氣候變化下華北平原井灌區(qū)糧食生產(chǎn)地下水保障能力

王電龍，張光輝，馮慧敏，3，田言亮

（1.山西省水利建設(shè)開發(fā)中心，山西 太原　030002；2.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；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷　030801）

氣候變化下華北平原井灌區(qū)糧食生產(chǎn)地下水保障能力

王電龍1，2，張光輝1，馮慧敏1，3，田言亮1

（1.山西省水利建設(shè)開發(fā)中心，山西 太原030002；2.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；3.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，山西 太谷030801）

摘 要：為了揭示華北平原糧食生產(chǎn)地下水保障程度，以石家莊平原井灌區(qū)為典型研究區(qū)，建立了地下水保障程度指標(biāo)體系，利用水量平衡原理、統(tǒng)計(jì)降尺度和概率統(tǒng)計(jì)等研究方法，對該區(qū)未來50年的糧食生產(chǎn)地下水保障程度進(jìn)行了分析評價，結(jié)果表明：①RCP26氣候情景多年平均糧食作物灌溉需水量最高，其次為RCP、RCP45和RCP85；RCP45情景地下水可開采量最高，其次為RCP85、RCP26和RCP。②地下水保障程度對降水量的增減有較強(qiáng)敏感性，降水量每增加100 mm，RCP情景地下水保障程度上升3.6%，RCP26、RCP45和RCP85分別上升4%、4.6%和5.5%。③從RCP到RCP85情景地下水保障程度呈增大趨勢，但增大程度有所不同，RCP26較RCP增大5%、RCP45增大8%、RCP85增大5%。因此，在溫室氣體排放量逐步增大的壓力下，從糧食生產(chǎn)用水安全角度分析，選擇RCP26～RCP45之間的發(fā)展模式較為合適。

關(guān)鍵詞：氣候變化；華北平原；井灌農(nóng)業(yè)區(qū)；保障程度

華北平原是我國重要的糧食生產(chǎn)基地，糧食產(chǎn)量超過5 700萬t。地下水是該區(qū)糧食生產(chǎn)的主要灌溉水源，占該區(qū)地下水總開采量的69.81%［1］，加之近些年來我國干旱氣候頻發(fā)，灌溉用水對地下水開采的需求程度愈加提高。可以說，沒有地下水的可持續(xù)保障，就難有本區(qū)糧食的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。

近50年來，華北平原氣候條件發(fā)生重大改變，區(qū)域年均降水量由608.1 mm（1956—1979年）降低到528.6 mm（1980—2010年），年均氣溫以0.25℃/ 10a的增大速率升高，由于氣候條件改變造成該區(qū)多年平均年地下水資源量（1980—2009年）相對于1959—2009系列下降了14.37%，地表水資源量下降了20.27%［2］。根據(jù)IPCC第5次評估報告（AR5），到21世紀(jì)末，在高排放量情景下全球溫室氣體CO2排放量可達(dá)1 370 ppm［3］，由此可造成全球平均氣溫的持續(xù)升高。隨著氣溫升高，中國西南部地區(qū)平均降水量將有所升高，而其他地區(qū)將有所降低［4］。

氣候變化對地表水和地下水循環(huán)系統(tǒng)都將產(chǎn)生重大影響，一方面降水量的減少或增大將促使地表水或地下水資源量的減少或增大，另一方面氣溫的升高將使作物需水量增大，進(jìn)而引起灌溉水量（地下水開采量）的增大［5-11］。因此，開展氣候變化條件下地下水資源對糧食生產(chǎn)保障程度的研究，對實(shí)現(xiàn)華北平原糧食生產(chǎn)的持續(xù)穩(wěn)定、保障國家糧食安全有重大意義。

筆者選取石家莊平原井灌區(qū)為典型研究區(qū)，采用統(tǒng)計(jì)降尺度、水量平衡原理和概率統(tǒng)計(jì)等一系列研究方法，分析研究現(xiàn)狀氣候條件（RCP）及德國普朗克氣候研究所研發(fā)的大氣環(huán)流模式MPI-ESM-MR 下RCP26、RCP45和RCP85三種氣候情景未來50年（2011—2060年）的糧食生產(chǎn)地下水保障程度，以期為該區(qū)乃至全國糧食生產(chǎn)安全的水資源保障提供一定的理論支持。

1　研究區(qū)概況

石家莊平原位于華北平原中東部、太行山東麓山前沖洪積平原，如圖1所示，主要糧食種植作物為冬小麥和夏玉米，為一年兩季輪作種植，主要灌溉水源為地下水，占農(nóng)業(yè)灌溉總用水量的90%以上［12］，由此造成了當(dāng)?shù)氐叵滤B年大幅超采，地下水位持續(xù)下降，是華北平原農(nóng)業(yè)用水供需矛盾最為尖銳的地區(qū)之一。全區(qū)總面積6 976.4 km2，多年平均年氣溫13.4℃，多年平均年降雨量477 mm，屬于大陸性暖溫帶半濕潤半干旱氣候，2010年有效灌溉面積4 099 km2，糧食總產(chǎn)量388.76萬t，農(nóng)業(yè)地下水開采量11.55億m3。區(qū)內(nèi)主要河流為滹沱河，1919—1978年多年平均年徑流量29.3億m3，20世紀(jì)80年代以來河道長期處于斷流狀態(tài)，上游主要水利工程為崗南和黃壁莊水庫，控制總流域面積的94.8%。研究區(qū)位于滹沱河沖洪積扇群上，包氣帶巖性為裸露砂礫石層，第四系厚度350～500 m，由上到下可劃分為4個含水層組，上部和下部巖性粒度較細(xì)、厚度較小，中部砂層粒度較大、厚度大；水平方向上由西到東含水層厚度由厚變薄，層次由少變多，富水性由弱到強(qiáng)。

圖1　　　　研究區(qū)域

2　研究方法與數(shù)據(jù)

2.1IPCC情景與MPI-ESM-MR模式

在2013年IPCC第5次報告（AR5）中采用了RCPs（Representative Concentration Pathways）氣候變化預(yù)測模式，它綜合評價預(yù)測了2100年以前全球各地的輻射強(qiáng)度，包括4種情景:RCP26氣候模式是指輻射強(qiáng)度最高達(dá)到3.0 W/m2（相對于490 ppm CO2排放量），至2100年降低到2.6 W/m2；RCP45模式是指輻射強(qiáng)度至2100年前不超過4.5 W/m2（相對于650 ppm CO2排放量）；RCP60模式是指輻射強(qiáng)度至2100年前不超過6.0 W/m2（相對于850 ppm CO2排放量）；RCP85模式是指輻射強(qiáng)度一直呈增大趨勢，至2100年增大至8.5 W/m2（相對于1 370 ppm CO2排放量）。

MPI-ESM-MR模型由德國馬克斯普朗克氣象研究所研制，IPCC（AR5）給出了該模型1950—2005年（歷史數(shù)據(jù)）及2006—2100年RCP26、RCP45和RCP85情景的逐日氣象模擬資料，分辨率為1.865°× 1.875°，原始數(shù)據(jù)為NetCDF格式，可用ArcGIS下Multidimention tool工具讀取。

2.2逐日氣象資料的獲取

筆者所用的氣象資料主要為2011—2060年逐日的最高氣溫、最低氣溫和降水量。為了對比現(xiàn)狀氣候條件與模擬氣候情景下地下水保障程度的變化情況，采用中國國家氣候中心研制的NCC/GU-WG （2.0）天氣發(fā)生器軟件，模擬生成現(xiàn)狀條件下石家莊站2011—2060年期間逐日的最高氣溫、最低氣溫和降水量數(shù)據(jù)作為對照（RCP）。由于MPI-ESM-MR模型的輸出數(shù)據(jù)分辨率較低，需要進(jìn)行降尺度處理。筆者采用統(tǒng)計(jì)降尺度軟件SDSM（4.2），對RCP26、RCP45和RCP85氣候情景模式的逐日最高氣溫和逐日最低氣溫進(jìn)行降尺度處理，預(yù)測因子主要為地面2 m溫度場（tas）和海平面氣壓場（psl），統(tǒng)計(jì)模型校核期為1961—1975年，驗(yàn)證期為1976—1990年。圖2（a、b）為統(tǒng)計(jì)降尺度模型生成的1961—1990年期間逐日最高、最低氣溫與同期實(shí)測的逐日最高、最低氣溫相關(guān)關(guān)系圖。由圖2可以看出，實(shí)測逐日氣溫數(shù)據(jù)與降尺度的逐日數(shù)據(jù)之間具有較高的相關(guān)系數(shù)，說明統(tǒng)計(jì)降尺度模型具有較高的可信度，可以用于未來3種情景模式下逐日最高、最低氣溫的預(yù)測分析。

圖2　實(shí)測逐日氣溫數(shù)據(jù)與降尺度數(shù)據(jù)關(guān)系

由于對逐日降水序列進(jìn)行降尺度處理相對復(fù)雜，且運(yùn)用SDSM（4.2）軟件降尺度所得到的數(shù)據(jù)較同期實(shí)測數(shù)據(jù)誤差較大，筆者參考了叢振濤等人［13］的方法，采用如下步驟進(jìn)行降尺度處理:①分別統(tǒng)計(jì)MPI-ESM-MR模型歷史輸出數(shù)據(jù)（1961—2000年）和RCP26、RCP45及RCP85三種情景2011—2060年輸出數(shù)據(jù)1—12月降水量平均值；②對比分析計(jì)算三種情景模式下1—12月降水平均值分別相對于歷史輸出數(shù)據(jù)1—12月平均值的增大程度；③將計(jì)算得到的三種情景模式下1—12月降水量平均值相對于歷史輸出數(shù)據(jù)的增大幅度分別計(jì)算疊加到由NCC/GU-WG（2.0）天氣發(fā)生器模擬生成的石家莊站2011—2060年1—12月逐日降水序列，從而得到石家莊站RCP26、RCP45及RCP85三種情景模式下的逐日降水序列。

文中氣象資料計(jì)算數(shù)據(jù)為石家莊站數(shù)據(jù)，為了驗(yàn)證單站與整個平原區(qū)氣象數(shù)據(jù)的關(guān)系，將1975年以來石家莊單站實(shí)測數(shù)據(jù)與平原區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，氣溫（1975—2010年平均值）石家莊站實(shí)測數(shù)據(jù)為13.73℃，與全區(qū)平均氣溫13.4℃相差不大；降水量石家莊單站實(shí)測數(shù)據(jù)為517 mm，全區(qū)平均降水量為477 mm，下降7.7%；未來氣候情景以石家莊站為基礎(chǔ)站點(diǎn)進(jìn)行降尺度驗(yàn)證校核，氣溫數(shù)據(jù)相差不會太大，降水?dāng)?shù)據(jù)也可能存在0～7.7%的誤差。

2.3未來糧食作物種植結(jié)構(gòu)與灌溉面積變化

研究區(qū)主要糧食種植作物為冬小麥和夏玉米，種植結(jié)構(gòu)為一年兩季輪作種植。從2011年以來該區(qū)冬小麥和夏玉米種植面積來看，其占糧食作物總種植面積的比例維持在86.4%～93.9%，變化不大，加之《全國新增1 000億斤糧食生產(chǎn)能力規(guī)劃》中對我國未來糧食增產(chǎn)量做了明確要求，該區(qū)作為重要的糧食生產(chǎn)區(qū)，筆者認(rèn)為未來50年糧食作物種植結(jié)構(gòu)基本不會發(fā)生太大變化，即在糧食作物需量計(jì)算過程中，以冬小麥和夏玉米輪作種植為代表進(jìn)行計(jì)算；2011年以來，該區(qū)井灌區(qū)面積維持在4 522～4 832 km2，變化幅度不大，且多為基本農(nóng)田，由于全國嚴(yán)守1.2億hm2（18億畝）耕地面積的限制，筆者認(rèn)為未來灌溉面積變化也不大，計(jì)算時以2010年為基準(zhǔn)。

2.4地下水保障程度評價方法與指標(biāo)體系

筆者所述地下水保障程度是指在井灌區(qū)農(nóng)田尺度上多年平均年地下水可開采量所能滿足糧食作物需水量的程度。采用Pgwi指標(biāo)作為評估華北平原井灌糧食主產(chǎn)區(qū)地下水保障能力（程度）的技術(shù)指標(biāo)，其計(jì)算公式為:

式中:Qgr為典型井灌區(qū)農(nóng)田尺度上的地下水可開采資源量（mm）；Iwr為井灌農(nóng)業(yè)區(qū)糧食作物需水量（mm）；α為實(shí)際灌溉水量與計(jì)算灌溉需水量的比值，這里實(shí)際灌溉水量采用DB13/T1161.1-2009發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)灌溉定額。

Pgwi指標(biāo)的評估分級，見表1。

表1　華北平原井灌區(qū)地下水保障能力指標(biāo)評估分級

采用聯(lián)合國國際糧農(nóng)組織（FAO）研發(fā)的基于彭曼-蒙蒂斯（Penman-Monteith）公式的EToCalculatorV32軟件計(jì)算糧食作物需水量，計(jì)算時空氣濕度（%）選用軟件自帶的Tdew=Tmin+2℃計(jì)算，風(fēng)速（m/s）選用軟件自帶的light to moderate wind選項(xiàng)，日照時間和輻射強(qiáng)度（Sunshine and Radiation）選用 Rs= 0.16×SQRT（Tmax-Tmin）×Ra，模式選用內(nèi)陸模式（interior location）。糧食作物灌溉需水量計(jì)算公式為:

式中:Iwr為糧食作物灌溉需水量（mm）；ETo為參照作物需水量（mm）；Kc為作物需水系數(shù)，這里采用劉鈺［8］等的實(shí)測數(shù)據(jù)；Pe為作物生育期內(nèi)有效降水量（mm）。

作物生育期內(nèi)有效降水量與計(jì)算時段有關(guān)。研究表明，以旬為計(jì)算時段，采用如下公式可以滿足計(jì)算精度要求:

式中:P為作物生育期內(nèi)降水量（mm）；E為實(shí)際作物蒸散發(fā)量（mm），采用KcET0。

多年平均年地下水可開采量Qgr采用下述步驟進(jìn)行計(jì)算。首先，計(jì)算研究區(qū)地下水總補(bǔ)給量，其計(jì)算公式為:

式中:∑Qre為地下水總補(bǔ)給量（mm）；Qpre為降水入滲補(bǔ)給量（mm）；Qwre為井灌回歸補(bǔ)給量（mm）；Qfre為渠灌田間滲漏補(bǔ)給量（mm）；Qrre為河道滲漏補(bǔ)給量（mm）；Qlre為側(cè)向流入補(bǔ)給量（mm）；Qlere為越流流入補(bǔ)給量（mm）。

對于典型井灌區(qū)地表水嚴(yán)重枯竭而言［14］，河道滲漏量Qrre可計(jì)為0，渠灌滲漏補(bǔ)給量Qfre亦可計(jì)為0。因此，在典型井灌區(qū)尺度上，地下水總補(bǔ)給量計(jì)算公式變?yōu)?

式中:符號意義均同前。

由包氣帶水量平衡方程式可知，在灌溉季節(jié)降水入滲補(bǔ)給量和井灌回歸補(bǔ)給量可用下式計(jì)算:

式中:P為大氣降水量（mm）；I為實(shí)際灌水量（mm）；Eg為潛水蒸發(fā)量（mm），該區(qū)地下水埋藏較深，該項(xiàng)計(jì)為0；R為地表徑流量（mm），對于典型井灌區(qū)，該項(xiàng)計(jì)為0；E為實(shí)際作物蒸散發(fā)量（mm）；ΔW為土壤水變量（mm）；其他符號意義同上。

式（6）可變?yōu)?

式中:符號意義均同前。當(dāng)P+I-E〉0時，多余水分進(jìn)入土壤，增加土壤含水量，當(dāng)土壤含水量大于田間持水量時形成大氣降水入滲補(bǔ)給；當(dāng)P+I-E〈0時，土壤水分減少，形成蒸散發(fā)，無法形成大氣降水入滲補(bǔ)給。

在非灌溉季節(jié)，降水入滲補(bǔ)給量采用下式計(jì)算:

式中:符號意義均同前。當(dāng)P-E〉0時，多余水分進(jìn)入土壤，當(dāng)土壤含水量大于田間持水量時形成大氣降水入滲補(bǔ)給；當(dāng)P-E〈0時，土壤水分減少部分形成蒸散發(fā)，大氣降水入滲補(bǔ)給計(jì)為0。

將式（7）和（8）帶入式（5）得到:

式中:符號意義均同前。

對于多年平均值土壤含水量（ΔW）基本保持不變，記為0［15］。地下水可開采量用可開采系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)《華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價》［16］，石家莊平原區(qū)可開采系數(shù)為0.98.

式中:Qgr為多年平均年地下水可開采量（mm）；其他符號意義均同前。計(jì)算過程中側(cè)向流入補(bǔ)給量Qlre和越流流入補(bǔ)給量Qlere基本保持不變，采用多年平均實(shí)測值［16］。

3　研究結(jié)果

3.1氣候變化對糧食作物需水量及地下水可開采量的影響

3.1.1對年際變化的影響

利用式（2）和（3）可以計(jì)算得到研究區(qū)2011—2060年糧食作物灌溉需水量。從多年平均水平來看，RCP26氣候情景需水量最高為727 mm，RCP和RCP45需水量基本一致、分別為715和712 mm，RCP85最低為702 mm。為了定量評價氣候變化對年需水量的影響，以需水量大于750 mm為高強(qiáng)度灌溉需水量，以700～750 mm為中強(qiáng)度灌溉需水量，以小于700 mm為低強(qiáng)度灌溉需水量。在現(xiàn)狀氣候條件下，2011—2060年，低強(qiáng)度灌溉需水量年份占42%，中強(qiáng)度占34%，高強(qiáng)度占24%；RCP26氣候情境下，低強(qiáng)度和中強(qiáng)度需水量年份較現(xiàn)狀氣候條件下所占比例有所減小、均為32%，高強(qiáng)度需水量比例增大為36%；RCP45氣候情境下，低強(qiáng)度需水量年份占42%，中強(qiáng)度占34%，高強(qiáng)度占24%，與現(xiàn)狀氣候條件下相同；RCP85氣候情境下，低強(qiáng)度需水量年份所占比例較現(xiàn)狀氣候條件下增大8%，中強(qiáng)度下降6%，高強(qiáng)度下降2%。

利用式（4）—（10）可計(jì)算得到研究區(qū)2011— 2060年系列多年平均年地下水可開采量。現(xiàn)狀氣候條件RCP下，地下水可開采量為207.2 mm（《華北平原地下水可持續(xù)利用調(diào)查評價》中石家莊平原區(qū)可開采量為186.7 mm，其利用數(shù)值模型法計(jì)算得到，誤差率為11%，這與降水量點(diǎn)面關(guān)系引起的誤差有很大關(guān)系。因此，在地下水保障程度計(jì)算過程中，將可采量修正到186.7 mm，其余氣候情景按同比例修正），RCP26較現(xiàn)狀氣候條件增加4 mm、RCP45增加9 mm、RCP85增加7 mm。

3.1.2對年內(nèi)變化的影響

利用式（2）和（3）計(jì)算RCP、RCP26、RCP45和RCP85四種氣候情景下以月為計(jì)算單元的多年平均（50%）年灌溉需水量，利用式（4）—（10）計(jì)算以月為計(jì)算單元的多年平均年地下水可開采量，如圖3 （a—d）所示。

圖3　不同氣候情景下糧食作物需水量及地下水可開采量年內(nèi)變化趨勢

在糧食作物灌溉需水量方面，四種氣候情景下的年內(nèi)需水量變化趨勢基本相同，1—4月呈連續(xù)大幅上漲趨勢，4月達(dá)到峰值，從氣候變化角度分析，RCP26、RCP45和RCP85三種氣候情景的峰值較現(xiàn)狀RCP均有不同程度縮小，減小幅度分別為5、10 和15 mm；5—8月一直呈下降趨勢，9月小幅上漲后，10—12月連續(xù)下降。4—6月是主要灌溉需水月份，也是井灌區(qū)需要開采灌溉的主要月份，四種氣候情景占全年需水量的比例分別是61%、63%、63%和61%。

從圖3可以看出，年內(nèi)地下水可開采量演變大體上可分為地下水緩慢累積、持續(xù)超采和逐步恢復(fù)3個階段。

1—3月為地下水緩慢累積階段。此階段糧食作物需水量較小，降水量基本上能滿足作物生長需求，不需要進(jìn)行開采灌溉，因此地下水得以不斷累積增加，但補(bǔ)給量較小。從氣候變化分析，現(xiàn)狀氣候條件下1—3月地下水開采量占全年的比例為5.2%，RCP26、RCP45和RCP85三種氣候情景較現(xiàn)狀比例分別增大1%、5.7%和6.9%。

4—6月為地下水持續(xù)超采階段。此階段作物需水量大幅增加，四種氣候情景較1—3月分別增加543%、578%、573%和574%，但是降水量仍然較小，較1—3月分別增加427%、356%、183%和193%，遠(yuǎn)不能滿足作物的生長需求，需要大幅開采地下水進(jìn)行灌溉，灌溉需水量分別是1—3月的6.9、7.0、7.5 和7.5倍，至6月超采量達(dá)到峰值，按當(dāng)?shù)毓喔戎贫龋?、5、6月各灌溉1次，灌溉水量按定額750 m3/hm2進(jìn)行計(jì)算，四種氣候情景的地下水超采峰值分別達(dá)172、175.3、161.7和153.4 mm。

7—12月是地下水逐步恢復(fù)階段。其中，7、8月是研究區(qū)雨季，降水量除能滿足作物生長需求外，可產(chǎn)生大量降水補(bǔ)入滲給，是產(chǎn)生地下水資源補(bǔ)給的主要月份，決定了全年的地下水資源恢復(fù)程度。從氣候變化分析，在現(xiàn)狀氣候條件（RCP）下，7、8月產(chǎn)生的地下水可開采量占全年比例為56%，RCP26、RCP45和RCP85占全年地下水可開采量的比例較現(xiàn)狀氣候條件RCP有不同幅度的縮小，分別為52%、38%和36%，至12月底，四種氣候情景超采量分別為113.3、109、103.6和106.3 mm，即在現(xiàn)狀氣候條件下增加113.3 mm補(bǔ)給量、RCP26條件下增加109 mm補(bǔ)給量、RCP45條件下增加103.6 mm補(bǔ)給量、RCP85條件下增加106.3 mm補(bǔ)給量可實(shí)現(xiàn)年內(nèi)采補(bǔ)平衡。

3.2氣候變化對地下水保障程度的影響

采用式（1）—（10）計(jì)算得到RCP、RCP26、RCP45 和RCP85四種氣候情景下糧食生產(chǎn)地下水保障程度2011—2060年系列。從多年平均水平來看，在RCP下保障水平為59.88%，在RCP26下為63%，在RCP45下為64.8%，在RCP85下為63.3%。

3.2.1對降水變化的敏感程度

以年降水量為橫坐標(biāo)、年地下水保障程度為縱坐標(biāo)，建立相關(guān)關(guān)系，如圖4所示?？梢钥闯觯Z食生產(chǎn)地下水保障程度與降水量之間存在較強(qiáng)相關(guān)關(guān)系。在RCP下，降水量每增加100 mm，地下水保障程度上升3.6%；RCP26、RCP45和RCP85三種情景對降水量變化的敏感程度均高于現(xiàn)狀條件，降水量每增加100 mm，地下水保障程度分別上升4%、4.6%和5.5%。

圖4　不同氣候情景下降水量對地下水保障程度的影響

3.2.2保障程度概率水平

精確評估氣候變化條件下華北平原井灌區(qū)未來（2011—2060年）糧食生產(chǎn)地下水保障程度發(fā)生概率有多大，具有重要的實(shí)際意義。為了估計(jì)地下水保障程度Pgwi的分布形態(tài)，利用NCC/GU-WG（2.0）天氣發(fā)生器生成10組現(xiàn)狀氣候條件下2011—2060年逐日最高氣溫、最低氣溫和降水量，利用SDSM4.2生成10組RCP26、RCP45、RCP85三種氣候情景逐日最高和最低氣溫，利用2.2節(jié)所述逐日降水量生成辦法生成10組RCP26、RCP45、RCP85三種氣候情景下逐日降水量，利用式（1）—（10）可計(jì)算得到10組2011—2060年RCP、RCP26、RCP45、RCP85四種氣候情景下井灌農(nóng)業(yè)區(qū)的地下水保障程度，最后運(yùn)用MATLAB（R2014a）的Distribution fitting工具對地下水保障程度Pgwi進(jìn)行變量分布估計(jì)，估判四種氣候情景下的地下水保障程度Pgwi基本符合對數(shù)正態(tài)分布，參數(shù)見表2，最后通過χ2擬合優(yōu)度檢驗(yàn)，得到RCP、RCP26、RCP45、RCP85四種氣候情景下井灌農(nóng)業(yè)區(qū)地下水保障程度Pgwi在0.05顯著水平上均符合對數(shù)正態(tài)分布（如圖5所示）。

表2　地下水保障程度概率密度曲線參數(shù)

圖5　不同氣候情景下地下水保障程度累積概率曲線

圖5為現(xiàn)狀氣候條件RCP、RCP26、RCP45和RCP85四種氣候情景糧食生產(chǎn)地下水保障程度累積概率曲線CDF。從圖5可以看出，從RCP到RCP85，累積概率曲線發(fā)生向右偏移，說明低保障水平的概率呈減小趨勢，高保障水平概率則呈增大趨勢。從評價指標(biāo)來看，RCP情景低保障水平概率達(dá)0.172 2（約5年一遇），即未來50年中約有7年處于低保障水平，至少需超采153 mm（用地下水可開采量除以保障程度再減去地下水可開采量得到）的地下水維持糧食作物灌溉，RCP26、RCP45和RCP85三種氣候情景較RCP情景均有所減小，分別提高到16年一遇、25年一遇和13年一遇；RCP情景下中保障水平概率約為1.2年一遇，即未來50年約有41年處于中保障水平，每年需超采62～153 mm地下水維持灌溉，RCP26、RCP45和RCP85三種氣候情景較現(xiàn)狀條件均有所增大，分別為46、45和44年；現(xiàn)狀氣候條件下發(fā)生高保障水平的概率極小，高達(dá)250年一遇，即基本上每年都需要超采地下水進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，這也是近50年來研究區(qū)地下水位連年持續(xù)下降的重要原因，只有遇到如1996年流域超過百年一遇特大洪水，地下水年蓄變量才能轉(zhuǎn)為正平衡，地下水位止降回升［17］，RCP26、RCP45和RCP85三種氣候情景下的概率水平較現(xiàn)狀條件均有所增大，分別為50、20 和30年一遇。

從以上分析可以大致計(jì)算出未來50年中，在RCP條件下平均每年約需超采地下水125 mm維持糧食作物灌溉需求；在RCP26下需超采地下水112 mm，較RCP下降10.4%；在RCP45下需超采地下水107 mm，較RCP下降14.4%；在RCP85下需超采地下水112 mm，較RCP下降10.4%。從以上計(jì)算減小程度及圖5累積概率曲線較RCP條件偏移距離可以看出，從RCP到RCP45井灌區(qū)糧食作物開采量減小幅度較大，而到RCP85情景又有增大趨勢。因此，從保障糧食生產(chǎn)用水安全及減小地下水超采量角度分析，在溫室氣體排放濃度逐步增大的壓力下，選擇RCP26—RCP45之間的發(fā)展模式較為合適。井灌農(nóng)業(yè)區(qū)地下水保障程度概率水平，見表3。

表3　井灌農(nóng)業(yè)區(qū)地下水保障程度概率水平

4　結(jié)論

以石家莊平原井灌農(nóng)業(yè)區(qū)為典型區(qū)，利用水量平衡原理、統(tǒng)計(jì)降尺度和概率統(tǒng)計(jì)等研究方法，分析計(jì)算了現(xiàn)狀氣候條件RCP、RCP26、RCP45和RCP85四種氣候情景下糧食作物需水量及地下水可開采量，并建立了糧食生產(chǎn)地下水保障程度指標(biāo)體系，對該區(qū)未來50年（2011—2060年）的糧食生產(chǎn)地下水保障程度進(jìn)行了分析評價，主要得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:①從多年平均水平來看，RCP26氣候情景下糧食作物灌溉需水量最高，其次為RCP、RCP45和RCP85；RCP45情景地下水可開采量最高，其次為RCP85、RCP26和RCP。②根據(jù)年內(nèi)地下水可開采量演變過程，將1—3月劃分為地下水緩慢累積階段、4—6月劃分為持續(xù)超采階段、7—12月劃分為逐步恢復(fù)階段。③糧食生產(chǎn)地下水保障程度對降水量有較強(qiáng)敏感性，降水量每上升100 mm，在現(xiàn)狀氣候條件下地下水保障程度上升3.6%，RCP26、RCP45和RCP85分別上升4%、4.6%和5.5%。④從RCP到RCP85地下水保障程度呈增大趨勢，但增大程度有所不同，RCP26較RCP增大5%、較RCP45增大8%、較RCP85增大5%，因此從糧食生產(chǎn)用水安全角度分析，在溫室氣體排放量逐步增大的壓力下，選擇RCP26—RCP45之間的發(fā)展模式較為合適。

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中圖分類號：TV213.9；P641.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-7328（2016）02-0034-08

DOI:10.3969/j.issn.1004-7328.2016.02.014

收稿日期：2016—01—18

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41172214）；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)科技創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（201306）

作者簡介：王電龍（1981—），男，博士研究生，主要從事農(nóng)田水利與水資源合理利用方面的研究工作。

Grain Production Groundwater Ensuring Extent of North China Plain Well Irrigation Area in Climate Change Scenarios

WANG Dian-long1，2，ZHANG Guang-hui1，F(xiàn)ENG Hui-min1，3，TIAN Yan-liang1
（1.Shanxi Water Conservancy Construction&Development Center，Taiyuan 030002，China；2.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang 050061，China；3.Forestry College of Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China）

Abstract：In order to reveal grain production groundwater ensuring extent of north china plain，take Shijiazhuang plain well irrigation area as typical region，build index system of groundwater ensuring extent，studied ensuring extent in four scenarios of RCP，RCP26，RCP45 and RCP85 in 2011-2060，through the methods of SDSM，water balance principle and proablity statistics.The results indicate that:①The RCP26 climate scenarios irrigation water demand is highest，followed by RCP，RCP45 and RCP85；the RCP45 scenario groundwater resource is the highest，followed by RCP85，RCP26 and RCP.②groundwater ensuring extent is sensitive to precipitation，a rise of 100mm of precipition，the ensuring extent increase 3.6%，4%，4.6%and 5.5%respectively in RCP、RCP26 RCP45 and RCP85 scenarios.③The groundwater ensuring extent has a increasing tendency from RCP to RCP85 scenarios，but the incease range is different，RCP26，RCP45 and RCP85 is the increase of RCP 5%，8%，5%respectively.Therefore，from grain production water safety analysis，under the pressure of greenhouse gases emission increasing，choice of development model of RCP26～RCP45 is appropriate.

Key words：climate change；north china plain；well irrigation area；ensuring extent