西北灌區(qū)地下水資源開發(fā)利用研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢

魏曉妹，降亞楠

(西北農(nóng)林科技大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 陜西 楊凌 712100)

我國西北地區(qū)指新疆、青海、甘肅、寧夏、陜西和內(nèi)蒙古六省、自治區(qū)范圍內(nèi)的黃河流域、內(nèi)陸干旱區(qū)和干旱草原區(qū)[1]，總面積為345萬km2，占全國國土面積的35.9%。該區(qū)深居內(nèi)陸腹地，氣候干旱，降水稀少，生態(tài)環(huán)境脆弱，大部分地區(qū)屬于干旱、半干旱地區(qū)，天然降水不能滿足農(nóng)作物生長的正常需水要求，因此，農(nóng)業(yè)的發(fā)展對灌溉有很強(qiáng)的依耐性[2]。

西北地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展歷史悠久，早在戰(zhàn)國時(shí)期，鄭國渠的修建成為渭河流域最早的農(nóng)田灌溉供水工程，后來又先后興建了許多大型灌區(qū)，如甘肅河西走廊的石羊河、黑河及新疆塔里盆地的內(nèi)陸河灌區(qū)，陜西關(guān)中平原的寶雞峽灌區(qū)、涇惠渠灌區(qū)，銀川平原的引黃灌區(qū)及內(nèi)蒙河套灌區(qū)等，這些灌區(qū)已成為西北地區(qū)重要的糧棉油生產(chǎn)基地和生態(tài)環(huán)境屏障。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)[3-4]，該區(qū)有大型灌區(qū)97處，約占全國的21.3%，灌溉面積達(dá)1 097萬hm2，糧食總產(chǎn)量4 759萬t。西北大型灌區(qū)的運(yùn)行與發(fā)展，為保障我國糧食安全、維護(hù)區(qū)域良好生態(tài)環(huán)境及促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展起到了極其重要的支撐作用。

地下水是西北地區(qū)水資源的重要組成部分，相對于地表水而言，地下水資源分布廣泛，可就地利用，其不僅是地表水灌溉的重要補(bǔ)充水源，同時(shí)還是生態(tài)環(huán)境控制因子，地下水的開發(fā)利用為西北地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了重要的水源，也在保障糧食安全和生態(tài)環(huán)境安全等方面發(fā)揮了重要的作用。然而，近幾十年來，受變化環(huán)境的影響，西北大型灌區(qū)面臨著水資源供需矛盾突出，灌溉保證率偏低，渠井用水比例失調(diào)，地下水調(diào)蓄能力削弱，內(nèi)陸河下游灌區(qū)地下水嚴(yán)重超采，生態(tài)環(huán)境惡化等問題，嚴(yán)重影響著灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。為此，許多國內(nèi)外學(xué)者及專家圍繞這些問題開展了大量卓有成效的研究工作，也取得了許多可喜的研究成果。在變化環(huán)境的大背景下，梳理、歸納、總結(jié)灌區(qū)相關(guān)主要研究工作及其進(jìn)展，展望未來發(fā)展趨勢，對西北灌區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)意義。

1 地下水開發(fā)利用與西北灌區(qū)的可持續(xù)發(fā)展

在氣候變化和人類活動加劇的大背景下，深入認(rèn)識灌區(qū)地下水的特征及功能，重新審視合理開發(fā)利用地下水資源對西北灌區(qū)高效安全用水及可持續(xù)發(fā)展的支撐作用也顯得十分必要。

1.1 西北灌區(qū)地下水的特征及功能

1.1.1 灌區(qū)地下水的特征

西北大型灌區(qū)一般位于平原區(qū)或盆地區(qū)，如關(guān)中平原、寧夏平原、河西走廊及塔里木盆地等，這些區(qū)域堆積著大量巨厚的松散物質(zhì)，地表徑流相對集中，為地下水補(bǔ)給及儲存創(chuàng)造了有利條件，西北地區(qū)地下水資源量占全國的13.0%，而且主要分布在平原及盆地[5]。歸納已有研究成果[6-9]，認(rèn)為西北灌區(qū)地下水的主要特征有：

(1)分布廣泛性。地表水的分布一般局限于有限的水文網(wǎng)范圍，而地下水的分布雖然受自然地理和水文地質(zhì)條件的制約，有一定的時(shí)空變異性，但相比地表水而言，其地域分布比較廣泛，是一種分布在“面”上的水資源，可分散開采和就地利用。

(2)可恢復(fù)性。受氣候變化、灌溉及開采等因素的影響，灌區(qū)地下水動態(tài)在不斷發(fā)生變化。從年內(nèi)看，夏灌期主要為開采期，消耗地下水，冬灌和春灌期地下水得到補(bǔ)給；年際之間，枯水年份地下水消耗往往大于補(bǔ)給，而豐水年份的降水及渠水的入滲補(bǔ)給不僅可以滿足當(dāng)年消耗的需要，而且還可彌補(bǔ)枯水年份虧缺的水量。因此，灌區(qū)地下水是可以得到不斷補(bǔ)充和更新的資源，具有可恢復(fù)性。

(3)水量、水質(zhì)的穩(wěn)定性。地下水與地表水相比，由于其埋藏于地下，受氣侯變化和人為活動的影響較小，水質(zhì)比較潔凈、水量也比較穩(wěn)定，供水保證程度較高；尤其是在包氣帶的保護(hù)作用下，地下水不易受到污染，水質(zhì)一般較好，不僅是人畜供水的理想水源，同時(shí)也是灌區(qū)實(shí)施節(jié)水灌溉的優(yōu)質(zhì)水源。

1.1.2 灌區(qū)地下水的調(diào)蓄功能

西北灌區(qū)所在的平原區(qū)或盆地區(qū)，一般地形平坦、含水層分布廣泛，地下徑流微弱，淺層地下含水層類似于一個(gè)巨大的“地下水庫”，對降水、渠系滲漏及田間灌溉入滲補(bǔ)給水流具有一定的滯緩、調(diào)蓄和再分配作用，地下水的調(diào)蓄功能是地下水系統(tǒng)的自然屬性，是水在含水層孔隙中輸入、運(yùn)移、儲存和輸出的過程和能力。地下水的調(diào)蓄功能允許灌區(qū)在地下水開發(fā)利用中“豐儲枯用、以豐補(bǔ)歉”，既彌補(bǔ)灌區(qū)干旱季節(jié)地表水源的不足、滿足灌區(qū)作物需水要求，又改善地下水的循環(huán)條件，使地下水得到有效涵養(yǎng)，為灌區(qū)儲備了重要的應(yīng)急或抗旱灌溉水源。陜西黃土塬灌區(qū)三水轉(zhuǎn)化機(jī)理與水資源最佳調(diào)控模式研究結(jié)果表明，黃土地區(qū)由于灌溉水的滲漏能夠形成巨大的地下水庫，如能有計(jì)劃地實(shí)施水資源的地下調(diào)蓄，則可有效緩解該區(qū)既干旱缺水又澇堿成災(zāi)的矛盾局面。由此可見，地下水的基本特征構(gòu)成了其成為西北渠井結(jié)合灌溉水源的基本條件，而地下水的調(diào)蓄功能則決定著其對灌區(qū)高效安全用水的保障作用。

1.2 地下水開發(fā)利用對灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的作用

1.2.1 彌補(bǔ)地表水資源不足、提高灌區(qū)供水保證率

大型灌區(qū)是西北地區(qū)糧、棉、油和經(jīng)濟(jì)作物的主要產(chǎn)區(qū)，地表水不能完全滿足作物的需水要求，開采地下水灌溉，既能夠彌補(bǔ)枯水年份和干旱季節(jié)地表水源的不足，滿足作物需水要求，又能充分利用地下水的調(diào)蓄功能，將地表水灌溉中的渠道及田間灌溉滲漏補(bǔ)給量重復(fù)利用，提高了灌溉水的利用效率。同時(shí)，井灌井排也降低了地下水位，可以騰出地下水調(diào)蓄空間，增加降水入滲補(bǔ)給量，提高了灌區(qū)的供水保證率。如陜西涇惠渠灌區(qū)，20世紀(jì)70年代～80年代初曾實(shí)行過冬灌期單一渠灌、春灌期渠井匯流或渠井間灌、夏灌期群井匯流或井渠匯流的渠井結(jié)合配水模式，保障了灌區(qū)農(nóng)作物的需水要求，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

1.2.2 合理調(diào)控地下水位、防治土壤次生鹽堿化

西北灌區(qū)大多數(shù)位于干旱半干旱地區(qū)，該區(qū)降水量小、蒸發(fā)量大，土壤和地下水中含可溶鹽分較多，單一引地表水灌溉會抬高地下水位，存在土壤鹽漬化的潛在威脅，打井開采地下水灌溉，利用“井灌井排”的作用，可以有效調(diào)控灌區(qū)地下水位，防治灌區(qū)漬澇鹽堿災(zāi)害，促進(jìn)灌區(qū)生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。如寧蒙河套灌區(qū)、甘肅引黃灌區(qū)、陜西涇惠渠及寶雞峽灌區(qū)都曾不同程度地出現(xiàn)過土壤次生鹽漬化問題，都是通過打井開采淺層地下水或結(jié)合水平排水的方式,合理調(diào)控了地下水位,使土壤鹽堿、漬、澇災(zāi)害得到了有效治理，保障了灌區(qū)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境安全。

1.2.3 地下水開發(fā)利用、促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展

對西北地區(qū)來說，大型灌區(qū)是一個(gè)包含社會、環(huán)境及灌溉區(qū)域內(nèi)所有活動的集合體。現(xiàn)代意義上的大型灌區(qū)，不僅僅涉及農(nóng)村、農(nóng)業(yè)和農(nóng)民的發(fā)展問題，而且也涉及到所轄區(qū)域和輻射區(qū)域的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會和諧穩(wěn)定及良好生態(tài)環(huán)境維護(hù)等問題[10]。地下水作為水資源的重要組成部分，由于地下水的開發(fā)利用，既提高了灌溉供水保證率，也給良種推廣、增施肥料，種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及發(fā)展經(jīng)濟(jì)作物創(chuàng)造了穩(wěn)定的水源條件，為灌區(qū)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)民增收和鄉(xiāng)村振興提供了基礎(chǔ)保障，促進(jìn)了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 西北灌區(qū)地下水資源開發(fā)利用研究進(jìn)展

西北大型灌區(qū)地下水開發(fā)利用歷史悠久，灌區(qū)地下水開發(fā)利用的理論及技術(shù)問題研究領(lǐng)域比較廣泛。鑒于在變化環(huán)境的大背景下，西北大型灌區(qū)普遍出現(xiàn)了河源來水量減少、水資源供需矛盾突出、地下水均衡失調(diào)及生態(tài)環(huán)境惡化等問題，以下主要圍繞灌區(qū)地下水開發(fā)利用的共性和關(guān)鍵性問題進(jìn)行分析。

2.1 變化環(huán)境下西北灌區(qū)地下水循環(huán)與演化機(jī)制

灌區(qū)是氣候變化的敏感區(qū)和人類活動的密集區(qū)，氣候變化、引水灌溉及地下水開采等活動極大地改變著西北灌區(qū)的地下水循環(huán)條件，也影響著灌區(qū)地下水的形成與演化機(jī)制。所以，變化環(huán)境下灌區(qū)地下水循環(huán)及演化機(jī)制問題是頗受關(guān)注的熱點(diǎn)研究問題。

2.1.1 變化環(huán)境下灌區(qū)地下水循環(huán)特征

灌區(qū)地下水循環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)典型的自然-人工復(fù)合系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開放性，與外界發(fā)生著頻繁地水量和能量交換[11]。相關(guān)研究表明[12-18]，在變化環(huán)境因素(氣候變化和人類活動的)的影響下，灌區(qū)地下水循環(huán)具有如下特征：

(1) 水循環(huán)路徑及強(qiáng)度的變化。渠系的修建、機(jī)井開采及引水灌溉方式不僅改變著地表水轉(zhuǎn)化為地下水的路徑和強(qiáng)度，而且也改變了降水的天然分配，使徑流性水資源減少，有效利用水分增加，直接影響著降水、地表水補(bǔ)給地下水的強(qiáng)度。魏曉妹等[19]對石羊河流域綠洲農(nóng)業(yè)發(fā)展對地表水與地下水轉(zhuǎn)化影響的研究表明，從20世紀(jì)50年代至90年代，受流域氣候變暖、河道外引水量增加及渠系水利用系數(shù)提高的影響，流域平原區(qū)地下水補(bǔ)給量減少45.7%；而隨開采量的增加，武威盆地泉水溢出量削減達(dá)到73.5%。

(2) 地下水循環(huán)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的變化。在灌區(qū)尺度上，灌溉制度、種植結(jié)構(gòu)、機(jī)井布局及開采強(qiáng)度、地下水位等的變化對灌區(qū)蒸散發(fā)及地下水入滲補(bǔ)給等產(chǎn)生明顯的作用，同時(shí)也會影響水文及水文地質(zhì)參數(shù)的變化。劉艷等[20]基于實(shí)測資料研究了涇惠渠灌區(qū)不同包氣帶厚度下水文地質(zhì)參數(shù)的演變問題，指出20世紀(jì)80年代中期灌區(qū)平均包氣帶厚度小于5 m，降水及田間灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)分別為0.22和0.30，隨著渠井用水比例的失調(diào)，淺層地下水位埋深不斷加大，至2001年灌區(qū)平均包氣帶厚度已超過了14 m，此時(shí)降水和灌溉入滲補(bǔ)給系數(shù)僅為包氣帶厚度3 m～5 m時(shí)的1/2和1/3。

(3) 地下水循環(huán)過程和方式的變化。西北大型灌區(qū)的運(yùn)行及發(fā)展，在灌溉及開采活動的影響下，區(qū)域性大循環(huán)減弱而局部小循環(huán)增強(qiáng)；地下水循環(huán)主要以垂向水循環(huán)為主，人工水循環(huán)加強(qiáng)，而自然水循環(huán)減弱。寶雞峽灌區(qū)50%頻率代表年的降水、渠系及田間灌溉水的入滲補(bǔ)給量占總補(bǔ)給量的80%。

2.1.2 變化環(huán)境下灌區(qū)地下水動態(tài)演變規(guī)律及機(jī)制

變化環(huán)境下灌區(qū)地下水循環(huán)決定著地下水動態(tài)的演變規(guī)律，而地下水位動態(tài)是灌區(qū)地下水循環(huán)的“脈搏”[21]。因此，變化環(huán)境下灌區(qū)地下水動態(tài)演變規(guī)律及機(jī)制的研究已成為農(nóng)業(yè)水資源領(lǐng)域關(guān)注的重要方向。

灌區(qū)地下水系統(tǒng)是一個(gè)開放性系統(tǒng)，外界環(huán)境對地下水系統(tǒng)的信息輸入(降水、渠系滲漏、田間灌溉入滲及開采等)通過在含水系統(tǒng)(水文地質(zhì)實(shí)體)內(nèi)的變換，以輸出(潛水蒸發(fā)、泉水溢出等)的形式表示對系統(tǒng)的響應(yīng)，而地下水位、水化學(xué)成分及水溫的變化則是其狀態(tài)變量[22]。眾多學(xué)者從不同的視角，分別運(yùn)用統(tǒng)計(jì)水文學(xué)及數(shù)值耦合模擬計(jì)算等方法，研究了地下水位變動對變化環(huán)境的響應(yīng)及地下水位動態(tài)變化的驅(qū)動因素。張文化等[23]運(yùn)用主成分分析法，研究了武威盆地和民勤盆地地下水位對氣候和人類活動因子的響應(yīng)，指出流域平原區(qū)人類活動因子對地下水位埋深變化的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于氣候變化因子的貢獻(xiàn)。杜偉等[24]、蘇閱文等[25]、徐存東等[26]、吉磊等[27]運(yùn)用統(tǒng)計(jì)水文學(xué)方法和GIS技術(shù)，分別以陜西寶雞峽灌區(qū)、內(nèi)蒙河套灌區(qū)、甘肅景電一期灌區(qū)及新疆瑪納斯河灌區(qū)為研究對象，研究了近30多年來灌區(qū)地下水位動態(tài)的時(shí)空間分布特征，并識別了各灌區(qū)地下水位動態(tài)變化的主要驅(qū)動因子。李萍等[28]基于多變量時(shí)間序列CAR模型建立了關(guān)中渠井雙灌區(qū)地下水位動態(tài)對變化環(huán)境的響應(yīng)模型，不同變化環(huán)境情景下地下水位埋深模擬結(jié)果表明，降水、蒸發(fā)、渠首引水及渠井用水比例是影響灌區(qū)地下水循環(huán)的主要外部環(huán)境因素，而降水量減少、蒸發(fā)量增加，各項(xiàng)補(bǔ)給量減少及開采量增加使灌區(qū)地下水位逐年下降，近30多年累計(jì)下降11.8 m。王蕾[29]通過構(gòu)建SWAT-MODFLOW耦合模型，研究了變化環(huán)境下關(guān)中渠井結(jié)合灌區(qū)地下水的循環(huán)特征，通過設(shè)定未來30年不同的變化環(huán)境情景，模擬計(jì)算了灌區(qū)地下水流場和地下水循環(huán)要素，并提出了灌區(qū)地下水可持續(xù)利用的適應(yīng)性對策。以上研究表明，變化環(huán)境對西北大型灌區(qū)地下水循環(huán)條件及演化機(jī)制產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響，引水灌溉、種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及地下水開采等人類活動是影響灌區(qū)地下水動態(tài)變化的主要驅(qū)動因素，這些研究成果為西北灌區(qū)水資源的科學(xué)調(diào)控提供了依據(jù)。

2.2 灌區(qū)地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)控

西北大型灌區(qū)的發(fā)展歷程表明，合理的地下水位對灌區(qū)高效安全用水十分重要，灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)控的核心是在維持灌區(qū)合理地下水位埋深的前提下，確定在引進(jìn)一定地表水量的條件下所能開采的地下水量，或在開采一定地下水量的條件下應(yīng)引入的地表水量[30]。因此，以地下水位或埋深為控制目標(biāo)，探索研究灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)控問題也是實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的主要研究內(nèi)容。

2.2.1 灌區(qū)合理地下水位以及控制標(biāo)準(zhǔn)

地下水位是灌區(qū)地下水循環(huán)的“脈搏”，也是衡量其循環(huán)健康與否的重要標(biāo)志。因此，如何將灌區(qū)地下水位調(diào)控在合理的范圍內(nèi)一直是農(nóng)業(yè)水資源領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)問題。國內(nèi)外學(xué)者從不同的角度提出了一系列合理地下水位埋深的概念，旨在以此尋求適合灌區(qū)地下水位調(diào)控的最適標(biāo)準(zhǔn)。

灌區(qū)合理地下水位埋深問題的研究，國外研究主要為前蘇聯(lián)學(xué)者基于地下水位埋深與土壤層生鹽堿化及植物生長狀況的關(guān)系分析，通過田間試驗(yàn)或模型研究的方法，提出了不同區(qū)域理想的地下水位埋深區(qū)間。在國內(nèi)，西北灌區(qū)合理地下水位埋深的研究主要圍繞灌區(qū)地下水采補(bǔ)失調(diào)、補(bǔ)排失調(diào)而引發(fā)的一系列生態(tài)環(huán)境問題而展開。首先是明確了灌區(qū)合理地下水位埋深確定的基本原則[31-35]，在此基礎(chǔ)上，從不同角度提出了灌區(qū)合理地下水位埋深的概念，進(jìn)而探究了合理地下水位埋深控制標(biāo)準(zhǔn)或控制性地下水位埋深及其確定問題。張惠昌[36]針對河西走廊灌區(qū)由地下水位下降引發(fā)的生態(tài)環(huán)境退化的問題，提出了“地下水生態(tài)平衡埋深”的概念，并強(qiáng)調(diào)指出此埋深不是一個(gè)絕對的數(shù)值，而是一個(gè)存在上、下限區(qū)間值的水位變動帶。鐘瑞森等[37]結(jié)合西北內(nèi)陸干旱灌區(qū)土壤次生鹽漬化問題，運(yùn)用區(qū)域水鹽平衡模型，通過設(shè)置不同的水資源利用方案，模擬研究了新疆阿瓦提灌區(qū)地下水位調(diào)控措施及效應(yīng)。閆金良等[38]從水鹽平衡的視角，闡述了內(nèi)蒙河套灌區(qū)適宜地下水位的研究現(xiàn)狀，指出了存在的不足。董起廣等[39]針對陜西涇惠渠灌區(qū)存在的地下水采補(bǔ)失調(diào)問題，提出了地下水生態(tài)水位埋深的上、下限值。趙孟哲等[40]從灌區(qū)地下水“雙控”管理的理念出發(fā)，探究了灌區(qū)控制性關(guān)鍵地下水埋深的概念，計(jì)算確定了涇惠渠灌區(qū)不同水文地質(zhì)分區(qū)合理地下水埋深的上下限閾值。由以上分析可見，西北灌區(qū)合理地下水埋深及控制標(biāo)準(zhǔn)問題的研究，大多是針對不同灌區(qū)所面臨的與地下水埋深有關(guān)的生態(tài)環(huán)境及地下水補(bǔ)給問題，探索性地提出了灌區(qū)地下水合理埋深控制閾值及確定方法，這些研究深化了對地下水位管理重要性的認(rèn)知，也為灌區(qū)地表水與地下水地聯(lián)合調(diào)控提供了依據(jù)。

2.2.2 灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)控

西北灌區(qū)地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)控是通過渠井結(jié)合灌溉實(shí)現(xiàn)的。近年來滿足地下水位埋深控制要求的灌區(qū)合理渠井用水比例和地表水與地下水合理配置方案研究是西北大型灌區(qū)水資源聯(lián)合調(diào)控的重要研究內(nèi)容。魏曉妹[41]在黃土塬灌區(qū)地下水動態(tài)機(jī)理田間綜合試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，充分考慮降水、灌溉、開采對地下水位動態(tài)的綜合影響，建立及求解了基于機(jī)井開采～地下水位恢復(fù)互饋動態(tài)過程的灌區(qū)地下水流數(shù)學(xué)模型，為灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)控提供了新方法。周維博等[42]運(yùn)用多元非線性地下水動態(tài)預(yù)報(bào)模型，通過對不同渠井用水比例條件下地下水位動態(tài)的模擬計(jì)算，得出了平水年和枯水年采補(bǔ)平衡所對應(yīng)的適宜渠井用水比例。李萍等[28]基于多變量時(shí)間序列CAR建立的灌區(qū)地下水動態(tài)對變化環(huán)境的響應(yīng)模型，對不同降水情景及渠井供水方案組合下的地下水位動態(tài)進(jìn)行了模擬計(jì)算，以多年補(bǔ)排平衡為判斷準(zhǔn)則，提出不同降水情景下涇惠渠灌區(qū)的合理渠井供水比例。代鋒剛等[43]依據(jù)灌區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水方案，運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬模型，通過調(diào)控源、匯項(xiàng)，模擬計(jì)算了涇惠渠灌區(qū)適宜的渠井用水比例。粟曉玲等[44]針對涇惠渠灌區(qū)地下水采補(bǔ)失調(diào)的問題，運(yùn)用水資源優(yōu)化配置模型與地下水?dāng)?shù)值模型相結(jié)合方法，確定了以灌區(qū)缺水量最小、又能基本實(shí)現(xiàn)了多年采補(bǔ)平衡的地表水與地下水的配置方案。賀向麗等[45]基于石羊河下游紅崖山灌區(qū)實(shí)施“關(guān)井壓田”的治理策略，設(shè)置了若干調(diào)控方案，利用構(gòu)建的地下水?dāng)?shù)值模型對各種調(diào)控方案下未來 20年內(nèi)的地下水動態(tài)變化進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到了合理的地下水限采方案。由此可見，西北灌區(qū)地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)控的目標(biāo)更加明確，切中灌區(qū)所面臨的關(guān)鍵地下水問題，并注重新技術(shù)和新方法的引入，研究成果更具有應(yīng)用價(jià)值。

2.3 灌區(qū)地下水開采模式及機(jī)井合理布局

2.3.1 灌區(qū)地下水開采模式

地下水資源評價(jià)及開采模式研究是機(jī)井合理布局的前提和基礎(chǔ)。20世紀(jì)70年代—80年代，以灌區(qū)地下水資源評價(jià)為基礎(chǔ)的地下水開采模式問題研究較多，而近幾十年來年來大多數(shù)灌區(qū)尚未進(jìn)行過系統(tǒng)性的地下水資源評價(jià)工作，也使西北灌區(qū)地下水開采模式問題的研究有所弱化，但在運(yùn)用新技術(shù)方面也取得了進(jìn)展。降亞楠[46]將區(qū)域地下水資源評價(jià)方法與GIS技術(shù)結(jié)合，研發(fā)了基于GIS的灌區(qū)地下水資源綜合評價(jià)系統(tǒng)，運(yùn)用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對寶雞峽灌區(qū)地下水資源數(shù)量、質(zhì)量及開發(fā)利用潛力的評價(jià)。李彥剛[47]以寶雞峽灌區(qū)地下水資源評價(jià)為基礎(chǔ)，以開采系數(shù)為依據(jù)，劃分了灌區(qū)地下水開發(fā)利用類型區(qū)，提出了各類型區(qū)地下水資源可持續(xù)開發(fā)利用的模式。王水獻(xiàn)[48]運(yùn)用地下水?dāng)?shù)值模擬方法，考慮供水約束條件，確定了新疆阿瓦提綠洲灌區(qū)地下水的合理開采模式。楊路華等[49]基于內(nèi)蒙古河套灌區(qū)地下水開發(fā)利用原則，提出了地下水插花式開采形式，通過地下水均衡要素關(guān)系的分析，確定了合理的地下水開采量。由此可見，近些年的相關(guān)研究更多關(guān)注的是將新技術(shù)、新方法引入地下水開采模式的研究。

2.3.2 灌區(qū)機(jī)井合理布局

近些年國外有關(guān)灌區(qū)機(jī)井布局問題的研究進(jìn)展報(bào)道較少，而國內(nèi)因地下水位動態(tài)失調(diào)而引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題，灌區(qū)機(jī)井合理布局的問題受到廣泛關(guān)注，井流理論和井群布局方法的研究也取得了可喜的進(jìn)展。灌區(qū)機(jī)井布局以井流理論為基礎(chǔ)，李佩成[50]基于西北灌區(qū)井灌井排的滲流特性，提出了“割離井”的概念，并構(gòu)建了系列非穩(wěn)定井流模型，推導(dǎo)了相應(yīng)的解析解，研究了基于穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流理論的井群布局設(shè)計(jì)方法。魏曉妹等[51]根據(jù)“割離井”理論，提出了根據(jù)非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)資料確定灌區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)的圖解方法。近年來關(guān)于灌區(qū)機(jī)井布局方法的研究相對于國外也比較多，并隨著信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。郭西萬[52]運(yùn)用響應(yīng)函數(shù)法使數(shù)學(xué)模擬模型和優(yōu)化模型相耦合，對新疆澤普水源地進(jìn)行了井群優(yōu)化布局的研究；王紅雨等[53]在考慮井間抽水干擾情況下，利用線性規(guī)劃的方法研究了寧夏井灌區(qū)規(guī)劃中最佳井距的確定；王康等[54]以內(nèi)蒙河套灌區(qū)為研究對象，利用MODFLOW軟件對設(shè)定地下水開采強(qiáng)度條件下的不同布井方案進(jìn)行了地下水動態(tài)模擬，探討了灌區(qū)不同區(qū)域的機(jī)井布局形式；李彥剛等[55]在用傳統(tǒng)方法確定寶雞峽灌區(qū)不同開采類型區(qū)機(jī)井?dāng)?shù)量的基礎(chǔ)上，以灌區(qū)井?dāng)?shù)為決策變量、灌溉費(fèi)用最小為目標(biāo)函數(shù)，用遺傳算法求解了各類型區(qū)的井?dāng)?shù)，并提出了灌區(qū)機(jī)井布局調(diào)整策略。劉鑫等[56]充分考慮灌區(qū)地下水資源承載力和生態(tài)環(huán)境需水要求，建立了地下水流運(yùn)動模型和機(jī)井優(yōu)化布局模型，對石羊河下游紅崖山灌區(qū)機(jī)井空間布局的適宜性進(jìn)行了評價(jià)。以上研究可見，西北灌區(qū)機(jī)井布局理論研究更具有針對性，布局方法已從傳統(tǒng)的常規(guī)方法向智能模擬優(yōu)化技術(shù)發(fā)展，研究內(nèi)容已從確定井?dāng)?shù)、井距及單井灌溉面積向機(jī)井空間布局適宜性評價(jià)及灌區(qū)機(jī)井布局調(diào)整策略等方面擴(kuò)展，研究方法和內(nèi)容在不斷發(fā)展和深化。

2.4 灌區(qū)地下水的管理機(jī)制

地下水是西北灌區(qū)重要的灌溉水源，同時(shí)也是生態(tài)環(huán)境演化的重要控制因子。近幾十年大型灌區(qū)普遍存在的地表水與地下水管理分離、渠井灌水價(jià)差異明顯，地下水監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系不健全等問題也引起了廣大研究者的廣泛關(guān)注，并陸續(xù)開展了相關(guān)工作。

2.4.1 灌區(qū)地下水行政及政策管理問題

灌區(qū)地表水與地下水同處于灌區(qū)水文循環(huán)之中，相互補(bǔ)充、相互依存，而灌區(qū)只有權(quán)經(jīng)營管理地表水，灌區(qū)內(nèi)的地下水卻由所轄縣(區(qū))水行政主管部門管理。針對灌區(qū)地表水與地下水管理分離、渠井灌水量異價(jià)的問題，一些研究者從政策、行政及經(jīng)濟(jì)層面研究地下水管理機(jī)制問題。楊曉茹[57]針對陜西渭河流域大中型灌區(qū)存在的地下水無序開采問題，提出要實(shí)現(xiàn)水資源的良性循環(huán)必須解決好地表水與地下水的統(tǒng)一管理問題。廖永松等[58]通過對涇惠渠灌區(qū)地下水管理制度及現(xiàn)狀的調(diào)查，構(gòu)建了基于公共產(chǎn)權(quán)屬性的地下水利用理論模型，解釋了地下水過度開采的原因，對井渠結(jié)合灌區(qū)從地表水與地下水統(tǒng)一規(guī)劃、調(diào)整水價(jià)結(jié)構(gòu)方面提出了管理對策。胡中鋒[59]針對寶雞峽灌區(qū)灌溉用水效益衰減問題，提出了深化灌區(qū)改革、建立新型農(nóng)灌體制、制定科學(xué)用水計(jì)劃等對策。景清華[60]通過對寧夏引黃灌區(qū)用水機(jī)制的調(diào)查，提出實(shí)行渠井異水同價(jià)的建議，以引導(dǎo)灌區(qū)群眾合理開發(fā)利用地下水。黨永仁等[61]、閆雪艷[62]先后研究了涇惠渠灌區(qū)“井進(jìn)渠退”的問題，認(rèn)為大力改進(jìn)管理體制、實(shí)行“兩水統(tǒng)管”是解決灌區(qū)地下水采補(bǔ)失衡問題的重要措施。李鵬等[63]針對關(guān)中灌區(qū)存在的地下水盲目開采問題，建議制定和出臺有關(guān)灌區(qū)地下水資源管理和保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)，以便通過法律手段規(guī)范地下水開發(fā)、利用及管理行為。

2.4.2 灌區(qū)地下水“雙控”管理機(jī)制及技術(shù)問題

2012年《國務(wù)院關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》中明確指出“實(shí)行地下水取用水總量控制和水位控制”(以下簡稱“雙控”)，有關(guān)灌區(qū)地下水“雙控”管理的問題也引起了各方面的高度關(guān)注，主要工作聚焦在“雙控”管理機(jī)制及技術(shù)研究方面。李佩成[64]從地下水對保障國家安全戰(zhàn)略儲備資源的高度，闡述了實(shí)行最嚴(yán)額地下水資源管理的迫切性和必要性。張遠(yuǎn)東等[65]、王小軍等[66]、耿直等[67]闡述了地下水“雙控”管理的內(nèi)涵以及取水總量與水位之間的關(guān)系，分析了糧食主產(chǎn)區(qū)地下水管理現(xiàn)狀及存在的問題，提出了地下水嚴(yán)格管理的針對性措施。閆麗娟[68]結(jié)合石羊河流域地下水管理實(shí)踐，提出以地下水含水系統(tǒng)為管理單元、耦合流域及行政區(qū)管理目標(biāo)的灌區(qū)地下水可持續(xù)管理制度框架。趙孟哲[69]以控制性地下水埋深為管理依據(jù)，計(jì)算了涇惠渠灌區(qū)年均地下水埋深管理變幅指標(biāo)，運(yùn)用多變量時(shí)間序列模型模擬確定了灌區(qū)豐、平、枯三種降水情景下地下水協(xié)同管理方案。康艷等[70]針對西北渠井結(jié)合灌區(qū)面臨的地下水問題，認(rèn)為建立總量控制與定額管理相結(jié)合的灌溉用水制度，可以有效促進(jìn)灌區(qū)地表水與地下水的聯(lián)合調(diào)控?！半p控”管理的技術(shù)主要是圍繞開采量及水位計(jì)量與控制技術(shù)展開。趙輝等[71]利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙控遙測技術(shù)和通訊技術(shù)研發(fā)了井灌區(qū)地下水限量開采自動控制系統(tǒng)，為有效控制地下水超開采提供了技術(shù)支持。李亞民等[72]以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、遙控遙測技術(shù)及通訊技術(shù)，研發(fā)了井灌區(qū)水資源管理的遙測遙控系統(tǒng)，有效地控制了地下水的開采。石羊河流域針對地下水超采問題，督促地方政府編制水量分配方案和地下水開采削減量計(jì)劃，嚴(yán)格落實(shí)控制指標(biāo)和削減目標(biāo)，要求流域內(nèi)機(jī)井必須有計(jì)量設(shè)施、有取水許可證及水權(quán)，并利用IC卡、代碼卡及TM卡對地下水實(shí)行計(jì)量管理，為實(shí)現(xiàn)“雙控”管理提供了技術(shù)手段[73]。

3 西北灌區(qū)地下水資源開發(fā)利用發(fā)展趨勢

西北大型灌區(qū)地下水開發(fā)利用的理論與技術(shù)研究取得了顯著的進(jìn)展，但隨著研究工作的不斷深入，灌區(qū)地下水問題研究的復(fù)雜性也日益顯現(xiàn)，一些機(jī)理性的基礎(chǔ)研究還比較薄弱，已有理論與方法也存在一定的局限性，影響著灌區(qū)地下水資源的可持續(xù)利用。結(jié)合西北灌區(qū)面臨的主要地下水的問題，并借鑒國內(nèi)外相關(guān)研究進(jìn)展，認(rèn)為以下幾個(gè)方面將是未來西北灌區(qū)地下水開發(fā)利用科技研究工作的重要方向。

3.1 變化環(huán)境下灌區(qū)地下水形成與演化機(jī)制的基礎(chǔ)研究

我國從20世紀(jì)50年代—80年代，針對農(nóng)業(yè)灌溉而開展的“農(nóng)業(yè)水文地質(zhì)調(diào)查”為認(rèn)識灌區(qū)地下水的形成條件及賦存規(guī)律提供了科學(xué)依據(jù)。然而近些年來，灌區(qū)地下水循環(huán)規(guī)律及演化機(jī)制的研究有過于重視模型模擬的傾向，而常常忽視了對灌區(qū)水文地質(zhì)條件的準(zhǔn)確認(rèn)知與了解，使地下水形成與演化機(jī)制的研究難以取得突破性的進(jìn)展[74]。因此，亟待加強(qiáng)灌區(qū)水文地質(zhì)勘查或調(diào)查，開展灌區(qū)地下水循環(huán)過程的野外與室內(nèi)試驗(yàn)工作[75]，以獲取關(guān)鍵原始數(shù)據(jù)，這是未來地下水循環(huán)研究的重要基礎(chǔ)性工作。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建氣候-陸地水文-地下水轉(zhuǎn)化耦合模型，定量模擬灌區(qū)地下水文過程，深化對灌區(qū)降水、地表水、土壤水與地下水之間轉(zhuǎn)化關(guān)系的系統(tǒng)認(rèn)識，揭示灌區(qū)變化環(huán)境下地下水循環(huán)機(jī)制及演化規(guī)律，也是未來的發(fā)展趨勢。

3.2 基于高效安全用水的灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)控研究

合理地下水埋深對灌區(qū)高效安全用水十分重要，但由于西北灌區(qū)水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性，目前相關(guān)研究仍處于探索研究階段，因此需要從生態(tài)水文地質(zhì)學(xué)及水資源學(xué)的視角，進(jìn)一步完善灌區(qū)各種控制性關(guān)鍵地下水位的概念，并探討具有普適性的定量研究方法。渠井結(jié)合灌溉是西北灌區(qū)可發(fā)展的方向，運(yùn)用地表水與地下水耦合技術(shù)研究灌區(qū)水源調(diào)控問題是行之有效的方法[76]，而地下水?dāng)?shù)值模型作為耦合模型的重要組成部分，人們卻往往忽視了對水文地質(zhì)概念模型的研究，增加了模型模擬的隨機(jī)性和不確定性，因此，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)哪Ｐ徒Y(jié)構(gòu)、參數(shù)及各種輸入數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性研究也是未來的關(guān)鍵問題[77-78]。同時(shí)，明確不同類型灌區(qū)高效安全用水的目標(biāo)，研發(fā)基于3S技術(shù)的灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)控耦合模型或灌區(qū)地下水管理模型[79]，提出實(shí)用、可行的地表水與地下水調(diào)控方案將是西北灌區(qū)地下水可持續(xù)開發(fā)利用研究的發(fā)展趨勢。

3.3 渠井結(jié)合灌區(qū)機(jī)井布局理論與方法的研究

灌區(qū)地下水資源評價(jià)與開采模式研究是機(jī)井合理布局的基礎(chǔ)，然而近些年來這些方面的工作有所弱化，灌區(qū)地下水資源的家底不清，使機(jī)井布局缺乏科學(xué)規(guī)劃，因此，變化環(huán)境下灌區(qū)尺度地下水資源評價(jià)及開采模式研究問題必將引起重視。另外，擬開發(fā)的純井灌區(qū)機(jī)井布局的理論與方法研究比較成熟[80]，而對于已成渠井結(jié)合灌區(qū)的研究相對較少，因此基于地表水與地下水聯(lián)合應(yīng)用機(jī)制的灌區(qū)機(jī)井合理布局理論與方法仍然是西北灌區(qū)關(guān)注的重點(diǎn)問題，而將大數(shù)據(jù)、5G及人工智能技術(shù)應(yīng)用于灌區(qū)機(jī)井規(guī)劃與布局的研究也是未來的發(fā)展方向[81-82]。同時(shí)也應(yīng)該結(jié)合灌區(qū)的作物種植結(jié)構(gòu)及需水特點(diǎn)，加強(qiáng)不同類型灌區(qū)渠井結(jié)合方式與工程布置的研究，使灌區(qū)渠系與井網(wǎng)的布局更加合理，為灌區(qū)實(shí)現(xiàn)“以井補(bǔ)渠、以渠養(yǎng)井、渠井結(jié)合”的灌溉模式提供基礎(chǔ)條件支撐[83]。

3.4 灌區(qū)地下水“雙控”管理能力建設(shè)

灌區(qū)地下水“雙控”管理是最嚴(yán)格水資源管理制度研究的重要內(nèi)容，也是西北灌區(qū)解決地下水問題有效方法[84]。灌區(qū)地下水取水總量與水位控制指標(biāo)的研究還處于起步階段，研究灌區(qū)取水總量與地下水位之間的關(guān)系，運(yùn)用先進(jìn)、可行的方法，科學(xué)地確定不同開發(fā)利用類型區(qū)總量與水位控制指標(biāo)將是灌區(qū)實(shí)施地下水“雙控”管理的關(guān)鍵研究問題[85-86]。另外，西北灌區(qū)現(xiàn)有地下水監(jiān)測及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀難以滿足“雙控”管理及地下水科學(xué)研究工作的需求，因此完善和優(yōu)化灌區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)站建設(shè)、加強(qiáng)地下水監(jiān)測新技術(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的研究也是灌區(qū)地下水管理能力建設(shè)的重要內(nèi)容，需要從軟、硬件等諸多方面進(jìn)行研究。同時(shí)，也需要研究、出臺有關(guān)灌區(qū)地下水資源管理和保護(hù)的相關(guān)法律、法規(guī)及制度，通過法律、政策及行政管理措施促進(jìn)灌區(qū)地下水的“雙控”管理。

4 結(jié) 論

圍繞西北灌區(qū)共性關(guān)鍵地下水問題而展開的科學(xué)研究工作取得了豐碩的成果，在歸納總結(jié)地下水開發(fā)利用科學(xué)及技術(shù)研究進(jìn)展的同時(shí)，針對相關(guān)研究中存在的局限性和不足，探討了未來的發(fā)展趨勢。

(1) 歸納分析了西北灌區(qū)地下水的特征及調(diào)蓄功能，指出地下水的基本特征構(gòu)成了地下水成為渠井結(jié)合灌溉水源的基本條件，而地下水的調(diào)蓄功能則決定著其對灌區(qū)高效安全用水的保障作用，進(jìn)一步明晰了地下水資源開發(fā)利用對西北灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要性。

(2) 變化環(huán)境對西北灌區(qū)地下水循環(huán)條件及演化機(jī)制產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。運(yùn)用統(tǒng)計(jì)水文學(xué)及數(shù)值耦合模擬等方法，展開了灌區(qū)地下水位動對變化環(huán)境響應(yīng)及驅(qū)動因素等方面的研究，揭示了變化環(huán)境下灌區(qū)地下水形成及演化機(jī)理。指出加強(qiáng)灌區(qū)水文地質(zhì)調(diào)查和地下水循環(huán)過程的試驗(yàn)研究，是未來地下水循環(huán)機(jī)理研究的重要基礎(chǔ)；研發(fā)氣候-陸地水文-地下水轉(zhuǎn)化耦合模型，定量模擬研究灌區(qū)地下水文過程是今后的發(fā)展趨勢。

(3) 明晰了灌區(qū)合理地下水埋深的概念及確定原則，探究了西北不同典型灌區(qū)合理地下水埋深的確定方法，灌區(qū)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)控的理論與技術(shù)研究也在不斷深化。提出明確灌區(qū)高效安全用水的目標(biāo)，研發(fā)地表水與地下水聯(lián)合調(diào)控耦合模型，研究實(shí)用可行的地表水與地下水調(diào)控方案將是灌區(qū)地下水可持續(xù)利用研究的熱點(diǎn)問題。

(4) 灌區(qū)地下水開采模式研究更聚焦于將新技術(shù)、新方法引入相關(guān)研究，而機(jī)井布局理論研究更具有針對性，布局方法已從傳統(tǒng)方法向智能模擬優(yōu)化技術(shù)發(fā)展，布局內(nèi)容已從確定井?dāng)?shù)、井距及單井灌溉面積向機(jī)井空間布局適宜性評價(jià)及布局調(diào)整策略等方面擴(kuò)展。認(rèn)為基于地表水與地下水聯(lián)合應(yīng)用機(jī)制的灌區(qū)機(jī)井合理布局理論與方法研究仍然是西北灌區(qū)關(guān)注的重點(diǎn)問題，而將信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于灌區(qū)機(jī)井規(guī)劃與布局研究將是未來發(fā)展的方向。

(5) 歸納分析了灌區(qū)地下水行政及政策管理、“雙控”管理機(jī)制及技術(shù)問題，認(rèn)為科學(xué)確定不同地下水開發(fā)利用類型區(qū)總量與水位控制指標(biāo)將是實(shí)施灌區(qū)地下水“雙控”管理的關(guān)鍵研究問題，而完善和優(yōu)化灌區(qū)地下水監(jiān)測網(wǎng)站建設(shè)、強(qiáng)化地下水監(jiān)測新技術(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的研發(fā)將是未來灌區(qū)地下水管理能力建設(shè)的重要內(nèi)容。