引黃灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化影響因素及種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析
——人民勝利渠灌區(qū)為例

Magzum Nurolla，張　彥，張嘉星，齊學(xué)斌

(中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高，農(nóng)業(yè)水資源供需矛盾凸顯，特別是在典型的引黃灌區(qū)[1,2]。為了保障典型灌區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，避免灌區(qū)出現(xiàn)地下水下降漏斗以及地下水環(huán)境惡化等問(wèn)題，近年來(lái)有關(guān)學(xué)者對(duì)灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化影響因素方面開(kāi)展了一定的研究。郝芳華等[3]、Zhou等[4]通過(guò)農(nóng)田灌溉水下滲試驗(yàn)分別對(duì)河套灌區(qū)和青海典型灌區(qū)地下水在不同灌期等情況下的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行了探討；張暉[5]對(duì)昌馬灌區(qū)進(jìn)行分區(qū)并分析了各區(qū)地下水動(dòng)態(tài)類型；張琳等[6]、張斌等[7]分析了灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)特征并利用GM(1,1)模型預(yù)測(cè)了水位埋深；李曉芳等[8]和張葉等[9]、王通等[1]分別采用水均衡法和灰色關(guān)聯(lián)分析法研究了瑪納斯河流域典型灌區(qū)和邢家渡灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化特征及驅(qū)動(dòng)因素對(duì)地下水的影響；徐存東等[10]分析了灌區(qū)地下水時(shí)空變化規(guī)律并探索了干旱揚(yáng)黃灌區(qū)不同地下水運(yùn)動(dòng)帶的地下水動(dòng)態(tài)特性；冷中笑等[11]、張霞等[12]分別建立了基于小波變換和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地下水埋深動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和基于支持向量機(jī)和改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)方法；杜偉等[13]運(yùn)用了統(tǒng)計(jì)水文學(xué)方法分析了近30 年灌區(qū)變化環(huán)境因素及地下水開(kāi)采量的變化趨勢(shì)；楊路華等[14]根據(jù)內(nèi)蒙古河套灌區(qū)實(shí)際情況提出了地下水插花開(kāi)采形式并分析了引黃水量、地下水開(kāi)采量及地下水位的關(guān)系；王建瑩等[15]、譚秀翠等[16]結(jié)合等水位線圖法、ArcGIS和RS技術(shù)分別分析了涇惠渠灌區(qū)和石津灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)時(shí)空變化規(guī)律。雖然以上研究在灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化方面做了一定的工作，但在分析灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化的基礎(chǔ)上對(duì)灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析方面涉及較少，本文以人民勝利渠灌區(qū)為研究對(duì)象，結(jié)合ArcGIS和Matlab軟件分析了灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律并對(duì)地下水埋深與降雨量、引黃水量和井灌水量的關(guān)系進(jìn)行了定量研究，同時(shí)通過(guò)建立灌區(qū)優(yōu)化模型分析了灌區(qū)各分區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整后對(duì)引黃水量和井灌水量的需求，為人民勝利渠灌區(qū)今后的發(fā)展提供了一定的依據(jù)。

1　研究區(qū)域、數(shù)據(jù)來(lái)源及模型建立

1.1　研究區(qū)概況

人民勝利渠灌區(qū)位于河南省黃河北岸，包含了7縣1市郊，位于東經(jīng)113°31′～114°25′，北緯30°00′～35°30′。灌區(qū)長(zhǎng)約100 km，寬5～25 km，總土地面積為1 486.84 km2，目前灌區(qū)有效灌溉面積已達(dá)到5.65 萬(wàn)hm2[17,18]。人民勝利渠灌區(qū)屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候，降雨量年內(nèi)分布不均，且年際變化較大，多年平均降雨量600 mm左右[19]。人民勝利渠灌區(qū)是自西南向東北傾斜的一個(gè)條形地帶，灌區(qū)地勢(shì)較平坦，平均坡降約1/4 000，灌區(qū)地下水流向則與地面坡向相同，都是西南方向到東北方向[20]。

根據(jù)灌區(qū)觀測(cè)井點(diǎn)、地貌類型及灌區(qū)地下水的埋深現(xiàn)狀，將灌區(qū)劃分為6個(gè)區(qū)(圖1)；1區(qū)為灌區(qū)上游，地貌類型為黃河灘地且地勢(shì)較高，灌溉方式主要是渠灌；灌區(qū)中游屬于井渠結(jié)合地區(qū)，上段地勢(shì)較高，下段地勢(shì)平緩，中游2區(qū)和中游4區(qū)主要是古黃河背河洼地，中游3區(qū)和中游5區(qū)主要是古黃河灘地；下游6區(qū)是古黃河灘地，采用井渠結(jié)合的灌溉方式，以井灌為主，渠水補(bǔ)源。古黃河灘地地勢(shì)較高，地面、地下水徑流條件較好；古黃河背河地區(qū)地勢(shì)低平，地面高程較古黃漫灘區(qū)低3～4 m，徑流條件較差[21,22]。

圖1　人民勝利渠灌區(qū)計(jì)算單元分區(qū)Fig.1 People's victory canal irrigation district calculation unit partition

1.2　數(shù)據(jù)來(lái)源

1952-2013年人民勝利渠灌區(qū)228個(gè)觀測(cè)井的平均地下水埋深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，1952-2013年封丘、朱付村、官山、輝縣、汲縣、獲嘉、合河、大賓和大車集9個(gè)雨量站的平均降雨量資料，2006-2013年人民勝利渠灌區(qū)的引黃水量，2008-2013年人民勝利渠灌區(qū)的井灌水量；其中地下水埋深、引黃水量和井灌水量數(shù)據(jù)資料由河南省人民勝利渠管理局提供，9個(gè)雨量站降雨量資料由新鄉(xiāng)市水文水資源勘測(cè)局提供。

1.3　優(yōu)化模型的建立

(1)目標(biāo)函數(shù)。

(1)

式中：Z為灌區(qū)總的經(jīng)濟(jì)效益，元；i為灌區(qū)子區(qū)域；j為作物種類，其中j=1時(shí)為小麥和玉米，j=2時(shí)為水稻；Aij為各區(qū)的作物種植面積，m2；yj和Pj分別為作物的單產(chǎn)和單價(jià)，kg/m2和元/kg；C1為引黃灌溉單價(jià)，元/m3；C2為抽取地下水單價(jià)，元/m3；Qqti為t時(shí)段子區(qū)域i的引黃水量，m3；Qgti為t時(shí)段子區(qū)域i的地下水抽取量，m3。

(2)約束條件。

灌溉需水量約束：

(2)

總渠水約束：

(3)

地下水資源約束：

(4)

種植面積約束：

(5)

變量非負(fù)約束：

Aij>0,Qqti>0,Qgti>0

(6)

式中：ntj為t時(shí)段內(nèi)第j種作物的灌水定額，m3/m2；Pti為t時(shí)段子區(qū)域i的降雨量，m3；Qq為總的引黃水量，m3；μi為子區(qū)域i的給水度；si為子區(qū)域i的控制面積，m2；hti為t時(shí)段內(nèi)第i子區(qū)域的地下水埋深的增加值，m。根據(jù)河南省人民勝利渠灌區(qū)節(jié)水改造研究成果報(bào)告，灌溉水利用效率α1為0.55，降雨有效利用系數(shù)α2為0.1，渠灌田間入滲補(bǔ)給系數(shù)β1為0.35，井灌回歸系數(shù)β2為0.1，降雨入滲補(bǔ)給系數(shù)β3為0.18。

2　結(jié)果與分析

2.1　灌區(qū)地下水時(shí)空動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

根據(jù)1952-2013年人民勝利渠灌區(qū)平均地下水埋深監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(圖2)可知，整體上地下水埋深呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)，且近年來(lái)地下水埋深增加顯著；從2004年到2013年10年間灌區(qū)的地下水埋深增加了近2 m，2013年達(dá)到了7.22 m。因此灌區(qū)如果持續(xù)過(guò)度的開(kāi)采地下水，地下水位持續(xù)下降引起灌區(qū)大范圍地下水降落漏斗，灌區(qū)的生態(tài)環(huán)境將會(huì)進(jìn)一步惡化。根據(jù)灌區(qū)2012年各分區(qū)平均地下水埋深A(yù)rcGIS圖(圖3)可知，整體上灌區(qū)地下水埋深從西到東逐漸增加，各分區(qū)地下水埋深差異性較大，中游3區(qū)和下游6區(qū)地下水埋深較大，中游3區(qū)已經(jīng)形成了地下水下降漏斗；而上游1區(qū)和中游2區(qū)部分地區(qū)地下水埋深相對(duì)較小。

圖2　灌區(qū)平均地下水埋深變化趨勢(shì)圖Fig.2 Variation of groundwater depth in irrigation district

圖3　2012年灌區(qū)地下水埋深分布圖Fig.3 Distribution of groundwater depth in irrigation district in 2012

中游3區(qū)地下水埋深與時(shí)間變化關(guān)系為y=0.223x-437.2，中游3區(qū)的線性傾斜率為0.223 m/a(圖4)；而下游6區(qū)的線性傾斜率最大為0.358 m/a，說(shuō)明下游6區(qū)的地下水埋深變化最大。根據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年灌區(qū)各區(qū)的平均地下水埋深(圖5)可知，在6個(gè)區(qū)域中地下水埋深最大的是中游3區(qū)和下游6區(qū)。另外根據(jù)ArcGIS的分區(qū)統(tǒng)計(jì)功能計(jì)算各個(gè)區(qū)從2007-2013年的地下水平均埋深(圖6)，中游2～5區(qū)和下游6區(qū)的地下水埋深呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，而上游1區(qū)變化不顯著；同時(shí)中游3區(qū)已經(jīng)形成了嚴(yán)重的地下水漏斗，近年來(lái)該區(qū)域地下水埋深快速的增加，說(shuō)明其地下水開(kāi)采程度較高且外來(lái)的地下水補(bǔ)給不夠，因此該區(qū)域地下水資源匱乏將導(dǎo)致地下水環(huán)境問(wèn)題以及影響地下水系統(tǒng)的生態(tài)平衡，削弱地下水系統(tǒng)的自凈能力，使地下水的污染問(wèn)題更加突出[23]。

圖4　灌區(qū)3區(qū)地下水埋深隨時(shí)間變化圖Fig.4 Variation of groundwater depth in irrigation area 3

圖5　2013年灌區(qū)各區(qū)地下水埋深平均值Fig.5 Average groundwater depth of each district in 2013

圖6　人民勝利渠灌區(qū)地下水埋深時(shí)空變化圖Fig.6 Temporal and spatial variation of groundwater depth in people's victory canal irrigation district

2.2　灌區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化影響因子分析

根據(jù)灌區(qū)從1952-2013年62年的雨量站的平均降雨資料可知，灌區(qū)多年平均降雨量為574.53 mm，灌區(qū)60多年來(lái)降雨量整體呈下降趨勢(shì)(圖7)。地下水埋深與降雨量的關(guān)系式為y=-0.002 2x+4.645 1，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，地下水埋深隨著降雨量的增大而減小，其線性傾向率為-0.002 2 m/mm(圖8)；分析可知灌區(qū)降雨量序列下降趨勢(shì)較為顯著，因此降雨量的減少也是灌區(qū)平均地下水埋深增大的原因之一。

地下水埋深與引黃水量有顯著相關(guān)關(guān)系，顯著性水平為0.028 7，可知引黃水量的多少及其空間配置直接影響了灌區(qū)各區(qū)的地下水埋深；灌區(qū)多年平均引黃水量為4.57 億m3，2000年以后引黃水量明顯減少，平均為2.57 億m3，減少了43.7%；根據(jù)2006-2013年引黃水量與地下水埋深關(guān)系(圖9)可知，近年來(lái)引黃水量下降趨勢(shì)明顯，而農(nóng)業(yè)需水量變化不大，故灌區(qū)部分地區(qū)地下水的開(kāi)采量更大；地下水埋深與引黃水量的關(guān)系式為y=-0.4x+7.810 1，二者呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著引黃水量的減少，地下水埋深也隨著增大，其線性傾向率為-0.4 m/億m3。灌區(qū)地表水灌溉入滲是地下水補(bǔ)給的主要來(lái)源之一[24]，隨著灌區(qū)地表灌溉引水量的減少，地下水補(bǔ)給量也隨之減少，進(jìn)而導(dǎo)致灌區(qū)地下水位的下降。地下水埋深與井灌水量的關(guān)系式為y=2.305x+0.716，二者呈正相關(guān)關(guān)系，隨著井灌水量的增大，地下水埋深也隨著增大，其線性傾向率為2.305 m/億m3(圖10)；隨著灌區(qū)井灌水量的增加，灌區(qū)地下水位的下降的幅度越高。

圖7　降雨量與年份關(guān)系圖Fig.7 Relationship between rainfall and year

圖8　地下水埋深與降雨量關(guān)系圖Fig.8 Relationship between groundwater depth and rainfall

圖9　地下水埋深與引黃水量關(guān)系圖Fig.9 Relationship between groundwater depth and Yellow River water

圖10　井灌水量與地下水埋深關(guān)系圖Fig.10 Relationship between groundwater depth and well irrigation water

2.3　灌區(qū)優(yōu)化模型結(jié)果分析

根據(jù)建立的優(yōu)化模型，運(yùn)用Matlab線性規(guī)劃法和模式搜索法分別求出每月每個(gè)區(qū)的最優(yōu)的引黃水量、井灌水量和各個(gè)區(qū)的旱作物和水稻的種植面積。對(duì)用兩種算法求出的各個(gè)區(qū)每個(gè)月的引黃水量及井灌水量做了統(tǒng)計(jì)，從圖11和圖12可以看出兩種算法求出的結(jié)果基本一致。本文采用線性規(guī)劃優(yōu)化算法對(duì)水資源和作物種植結(jié)構(gòu)的優(yōu)化配置，結(jié)果表明優(yōu)化模型可以使有限的引黃水量和井灌水量產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益，并同時(shí)保持灌區(qū)地下水系統(tǒng)的平衡，改善灌區(qū)地下水漏斗現(xiàn)狀和地下水位嚴(yán)重下降的趨勢(shì)。

圖11　兩種方法引黃水量的比較Fig.11 Yellow river water comparison of two methods

圖12　兩種方法井灌水量的比較Fig.12 Groundwater comparison of two methods

用優(yōu)化算法對(duì)作物的種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整分析，結(jié)果如表1所示。

人民勝利渠灌區(qū)主要種植作物為水稻、小麥和玉米，其中水稻耗水量要大于小麥和玉米耗水量。為了優(yōu)化灌區(qū)各分區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的減少水量消耗，通過(guò)優(yōu)化模型得到灌區(qū)各分區(qū)種植結(jié)構(gòu)及灌水量?jī)?yōu)化結(jié)果，可知上游1區(qū)的地下水開(kāi)發(fā)潛力最大，可以增加小麥及玉米的種植面積18 065.89 萬(wàn)m2，削減水稻的種植面積14 160.18 萬(wàn)m2，需引黃水量和井灌水量分別為3 449.87和1 983.72 萬(wàn)m3；中游2區(qū)、中游4區(qū)和中游5區(qū)尚有開(kāi)發(fā)潛力，可分別增加種植面積為4 793.77、12 139.27、8 711.97 萬(wàn)m2，需引黃水量分別為2 373.27、3 754.32和5 866.85 萬(wàn)m3，井灌水量分別為1 235.09、1 948.78和3 035.2 萬(wàn)m3；中游3區(qū)需削減種植面積477.84 萬(wàn)m2，削減水稻種植面積101.95 萬(wàn)m2，需引黃水量和井灌水量分別為2 163.76和1 246.48 萬(wàn)m3；下游6區(qū)需削減種植面積569.56 萬(wàn)m2，需引黃水量和井灌水量分別為4 336.32和2 300.4 萬(wàn)m3。總體上，為有效利用灌區(qū)水資源，灌區(qū)要減少耗水量較大的作物，增加耗水量較小的作物，即減少水稻的種植面積，增加小麥玉米的種植面積。

表1　灌區(qū)各分區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)及灌水量?jī)?yōu)化結(jié)果Tab.1 The result of optimizing between crop planting structure and irrigation water amount in each irrigation district

3　結(jié)　論

(1)人民勝利渠灌區(qū)平均地下水埋深整體呈先減小后增加的趨勢(shì)且近年來(lái)地下水埋深增加的速度越來(lái)越快，2013年達(dá)到了7.22 m；中游3區(qū)和下游6區(qū)地下水超采嚴(yán)重且中游3區(qū)已經(jīng)形成了地下水下降漏斗。

(2)灌區(qū)地下水埋深與降雨量、引黃水量和井灌水量有顯著的相關(guān)關(guān)系，地下水埋深隨著降雨量和引黃水量的增大而減小，說(shuō)明二者對(duì)地下水水位下降有一定的緩解作用；地下水埋深隨著井灌水量的增大而增大，說(shuō)明井灌水量的增大進(jìn)一步加強(qiáng)了地下水水位的下降。

(3)建立的灌區(qū)優(yōu)化模型對(duì)水資源和作物種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化配置，確定了各分區(qū)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整的具體方案，減少了井灌水量，為緩解灌區(qū)地下水水位下降提供了技術(shù)支撐。

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