前不能滿足現(xiàn)狀灌溉而只能滿足冬小麥生育期的限水灌溉，冬小麥的產(chǎn)量又會(huì)有怎樣的變化？定量探討這兩個(gè)問題有助于為河北省黑龍港地區(qū)更好地貫徹國家水安全、糧食安全與可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略目標(biāo)提供一定的科學(xué)支撐。

2 確保冬小麥產(chǎn)量穩(wěn)定所需的外調(diào)引水量

多年來，我們針對(duì)黑龍港地區(qū)，就冬小麥-夏玉米一年兩熟制，在冬小麥的現(xiàn)狀灌溉情形和限水灌溉情景下開展了細(xì)致的農(nóng)業(yè)水文模擬研究[10-11,14]。運(yùn)用基于多源與多尺度數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)率定與模型驗(yàn)證后的SWAP-WOFOST（Soil Water Atmosphere Plant-WOrld FOod STudy）模型，針對(duì)現(xiàn)狀灌溉情形，獲得了黑龍港地區(qū)53個(gè)縣（市）冬小麥單產(chǎn)的模擬結(jié)果及冬小麥井灌所用深層地下水開采量的估算結(jié)果[11,14]。由此可知：在縣（市）域尺度上，若將現(xiàn)狀灌溉情形中冬小麥井灌所用深層地下水的開采量替換成外調(diào)地表水對(duì)冬小麥渠灌的引用量，則此“以渠水換井水”的方案既可滿足“保冬小麥產(chǎn)量”這個(gè)口糧安全的“剛性約束”，又可實(shí)現(xiàn)“防承壓水耗竭”這個(gè)生態(tài)安全的“底線目標(biāo)”。

在現(xiàn)狀灌溉情形下，對(duì)黑龍港地區(qū)各縣（市）在模擬時(shí)段（1993—2012年）內(nèi)多年平均的冬小麥生育期灌溉所用的深層地下水開采量的估算結(jié)果見圖1。估算步驟如下：

圖1 現(xiàn)狀灌溉情形下黑龍港地區(qū)各縣（市）在模擬時(shí)段內(nèi)多年平均的冬小麥生育期灌溉所用的深層地下水開采量和其他用途的深層地下水開采量Fig.1 Average exploitation amount of deep groundwater for winter wheat irrigation during the simulation period under the current irrigation schedule and the exploitation amount of deep groundwater for other purposes in each county of the Heilonggang region

（1）基于農(nóng)民對(duì)冬小麥的灌溉習(xí)慣而概化的現(xiàn)狀灌溉制度[11,14]可知縣（市）在冬小麥生育期不同的降水頻率（亦即特定的降水水平）下的灌溉定額，進(jìn)而可計(jì)算模擬時(shí)段內(nèi)多年平均的冬小麥生育期的灌溉定額（mm）。

（2）將計(jì)算的灌溉定額乘以可以收集到的縣（市）在1994—2012年平均的冬小麥播種面積（hm2）[15]，即可得到模擬時(shí)段內(nèi)多年平均的冬小麥生育期的灌溉量（104m3）。

（3）將此灌溉量乘以縣（市）農(nóng)業(yè)灌溉用水量中深層地下水所占比例，即可得到模擬時(shí)段內(nèi)多年平均的冬小麥生育期灌溉所用的深層地下水開采量（104m3），此比例的概化過程詳見文獻(xiàn)[11]。

各縣（市）的深層地下水開采量引自“新一輪全國地下水資源評(píng)價(jià)”附表[16]，其他用途（如工業(yè)、生活或其他作物灌溉）的深層地下水開采量為收集的深層地下水開采量[16]與估算的模擬時(shí)段內(nèi)多年平均的冬小麥生育期灌溉所用的深層地下水開采量之差。

由圖1可見：在黑龍港地區(qū)這個(gè)華北平原典型的深層地下水嚴(yán)重超采區(qū)，各縣（市）深層地下水的開采量存在較大差異，對(duì)其中的衡水地區(qū)和滄州地區(qū)而言，在冬小麥生育期的井灌是深層地下水在區(qū)域尺度上呈現(xiàn)超采情勢的重要原因。圖1間接地反映出在各縣（市）冬小麥生育期的井灌對(duì)深層地下水超采態(tài)勢的貢獻(xiàn)程度，可為確保冬小麥穩(wěn)產(chǎn)而規(guī)劃所需的地表水外調(diào)引水量和引水工程的空間配置提供定量化的參考，這對(duì)于該地區(qū)深層地下水的超采治理具有一定的實(shí)際意義。

黑龍港地區(qū)多年平均的冬小麥生育期在現(xiàn)狀灌溉情形下所用的深層地下水開采量和其他用途的深層地下水開采量分別約為9.62×108m3和12.47×108m3（表1）。這意味著：若每年能有9.62×108m3的外調(diào)地表水作為該地區(qū)冬小麥生育期灌溉用水來替換所用深層地下水，則可實(shí)現(xiàn)該區(qū)域深層地下水禁采和冬小麥穩(wěn)產(chǎn)這一兼顧水安全和口糧安全的雙目標(biāo)。

表1 估算的黑龍港地區(qū)范圍內(nèi)在模擬時(shí)段多年平均的深層地下水開采量Table 1 Estimated average exploitation amount of deep groundwater during the simulation period in the Heilonggang region

據(jù)悉，目前在黑龍港地區(qū)生活和工業(yè)所用的深層地下水開采量大多已被“南水北調(diào)中線工程”的引水所置換。因此，若國家相關(guān)部門在對(duì)黑龍港地區(qū)冬小麥穩(wěn)產(chǎn)的要求下能再進(jìn)一步增加“南水北調(diào)東線一期工程北延應(yīng)急供水工程”（剛剛于2021年正式通水）和“引黃入冀補(bǔ)淀工程”（已經(jīng)于2018年正式通水）的引水量來置換農(nóng)業(yè)所用深層地下水量，使得滿足外調(diào)引水9.62×108m3用于黑龍港地區(qū)的冬小麥灌溉，則既可實(shí)現(xiàn)這個(gè)優(yōu)質(zhì)冬小麥重要產(chǎn)區(qū)保面積穩(wěn)產(chǎn)量這一黨政同責(zé)的管理目標(biāo)，又可遏制承壓含水層面臨枯竭這一岌岌可危的水安全情勢的發(fā)展。

3 允許冬小麥特定減產(chǎn)幅度所需的外調(diào)引水量

黑龍港地區(qū)各縣（市）在實(shí)施冬小麥生育期井灌所用深層地下水禁采的前提下，若置換冬小麥灌溉所用深層地下水量的外調(diào)地表水量不同時(shí)，則所導(dǎo)致的冬小麥產(chǎn)量的減幅也不同。圖2展示了黑龍港地區(qū)各縣（市）外調(diào)引水量僅能滿足冬小麥生育期的不同限水灌溉方案時(shí)，冬小麥的減產(chǎn)幅度是多少，這將為黑龍港地區(qū)貫徹“華北地區(qū)地下水超采綜合治理行動(dòng)方案”而實(shí)施深層地下水禁采，引用外調(diào)地表水渠灌冬小麥時(shí)因地制宜地考量“以水定產(chǎn)”提供定量參考。

圖2 不同的限水灌溉情景與現(xiàn)狀灌溉情形相比黑龍港地區(qū)各縣（市）在模擬時(shí)段內(nèi)多年平均冬小麥產(chǎn)量的變化量及變幅和冬小麥生育期灌溉所用深層地下水開采量的變化量及其削減量占深層地下水總開采量之比Fig.2 Average variation in winter wheat yield under different limited irrigation scenarios compared with the current irrigation schedule during the simulation period and the variation in deep groundwater exploitation for winter wheat irrigation and the proportion of the deep groundwater exploitation reduction to the total deep groundwater exploitation in each county of the Heilonggang region

由表2可見：黑龍港地區(qū)范圍內(nèi)多年平均的冬小麥生育期在限水3次、限水2次和限水1次的灌溉中所用的深層地下水開采量分別約為8.21×108m3、5.47×108m3和2.74×108m3。這意味著：若每年分別有8.21×108m3、5.47×108m3和2.74×108m3的外調(diào)地表水可替換黑龍港地區(qū)冬小麥生育期灌溉所用的深層地下水，則可實(shí)現(xiàn)該地區(qū)冬小麥限水灌溉中不再開采深層地下水，因?yàn)檫@種禁采是落實(shí)“華北平原地下水超采綜合治理行動(dòng)方案”的剛性要求。然而，盡管這有助于黑龍港地區(qū)因地制宜地實(shí)現(xiàn)“以水定產(chǎn)”從而避免承壓含水層的枯竭，但同時(shí)會(huì)造成該地區(qū)多年平均的冬小麥單產(chǎn)量分別減少約445 kg/hm2、1 647 kg/hm2和2 670 kg/hm2，減幅分別約為9%、35%和57%，總產(chǎn)量分別減少約4.53×108kg、18.69×108kg和30.59×108kg，減幅分別約為8%、34%和56%（表3）。

表2 估算的黑龍港地區(qū)范圍內(nèi)模擬時(shí)段冬小麥生育期在限水灌溉情景下多年平均的井灌所用深層地下水開采量Table 2 Estimated average deep groundwater exploitation for winter wheat irrigation under the limited irrigation scenarios during the simulation period in the Heilonggang region

表3 估算的黑龍港地區(qū)范圍內(nèi)模擬時(shí)段冬小麥生育期在限水灌溉情景下多年平均的冬小麥產(chǎn)量及其與現(xiàn)狀灌溉情形相比的變幅Table 3 Estimated average winter wheat yield and the variation under the limited irrigation scenarios during the simulation period compared with the current irrigation schedule in the Heilonggang region

本文基于已有的研究[10-11,14]而計(jì)算的結(jié)果是根據(jù)現(xiàn)狀灌溉情形和限水灌溉情景中冬小麥產(chǎn)量的模擬數(shù)據(jù)及冬小麥井灌所用深層地下水開采量的估算數(shù)據(jù)得到的。這里特別需要說明的是，我們在黑龍港地區(qū)所開展的區(qū)域尺度農(nóng)業(yè)水文模擬研究的時(shí)段為1993—2012年，而“南水北調(diào)東線工程”和“南水北調(diào)中線工程”及“引黃入冀補(bǔ)淀工程”的通水時(shí)間分別是2013年和2014年及2018年。因此，在上述計(jì)算中并未考慮這些外調(diào)引水工程的通水對(duì)該區(qū)域的影響。

值得注意的是，南水北調(diào)東線一期工程北延應(yīng)急供水工程于2022年3月25日啟動(dòng)，入河北省水量1.45×108m3[17]，引黃入冀補(bǔ)淀工程于2017年11月16日試通水，向河北省農(nóng)業(yè)灌溉供水3.65×108m3[18]。若這2部分引水量均能用于黑龍港地區(qū)冬小麥生育期的灌溉，則每年或許有大約5.10×108m3的地表水可供灌溉。黑龍港地區(qū)在禁采井灌所用深層地下水的前提下，現(xiàn)狀灌溉、限水灌溉3次和限水灌溉2次情景下所需的外調(diào)水量與上述5.10×108m3的地表引水量相比，其缺口分別約為4.52×108m3、3.11×108m3和0.37×108m3。若實(shí)施限水灌溉1次，則所需的外調(diào)水量與5.10×108m3的地表引水量相比，尚有2.36×108m3的盈余。此外，黑龍港地區(qū)微咸水和咸水的可開采資源量約為9.15×108m3[16]，河北省多年平均的微咸水利用量約為2.46×108m3[19]，尚有一定的利用潛力。因此，若現(xiàn)階段的引水量能得到保障，則缺水量可以考慮進(jìn)一步利用淺層微咸水和半咸水及坑塘蓄水，如此，便有望實(shí)現(xiàn)置換井灌冬小麥所用深層地下水量9.62×108m3的目標(biāo)。

需要提及的是，本文所提出的引用外調(diào)水進(jìn)行渠灌及水利部門目前開展的“河道生態(tài)補(bǔ)水”有使黑龍港地區(qū)內(nèi)的某些農(nóng)田產(chǎn)生次生鹽漬化的潛在風(fēng)險(xiǎn)，而規(guī)避這種風(fēng)險(xiǎn)的農(nóng)田水利工程（排水明溝或暗管）應(yīng)該未雨綢繆。

4 結(jié)語

（1）在河北省黑龍港地區(qū)，探討兼顧禁采井灌所用深層地下水與確保冬小麥產(chǎn)量穩(wěn)定的灌溉策略是水安全和口糧安全的管理決策所需的科學(xué)研究。

（2）在河北省黑龍港地區(qū)，對(duì)冬小麥若能采用外調(diào)地表水的渠灌來替代深層地下水的井灌，且每年能外調(diào)引水量約9.62×108m3，則本文提出的“以渠水換井水”的方案既可滿足政府對(duì)“保產(chǎn)量”這一口糧須絕對(duì)安全的“剛性要求”，又可實(shí)現(xiàn)“防耗竭”這一承壓水需生態(tài)安全的“剛性目標(biāo)”。

（3）在河北省黑龍港地區(qū)，若每年的外調(diào)引水量只能分別達(dá)到約8.21×108m3、5.47×108m3和2.74×108m3時(shí)，則對(duì)冬小麥禁采井灌所用深層地下水將不得不付出單產(chǎn)減幅分別約為9%、35%和57%的代價(jià)。

本文緊密結(jié)合當(dāng)前國家對(duì)水安全和口糧安全的戰(zhàn)略需求，基于我們近10年來在華北平原典型的深層地下水嚴(yán)重超采區(qū)—黑龍港地區(qū)所開展的農(nóng)業(yè)水文模擬研究工作，在區(qū)域尺度上宏觀地評(píng)估了對(duì)冬小麥灌溉時(shí)禁采深層地下水而采用“外調(diào)地表水渠灌”對(duì)其產(chǎn)量的影響，這些基于多年定量研究的結(jié)果所闡述的觀點(diǎn)可供政府相關(guān)管理部門針對(duì)該區(qū)域兼顧水安全與口糧安全進(jìn)行決策時(shí)參考。

致謝：感謝河北省農(nóng)林科學(xué)院旱作農(nóng)業(yè)研究所的李科江研究員就黑龍港地區(qū)深層地下水井灌現(xiàn)狀所給予的指教，感謝水利部南水北調(diào)規(guī)劃設(shè)計(jì)管理局副局長姚建文教授級(jí)高級(jí)工程師就南水北調(diào)工程的有關(guān)引用水問題所給予的指教，感謝水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院水資源一處陳飛高級(jí)工程師就“南水北調(diào)東線一期工程北延應(yīng)急供水工程”和“引黃入冀補(bǔ)淀工程”在黑龍港地區(qū)的線路所給予的指教。