黃淮海平原灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度與保障能力

田言亮, 張光輝, 王 茜, 嚴(yán)明疆, 王 威, 王金哲

中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061

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黃淮海平原灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度與保障能力

田言亮, 張光輝*, 王 茜, 嚴(yán)明疆, 王 威, 王金哲

中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所, 河北石家莊 050061

摘 要:在我國北方糧食主產(chǎn)區(qū), 尤其黃淮海平原農(nóng)業(yè)區(qū), 地下水是農(nóng)業(yè)灌溉的重要水源, 地下水超采狀況與灌溉農(nóng)業(yè)對其依賴程度和地下水保障能力密切相關(guān)。本文通過農(nóng)業(yè)灌溉用水強度與降水量和農(nóng)作物播種強度之間關(guān)系研究, 以及灌溉農(nóng)業(yè)用水對地下水依賴程度和對地下水超采影響特征研究, 創(chuàng)建灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力相應(yīng)理念和評價理論方法, 應(yīng)用表明: (1)灌溉農(nóng)業(yè)開采是黃淮海平原農(nóng)業(yè)區(qū)地下水超采的主要因素, 主要發(fā)生在小麥主灌期, 且灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度愈高、灌溉前幾個月份降水愈少農(nóng)業(yè)超采愈嚴(yán)重; (2)農(nóng)業(yè)超采區(qū)地下水位在主灌期呈“厘米”級(大于1.0 cm/d)下降、非灌溉期呈“毫米”級(小于1.0 cm/d)上升的“強降-弱升”規(guī)律; (3)采用灌溉農(nóng)業(yè)用水對地下水依賴程度(A)、地下水對灌溉農(nóng)業(yè)用水保障程度(B)和灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力(C)的評價理論方法, 能夠客觀闡明灌溉農(nóng)業(yè)用水對地下水依賴狀況、地下水保障能力的區(qū)域分布特征及其成因。結(jié)果表明黃淮海平原西北部灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力較弱, 尤其河北平原已處于“難以保障”或“無法保障”狀態(tài), 黃河以南地區(qū)的地下水保障能力較強。

關(guān)鍵詞:地下水; 農(nóng)業(yè); 灌溉用水; 保障能力; 黃淮海平原

本文由中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目(編號: 12120115049701)和國家自然科學(xué)基金項目(編號: 41172214)聯(lián)合資助。獲中國地質(zhì)調(diào)查局、中國地質(zhì)科學(xué)院2015年度地質(zhì)科技十大進展第八名。

(1) Agricultural exploitation mainly in the irrigation period of wheat is the major factor of groundwater over-exploitation in the Huang–Huai–Hai Plain. The higher the dependence of irrigated agriculture on groundwater and the less the precipitation before irrigation period, the more serious the over-exploitation will be; (2) The shallow groundwater level in the agricultural exploitation area declines by more than 1.0 cm/d during the irrigation period and rises by less than 1.0 cm/d during non-irrigation period; (3) The regional characteristics, the situation and the causes of the dependence degree of irrigation agriculture on the groundwater and the safeguardcapacity of the groundwater can be objectively clarified by using the evaluation methodology which includes the dependence degree of irrigation water on groundwater (A), the supply extent of the groundwater to irrigation water (B), and the safeguard capacity (C). According to the results obtained, the groundwater safeguard capacity for agricultural irrigation is poor in the northwest area of the Huang–Huai–Hai Plain, especially in the Hebei Plain, the groundwater can hardly or even unable to guarantee the agricultural irrigation; in contrast, the safeguard capacity is stronger in the south area of the plain.

黃淮海平原是我國三大糧食主產(chǎn)區(qū)之一(即東北地區(qū)、黃淮海平原和長江流域中下游區(qū))。在黃淮海平原農(nóng)業(yè)灌溉用水中, 地下水開采量占農(nóng)用水總量的70%以上, 其中河北平原的大部分農(nóng)業(yè)區(qū)灌溉用水的80%以上取自地下水, 尤其保定、石家莊、邢臺、衡水和廊坊地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水對地下水具有較高依賴程度, 地下水已經(jīng)成為黃淮海平原灌溉農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本條件和永久基本農(nóng)田建設(shè)不可缺少的保障條件(張光輝等, 2012, 2013a)。

黃淮海平原糧食主產(chǎn)區(qū)包括河北、河南、山東、安徽和江蘇省等5個農(nóng)業(yè)區(qū), 面積26.32萬km2, 糧食作物播種面積、產(chǎn)量分別占全國總量的23.2%和28.9%。其中小麥播種面積、產(chǎn)量分別占全國相應(yīng)總量的39.7%和55.8%, 玉米種植面積、產(chǎn)量分別占28.3%和32.9%(張光輝等, 2012)。在未來我國糧食增產(chǎn)規(guī)劃(至2020年)中, 該區(qū)新增糧食產(chǎn)能占全國1000億斤新增產(chǎn)能的32.9%。然而, 在黃淮海平原以農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的地下水超采范圍和程度日趨嚴(yán)重, 區(qū)內(nèi)各糧食主產(chǎn)區(qū)能否可持續(xù)發(fā)展令人關(guān)注(周萬畝, 2007; 張光輝等, 2012; 劉中培等, 2012; 李山等, 2014; 景冰丹等, 2015)。但是, 在黃淮海平原不同分區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度和地下水保障能力現(xiàn)狀如何, 如何客觀量化評價, 不僅欠缺量化評價,而且, 尚無可借鑒的評價理論方法。它不僅涉及耗水型農(nóng)作物播種強度、地表水可利用資源和地下水開采資源賦存狀況, 而且, 還與非農(nóng)業(yè)需用水情勢和降水量等氣候變化密切相關(guān), 已成為國家重視的重要課題。2013年國土資源部啟動了地質(zhì)調(diào)查綜合研究項目“中國主要糧食基地地下水資源綜合評價與合理開發(fā)研究”, 推動了相關(guān)理論方法深入探討和研發(fā)。

有關(guān)農(nóng)業(yè)用水與地下水之間關(guān)系研究較多。研究表明, 我國北方地區(qū)地下水超采與農(nóng)業(yè)灌溉開采密切相關(guān)(張光輝等, 2012, 2013, 2015a, b; 劉中培等, 2012; 中國地質(zhì)科學(xué)院, 2016)。華北平原地下水資源長期處于負(fù)均衡狀態(tài), 農(nóng)業(yè)活動對地下水的影響強烈, 是地下水超采的主導(dǎo)因素(賈金生和劉昌明, 2002; 邵景力等, 2009; 石建省等, 2014)。農(nóng)業(yè)灌溉集中高強度開采地下水和分散大量開采都會造成地下水嚴(yán)重超采并引發(fā)地下水流場劇變(Gotkowitz and Hart, 2008; Pei et al., 2015)。但不同地區(qū)水資源承載力差異較大(姜秋香, 2011), 且不同農(nóng)業(yè)區(qū)節(jié)水潛力存在一定的差異性(姚治君, 2000;陳璽等, 2007)。

本文依托國家自然科學(xué)基金項目“降水變化驅(qū)動地下水變幅與灌溉用水強度互動閾識別”和中國地質(zhì)調(diào)查局綜合研究項目“中國主要糧食基地地下水資源綜合評價與合理開發(fā)研究”, 取得如下重要成果。

1 基本理念與評價理論方法

農(nóng)業(yè)開采量是指灌溉農(nóng)業(yè)用水過程中取用(開采)地下水水量的簡稱, 單位: 萬m3/a。

地下水開采資源量是指中尺度(10～15年)均衡期多年平均的可持續(xù)開發(fā)利用、且不引起不良生態(tài)環(huán)境和地下水位持續(xù)下降或地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問題的地下水量。

灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度(A)是指評價區(qū)近3～5年平均農(nóng)業(yè)開采量占當(dāng)?shù)叵鄳?yīng)時段年均農(nóng)業(yè)灌溉用水量的比率, 單位: %。

地下水對灌溉農(nóng)業(yè)用水保障程度(B)是指評價區(qū)可用于灌溉農(nóng)業(yè)的地下水開采資源量占當(dāng)?shù)亟?～5年平均(與A值計算時段相同)農(nóng)業(yè)灌溉用水量的比率, 單位: %。

灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力(C)是指在現(xiàn)狀開采條件下可用于灌溉農(nóng)業(yè)的地下水開采資源能夠確保當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)用水需求的能力, 無量綱, 計算方法如下式:

式(1)中, C值是表征地下水對當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)用水保障能力的綜合指標(biāo)。通過該值的區(qū)域分布特征分析, 可以闡明不同分區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)抵御連年氣候干旱的地下水保障能力。C值不僅與灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度(A)密切相關(guān), 而且, 還與當(dāng)?shù)噩F(xiàn)狀地下水保障程度(B)相關(guān), 其中氣候和農(nóng)作物布局結(jié)構(gòu)變化是主導(dǎo)影響因素。

從式(1)可見, 灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度(A)越低, 灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力(C)越強; 當(dāng)A值→0.0時, 則C值→1.0。灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度(A)越高的地區(qū), 尤其當(dāng)A值>>B值時, 該區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力消失(C為負(fù)值)。如果A值一定, 則該區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力(C)隨著B值的增大而提高, 即地下水開采資源量越大或該區(qū)灌溉用水總量越小, 該區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力越強。

表1　農(nóng)業(yè)區(qū)地下水保障能力評價指標(biāo)體系及意義Table 1 Evaluation index system and the significance of groundwater safeguard capacity in agricultural area

根據(jù)上述基本概念和地下水超采程度的評判指標(biāo)(張光輝等, 2009, 2012), 評價結(jié)果劃分為安全保障、較安全保障、基本保障、難以保障和無法保障5個級別, 如表1所示。

造成灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力處于“難以保障”或“無法保障”的原因, 不同地區(qū)各不相同。有些地區(qū)可能是因為當(dāng)?shù)氐叵滤_采資源極度貧乏所致, 有些地區(qū)是由于灌溉農(nóng)業(yè)規(guī)模過大, 農(nóng)業(yè)開采量遠(yuǎn)超過當(dāng)?shù)氐叵滤Y源承載力。連年干旱, 不僅會導(dǎo)致地表水資源枯竭, 而且地下水補給也會大幅減少, 同時, 農(nóng)業(yè)開采規(guī)模顯著增大(張光輝等, 2006, 2012, 2013, 2015b), 由此加劇A值與B值之差,即加劇農(nóng)業(yè)主導(dǎo)的地下水超采情勢。

B值中地下水開采資源的基值確定是根據(jù)不同類型區(qū)農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活和生態(tài)環(huán)境等對地下水資源合理需求, 分別確定各分區(qū)地下水開采資源的基值。即, 在農(nóng)業(yè)用水量占當(dāng)?shù)乜傆盟勘嚷蚀笥?0%的地區(qū), 以當(dāng)?shù)氐叵滤_采資源量的70%作為B值的基值, 主要為河北平原和河南部分農(nóng)業(yè)區(qū)。

在農(nóng)業(yè)用水量占當(dāng)?shù)乜傆盟勘嚷式橛?0%～70%的地區(qū), 以當(dāng)?shù)亻_采資源量的60%作為基值, 主要為河南、山東和安徽的淮河流域大部分農(nóng)業(yè)區(qū)。在農(nóng)業(yè)用水量占當(dāng)?shù)乜傆盟勘嚷市∮?0%的地區(qū), 以當(dāng)?shù)亻_采資源量的55%作為基值, 主要為江蘇的淮河流域農(nóng)業(yè)區(qū)和安徽的部分農(nóng)業(yè)區(qū)。

在實際應(yīng)用中, 根據(jù)評價尺度和具體需求, 可以進一步細(xì)化B值中地下水開采資源的基值分區(qū),例如根據(jù)地市級分區(qū)或水文三級或四級分區(qū), 切實從合理需求出發(fā)。當(dāng)然, 分區(qū)過多, 會增加不必要的工作量。本文研究區(qū)是國家糧食主產(chǎn)基地, 所以, B值中地下水開采資源的基值分區(qū)采用糧食主產(chǎn)區(qū)(省)作為基礎(chǔ)。

評價中采用的數(shù)據(jù)來源于: 地下水資源及其供用水量資料, 收集黃淮海平原相關(guān)各省市、區(qū)市監(jiān)測部門的監(jiān)測資料及相關(guān)報告, 包括近5年來各地市的水資源公報數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)灌溉和地下水動態(tài)監(jiān)測資料。其中供水量中包括地表水、淺層地下水和深層承壓水、微咸水、其他(外域調(diào)水、海水淡化等)水量; 用水量中包括農(nóng)田灌溉用水量, 分類為水田、水澆地、菜田的灌溉用水量及其地下水開采量, 林牧漁畜用水量及其林果、草場、魚塘和畜牧各分項的用水量和地下水開采量, 非農(nóng)業(yè)用水量。灌溉農(nóng)業(yè)資料主要源自各省市、地市和縣農(nóng)村經(jīng)濟統(tǒng)計年鑒及經(jīng)濟統(tǒng)計匯編, 該數(shù)據(jù)統(tǒng)計最小分區(qū)為鄉(xiāng)鎮(zhèn), 包括近5年以來主要糧食作物、各類蔬菜和鮮果的播種面積、產(chǎn)量和各類農(nóng)地面積、實際灌溉量和灌溉時間等數(shù)據(jù)。

2 農(nóng)業(yè)區(qū)地下水位強降弱升特征

從地下水動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明, 每年春季小麥灌溉期間農(nóng)業(yè)區(qū)地下水位都大幅下降, 秋季灌溉也呈現(xiàn)下降過程(圖1)。在灌溉開采地下水期間, 所有監(jiān)測孔的地下水位都呈下降過程, 下降幅度為“厘米/日”級(表2)。其它時段, 正逢降水較多或雨季之后又處于非主農(nóng)灌時節(jié), 以至所有監(jiān)測孔的地下水位都呈“毫米/日”級的上升特征(表2)。例如2007—2011年期間, 各年春灌溉期日均地下水位降幅介于1.98～3.07 cm/d, 為“厘米/日”級的下降特征。其中受降水偏枯影響的2007、2011年春灌溉期日均地下水位降幅介于3.17～4.07 cm/d, 而降水偏豐的2008 —2010年期間的各年春灌溉期日均地下水位降幅介于1.98～3.07 cm/d。又例如2012—2013年期間, 雖然年降水量分別為615.8 mm和586.6 mm(降水偏豐), 但是小麥春灌溉期間日均地下水位降幅仍然介于1.64～2.52 cm/d。

表2　不同季節(jié)冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位強降弱升特征Table 2 Fast declining or slow rising characteristics of the shallow groundwater level in the agricultural region of Hebei Taihang piedmont plain during different seasons (data from the intelligent hourly monitoring)

圖1　農(nóng)業(yè)超采地下水的主要時段、程度和機制Fig. 1 Main period, degree and mechanism of agricultural exploitation

在降水枯水年份, 尤其秋、冬、春三季持續(xù)干旱或連續(xù)枯水年份, 農(nóng)業(yè)開采引起的地下水位下降幅度明顯增大, “厘米/日”級降幅的特征更加顯著。例如在1992—1994年的降水枯水期間每年春灌溉季節(jié)農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位都大幅下降, 其中1992年春灌溉期地下水位下降3.89 m, 期間平均水位下降2.55 cm/d。1993年春灌溉期地下水位下降3.01 m,期間平均水位下降3.26 cm/d。1994年春灌溉期地下水位下降2.30 m, 期間平均水位下降3.77 cm/d,呈現(xiàn)日均地下水位降幅增大特征。這些枯水年份的春灌溉期間地下水位下降過程線的大部分, 位于1991—1995年期間水位變化趨勢線之下, 表現(xiàn)為加劇地下水位下降的特征, 這與降水偏豐年份(1991年的前期, 1990年降水量693.8 mm; 研究時段末期, 1995年降水量707.6 mm)特征明顯不同。

在非灌溉期, 即使是2007—2011年降水偏豐期間, 農(nóng)業(yè)區(qū)地下水位上升日均幅度2007年為0.76 cm/d、2008年日均水位升幅0.79 cm/d、2009年為0.96 cm/d、2010年為0.84 cm/d和2011年日均水位升幅0.72 cm/d, 總體上仍然呈現(xiàn)“毫米/日”級特征。又例如1991—1995年期間發(fā)生“3年降水連續(xù)偏枯”, 每年春灌溉期過后, 農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位都呈現(xiàn)上升過程, 其中1992年6至12月份地下水位上升1.21 m, 日均水位上升0.78 cm/d; 1993年地下水位上升2.39 m, 日均水位升幅0.97 cm/d; 1994年地下水位上升2.30 m, 日均水位升幅0.84 cm/d。上述這些變化, 仍然都呈現(xiàn)“毫米/日”級的上升特征。降水偏枯水年份地下水位弱升的一個標(biāo)識特征, 是地下水位上升過程線的大部分位于多年水位變化趨勢線之下。

3 灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度分布特征及成因

在黃淮海平原, 自東南至西北, 灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度呈增高變化特征。其中河北平原保定—石家莊—邢臺—衡水一帶的灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度最高(圖2和圖3a), 農(nóng)業(yè)開采量占當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)總用水量的80%以上, 該區(qū)域已成為黃淮海平原淺層地下水主要超采區(qū)。從地下水開采量占總用水量比率來看, 2011年保定地區(qū)占91.98%, 石家莊地區(qū)占81.77%, 邢臺地區(qū)占85.96%和衡水地區(qū)占89.62%, 廊坊、邯鄲和滄州地區(qū)介于72%～85%。北京和天津平原區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度都較低,農(nóng)業(yè)開采量占當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)總用水量的比率不足35%(圖2, 3a)。

圖2　黃淮海糧食主產(chǎn)區(qū)地下水保障能力的成因與機制Fig. 2 The cause and mechanism of groundwater safeguard capacity in Huang-Huai-Hai major grain producing areas

圖3　黃淮海糧食主產(chǎn)區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度和地下水保障能力分布狀況Fig. 3 The distribution of groundwater safeguard capacity and the dependency degree of agricultural irrigation on groundwater in the Huang–Huai–Hai major grain producing areas

在河南平原的北部和中東部地區(qū), 灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度較高(圖2, 3a)。其中安陽、濮陽、鶴壁、新鄉(xiāng)、開封和商丘地區(qū)農(nóng)業(yè)開采量占當(dāng)?shù)氐叵滤傞_采量的65%以上, 而且濮陽、鶴壁和新鄉(xiāng)地區(qū)農(nóng)業(yè)用水量占當(dāng)?shù)乜傆盟康?0%以上。在山東平原的西北部, 灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度也較高(圖2, 3a), 例如泰安地區(qū)農(nóng)業(yè)開采量占當(dāng)?shù)氐叵滤傞_采量的87.07%, 聊城地區(qū)占74.51%, 德州地區(qū)占71.85%。

在安徽的淮河流域平原區(qū), 包括宿州、蚌埠、阜陽、淮北和亳州地區(qū), 農(nóng)業(yè)開采量占當(dāng)?shù)氐叵滤傞_采量的比率介于10.75%～33.56%, 呈逐年增大趨勢, 但總體上該區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度較低(圖2, 3a)。在江蘇的淮河流域平原區(qū), 地下水開采量占當(dāng)?shù)乜傆盟勘嚷什蛔?.0%, 農(nóng)業(yè)用水量也僅占48.51%, 灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度最低的是黃淮海平原地區(qū)(圖2, 3a), 因為當(dāng)?shù)赜晁渑婧偷乇硭Y源豐富。

4 地下水對灌溉農(nóng)業(yè)保障能力分布特征與成因

4.1地下水保障能力分布特征

黃淮海平原糧食主產(chǎn)區(qū)的孔隙地下水資源量占99.91%, 巖溶地下水資源量占0.09%。其中, 黃河以北的平原區(qū)占39.22%, 黃河以南的淮河流域占55.49%和黃河流域5.29%。黃河以北的平原區(qū)孔隙地下水資源量為227.58億m3/a, 占全區(qū)總量的39.17%; 黃河以南的淮河流域為322.74億m3/a, 占55.54%; 黃河流域為30.76億m3/a, 占5.29%。黃河、海河和淮河流域平原區(qū)的地下水資源模數(shù),分別為14.93 m3/(a·km2)、16.19萬m3/(a·km2)和16.55萬m3/(a·km2)。

從黃淮海平原的各主產(chǎn)(省)分區(qū)來看, 河北主產(chǎn)(省)區(qū), 礦化度小于3 g/L的地下水天然資源為101.02億m3/a, 其中保定、唐山和石家莊地區(qū)較豐富, 地下水資源模數(shù)介于16.98～21.78萬m3/(a·km2);河北的滄州、衡水和廊坊地區(qū)地下水資源模數(shù)較小,介于6.72～10.63萬m3/(a·km2)。在河南(省)主產(chǎn)區(qū)的海河流域, 地下水天然資源量(礦化度小于3 g/L)為35.87億m3/a, 資源模數(shù)20.53萬m3/(a·km2); 在河南主產(chǎn)(省)區(qū)的淮河流域, 地下水天然資源量為107.37億m3/a, 資源模數(shù)11.16萬m3/(a·km2)。在山東主產(chǎn)(省)區(qū)的海河流域, 地下水天然資源量(礦化度小于3g/L)為38.31億m3/a, 資源模數(shù)12.03 萬m3/(a·km2)。在山東主產(chǎn)區(qū)的淮河流域, 地下水天然資源量為78.62億m3/a, 資源模數(shù)16.10 萬m3/(a·km2)。在安徽(省)糧食主產(chǎn)(省)區(qū)的淮河流域, 地下水天然資源量(礦化度小于3 g/L)為102.01億m3/a, 資源模數(shù)12.88萬m3/(a·km2)。在江蘇主產(chǎn)(省)區(qū)的淮河流域, 地下水天然資源量為107.61億m3/a, 天然資源模數(shù)18.40萬m3/(a·km2)。

從圖3b可見, 在黃淮海平原, 河北和天津地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力最弱, 大部分區(qū)域處于“難以保障”或“無法保障”狀態(tài)。在河北平原的9個地市級分區(qū)中, 3個地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力處于“無法保障”狀態(tài), 2個地區(qū)處于“難以保障”狀態(tài)和4個地區(qū)處于“基本保障”狀態(tài)(圖2b), C值都處于安全保障閾值線之下(圖2), 表明該地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力難以或無法可持續(xù)利用。

河南平原的海河流域, 部分地區(qū)地下水保障能力處于“難以保障”或“無法保障”狀態(tài)(圖2b), 其中安陽、鶴壁和焦作地區(qū)的C值都小于–0.50。濮陽和新鄉(xiāng)地區(qū)的C值介于–0.05～0.0之間, 地下水保障能力處于“基本保障”狀態(tài)。在河南平原的淮河流域, 鄭州、洛陽、南陽和山東泰安、淄博地區(qū), 地下水保障能力也十分脆弱(圖3b), 其他地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉的地下水保障能力處于“較安全保障”狀態(tài)(圖3b), C值都處于安全保障閾值線之上(圖2)。在山東平原區(qū), 無論是海河流域, 還是淮河流域, 大部分地區(qū)的地下水保障能力處于“安全保障”狀態(tài)(圖3b), C值都處于安全保障閾值線之上, 這些地區(qū)的A值多為小于50%, B值則多為大于80%。只有濟南、淄博和泰安地區(qū)較差, C值處于安全保障線之下(圖2)。

在安徽的淮河以北地區(qū), 農(nóng)業(yè)灌溉用水對地下水有一定的需求, 其中亳州、淮北、宿州、蚌埠、淮南和阜陽地區(qū)的地下水保障能力處于“較安全保障”狀態(tài), C值都處于安全保障閾值線之上。由于六安、合肥和滁州地區(qū)地表水資源豐富, 所以, 這些地區(qū)農(nóng)田灌溉尚未開發(fā)利用地下水, 它們的地下水保障能力也不高, B值小于30%, 當(dāng)?shù)氐叵滤_采資源不具備大規(guī)模開發(fā)利用潛力。在江蘇的淮河流域,農(nóng)業(yè)灌溉用水對地下水依賴程度普遍較低, A值小于1.0%。該區(qū)地下水保障能力不強, 盡管C值處于安全保障閾值線之上, 但是B值小于50%(圖2, 3b)。

4.2各分區(qū)地下水保障能力差異性成因

降水量、地表水可利用量和地下水開采資源量在空間分布上顯著差異, 是地下水保障能力明顯不同的主要原因。黃淮海平原降水量主要受太平洋季風(fēng)影響, 從西北至東南, 年均降水量從500 mm至1 000 mm。其中黃河以南地區(qū)年降水量介于700～1 000 mm之間, 黃河以北地區(qū)年降水量介于480～650 mm之間。河北平原的保定—石家莊—衡水—邢臺地區(qū)年均降水量<500 mm, 枯水年份的降水量不足400 mm, 且該區(qū)主要河流絕大部分常年干涸, 地表水資源十分匱乏。在豫北和魯北平原區(qū),許多地區(qū)引灌黃河等地表水, 農(nóng)業(yè)灌溉用水對地下水依賴程度較低?；春恿饔蚱皆瓍^(qū)不僅雨水充沛,而且地表水資源比較豐富, 所以, 該區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉以地表水為主, 尤其江蘇、安徽的淮河流域平原區(qū),農(nóng)業(yè)開采量不足當(dāng)?shù)乜傆盟康?0%。

從地下水保障能力的現(xiàn)狀來看, 河北平原衡水、滄州地區(qū)的“無法保障”狀態(tài), 不僅與當(dāng)?shù)氐叵滤_采資源貧乏有關(guān), 而且, 還與該區(qū)地表水可利用資源量少, 以至灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度過高有關(guān), 這兩個地區(qū)的A值分別達(dá)86.58%和79.52%。石家莊地區(qū)“無法保障”的成因與衡水和滄州地區(qū)的“無法保障”成因之間存在明顯不同, 石家莊地區(qū)地下水開采資源豐富, 開采資源模數(shù)介于12.56～23.89萬m3/(a·km2), 是衡水和滄州地區(qū)地下水開采資源模數(shù)的3～5倍。石家莊地區(qū)“無法保障”狀態(tài)的主因是當(dāng)?shù)匦←?、蔬菜等耗水型農(nóng)作物播種強度過大(介于119.1～142.5 hm2/(a·km2)), 加之, 當(dāng)?shù)氐牡乇硭Y源匱乏, 所以, 該區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉用水對地下水依賴程度(A值)達(dá)84.55%, 造成地下水嚴(yán)重超采, 以至B值僅為39.02%。而衡水、滄州地區(qū)耗水型農(nóng)作物播種強度僅介于48.4～88.9 hm2/(a·km2),但地下水天然資源貧乏, 地下水開采資源模數(shù)不足5.0萬m3/(a·km2), 由此, 該區(qū)地下水保障能力處于“無法保障”狀態(tài)。

在河南的海河流域, 各分區(qū)地下水保障能力處于“難以保障”或“無法保障”狀態(tài), 與當(dāng)?shù)氐牡叵滤_采資源較貧乏相關(guān), 該區(qū)B值小于50%。在河南的黃淮河流域, 各分區(qū)地下水保障能力處于“安全保障”或“較安全保障”狀態(tài), 是因為農(nóng)業(yè)開采量占當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水總量的比率(A值)較小, 而地下水開采資源量所占比率(B值)較大, A值小于70%, B值大于90%。

在山東平原區(qū), 無論是海河流域, 還是淮河流域, 大部分地區(qū)地下水保障能力處于“安全保障”狀態(tài), 與當(dāng)?shù)乇硭Y源較豐富有關(guān)。只有濟南、淄博和泰安地區(qū)的地下水保障能力(C值)處于安全保障線之下, 是因為地下水開采資源量占當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水量比率(B值)較小。在安徽和江蘇的淮河流域, 地下水保障能力處于“安全保障”狀態(tài), 與該區(qū)地表水資源豐富相關(guān)。

5 結(jié)論

(1)農(nóng)業(yè)灌溉是地下水超采的主要因素, 并且表現(xiàn)為地下水位在主灌期呈“厘米”級(大于1.0 cm/d)下降、非灌溉期呈“毫米”級(小于1.0 cm/d)上升的“強降-弱升”規(guī)律。

(2)由灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度(A)和地下水對灌溉農(nóng)業(yè)用水保障程度(B)構(gòu)成的地下水保障能力評價理論方法(簡稱ABC法), 能夠客觀闡明大區(qū)域的灌溉農(nóng)業(yè)用水對地下水依賴狀況、地下水保障能力分布特征及成因。ABC法不僅能反映氣候變化、地表水可利用資源和農(nóng)作物布局結(jié)構(gòu)狀況對灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力影響, 而且, 還能反映評價區(qū)地下水開采資源、非農(nóng)業(yè)用水狀況和耗水型農(nóng)作物播種強度對灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力影響, 方便于大規(guī)模的區(qū)域性應(yīng)用。

(3)ABC法的應(yīng)用結(jié)果表明, 黃淮海平原西北部灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力較弱, 尤其河北平原已處于“難以保障”或“無法保障”狀態(tài); 在黃河以南地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力較強。在黃淮海平原, 自東南至西北, 灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度呈現(xiàn)增高變化特征河北平原的保定—石家莊—邢臺—衡水一帶灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度最高, 河南平原的北部和中東部地區(qū)、山東平原的西北部地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度較高。在安徽淮河流域平原區(qū), 灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度較低。江蘇的淮河流域平原區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)對地下水依賴程度是黃淮海平原最低的地區(qū), 地下水開采量占當(dāng)?shù)乜傆盟勘嚷什蛔?.0%, 農(nóng)業(yè)用水量也僅占48.51%。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. 12120115049701) and National Natural Science Foundation of China (No. 41172214).

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Groundwater Safeguard Capacity and Dependency Degree of Agricultural Irrigation on Groundwater in the Huang–Huai–Hai Plain

TIAN Yan-liang, ZHANG Guang-hui*, WANG Qian, YAN Ming-jiang, WANG Wei, WANG Jin-zhe Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061

Key words:groundwater; agriculture; water for agricultural irrigation; safeguard capacity; the Huang–Huai–Hai Plain

Abstract:Groundwater is an important water source for agricultural irrigation in the main grain production region in North China, especially in the Huang–Huai–Hai Plain. The over-exploitation situation of groundwater is closely related to the dependence degree of irrigation agriculture on groundwater and the water support capacity (such as the safeguard capacity) of groundwater in this region. With the Huang–Huai–Hai plain as an example, the authors studied the relationship between the agricultural irrigation water, the precipitation and the crops planting intensity, the dependence degree of the agricultural irrigation on groundwater and the influence characteristics of the over-exploitation situation of groundwater and, on such a basis, proposed the corresponding concepts and methods for evaluation. The results of the application of the evaluation methodology are as follows:

中圖分類號:P641.76; P641.8

文獻標(biāo)志碼:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.01

收稿日期:2016-03-04; 改回日期: 2016-03-31。責(zé)任編輯: 閆立娟。

第一作者簡介:田言亮, 男, 1985年生。助理研究員。主要從事地下水循環(huán)演化方面的研究。E-mail: yanliang209@163.com。

*通訊作者:張光輝, 男, 1959年生。研究員, 博士生導(dǎo)師。長期從事區(qū)域水循環(huán)演化和地下水可持續(xù)利用研究。E-mail: Huanjing@heinfo.net。