農(nóng)業(yè)限水灌溉對地下水恢復(fù)的影響研究——以河北省石家莊平原區(qū)為例

帥官印，張 先, 2，邵景力，崔亞莉，李 豆

農(nóng)業(yè)限水灌溉對地下水恢復(fù)的影響研究——以河北省石家莊平原區(qū)為例

帥官印1，張 先1, 2，邵景力1*，崔亞莉1，李 豆3

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（北京）水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；2.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；3.河北省水文工程地質(zhì)勘查院，石家莊 052165）

【目的】探究農(nóng)業(yè)限水灌溉對地下水位和水量的恢復(fù)效果?！痉椒ā坎捎肎MS軟件建立河北省石家莊平原區(qū)地下水模型，選取冬小麥減產(chǎn)率低于20%時，石家莊平原各行政區(qū)在不同降水水平下優(yōu)化得到的限水灌溉組合作為限水灌溉方案，在規(guī)劃壓采的基礎(chǔ)上，對所選定的限水灌溉方案進(jìn)行模擬預(yù)測?！窘Y(jié)果】與現(xiàn)狀開采和規(guī)劃壓采情景相比，限水灌溉措施實施后，絕大部分行政區(qū)淺層地下水平均水位開始上升，區(qū)域淺層地下水位年均上升0.17 m/a，但深層地下水位依然呈下降趨勢；平原區(qū)地下水整體由負(fù)均衡轉(zhuǎn)變?yōu)檎猓?019—2028年，淺層和深層含水層總儲變量為1×108m3/a；相比只采用單一規(guī)劃壓采措施，添加了限水灌溉措施后，儲變量恢復(fù)率提高了約2.1倍，淺層地下水平均水位恢復(fù)率提高了2倍?！窘Y(jié)論】限水灌溉對于地下水恢復(fù)效果顯著，研究結(jié)果可為實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用提供參考。

限水灌溉；數(shù)值模擬；地下水壓采；采補(bǔ)平衡；糧食安全

0 引言

【研究意義】河北省地處華北平原腹地，全省玉米總產(chǎn)量位居全國第二，小麥總產(chǎn)量位居全國第三，該地區(qū)占用全國4.9%的耕地和0.7%的水資源，生產(chǎn)了全國6%的糧食，養(yǎng)育了全國5%的人口[1]。近年來，河北省地表水資源嚴(yán)重短缺，因而地下水已成為主要的供水水源，其中農(nóng)業(yè)灌溉用水占地下水使用量的70%～80%[2-3]。這導(dǎo)致河北省成為全國地下水開采量最高的省份，約占全國地下水總開采量的20%[4]。開采量的增加引發(fā)地下水長期處于超采狀態(tài)，而超采不僅破壞了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)安全，而且威脅著農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，是該地區(qū)亟待解決的關(guān)鍵問題[5]?？紤]到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是所有產(chǎn)業(yè)中的關(guān)鍵用水大戶，也是導(dǎo)致地下水超采的主要原因。因此，在保證糧食產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，從農(nóng)業(yè)節(jié)水的角度，尤其是采取限水灌溉措施壓減地下水開采量（以下簡稱地下水壓采），使地下水恢復(fù)“采補(bǔ)平衡”，對于實現(xiàn)農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

【研究進(jìn)展】關(guān)于農(nóng)業(yè)限水灌溉的研究較多，大多集中在限水灌溉對農(nóng)作物產(chǎn)量和農(nóng)田節(jié)水效應(yīng)等方面。如張喜英[6]在欒城試驗站通過大田試驗，研究了冬小麥產(chǎn)量與不同灌水次數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，冬小麥灌水1次相比不灌溉平均增產(chǎn)1 611.5 kg/hm2，灌水2次較灌水1次增產(chǎn)約709.3 kg/hm2，灌水3次較灌水2次增產(chǎn)約266.7 kg/hm2。潘登等[7]基于SWAT模型并結(jié)合Jensen和Blank模型計算了冬小麥的水分敏感系數(shù)，結(jié)果表明，冬小麥對水分最敏感的時期為拔節(jié)—抽穗期、灌漿—收獲期。Chen等[8]和Zhang等[9]比較了冬小麥不同灌水次數(shù)下的灌溉水利用效率，結(jié)果表明，相比雨養(yǎng)，冬小麥在足墑播種條件下拔節(jié)期灌水1次的灌溉水利用效率最高，且對產(chǎn)量影響相對較小。

目前的研究較少關(guān)注限水灌溉對地下水位和地下水儲量的影響。任理等[10]選取河北省太行山山前平原（包括石家莊平原）為研究區(qū)域，采用SWAT模型在不改變夏玉米灌溉制度的條件下，對冬小麥在現(xiàn)狀灌溉和限水灌溉模式下的淺層地下水位與冬小麥產(chǎn)量之間的關(guān)系進(jìn)行了研究；得出平原絕大部分區(qū)域冬小麥應(yīng)優(yōu)先灌溉的生育階段為拔節(jié)期、抽穗期、越冬期和灌漿期；冬小麥生育期灌水1次和2次為淺層地下水利用效率相對較高的限水灌溉方案。

【切入點】文獻(xiàn)[10]較深入地揭示了限水灌溉對地下水位和儲量以及冬小麥產(chǎn)量的影響。然而，SWAT模型屬于半機(jī)理式地表水文模型，主要用于模擬流域中的水文物理化學(xué)過程，雖然作者在該模型的地下水模塊中增加了給水度、孔隙度等參數(shù)，但依然存在對淺層含水層概化不細(xì)致的缺陷，且并未研究深層含水層的變化情況；此外，其模擬預(yù)測期為1993—2012年，但平原區(qū)從2015年起則開始對地下水進(jìn)行壓采，因而該研究也未考慮平原區(qū)已經(jīng)實施地下水超采治理的現(xiàn)實狀況。

【擬解決的關(guān)鍵問題】針對以上問題，本研究采用地下水模擬軟件GMS，以石家莊平原為例，建立該平原區(qū)地下水模型。為了盡量降低減產(chǎn)率，限水灌溉方案參考文獻(xiàn)[10]中的方案，即當(dāng)冬小麥減產(chǎn)率低于20%時，石家莊平原各行政區(qū)在不同降水水平下淺層地下水位降幅最小的限水灌溉組合。在規(guī)劃壓采的基礎(chǔ)上，對選定的限水灌溉方案進(jìn)行模擬預(yù)測。最后，通過與現(xiàn)狀開采、規(guī)劃壓采2種情景進(jìn)行對比，得出限水灌溉對地下水位、水量的恢復(fù)效果。該研究對于實現(xiàn)超采區(qū)農(nóng)業(yè)水資源的可持續(xù)利用具有一定的參考價值。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

石家莊平原位于太行山東側(cè)，河北省西南部，包括了石家莊市區(qū)、高邑縣等13個區(qū)縣級行政區(qū)，總面積約6 304 km2[11]（圖1）。研究區(qū)屬于溫帶半干旱、半濕潤大陸性季風(fēng)氣候，多年平均降水量為478.44 mm，降水量年內(nèi)分布不均，主要集中在6—9月，多年平均蒸發(fā)量為1 468.9 mm[12]。全區(qū)主要河流包括洨河、太平河、滹沱河、周漢河、磁河。其中，磁河屬海河流域大清河水系，其余河流屬海河流域子牙河水系。地勢西高東低，高程變化范圍為40～100 m，地貌類型屬于太行山山前沖積平原。

石家莊平原主要分布第四系松散巖類孔隙水含水層，共4個含水巖組。其中，I、II含水巖組為潛水含水層，是農(nóng)業(yè)活動的主要開采層，一般將這2層統(tǒng)一作為淺層含水層，底板埋深范圍介于30～260 m；III、IV含水巖組均為承壓含水層，一般看作深層含水層，底板埋深范圍分別為100～480 m和250～600 m。淺層地下水補(bǔ)給源主要包括降水補(bǔ)給、山前側(cè)向補(bǔ)給、灌溉回歸水補(bǔ)給、河流入滲補(bǔ)給等。其中，河流入滲補(bǔ)給主要發(fā)生在滹沱河生態(tài)補(bǔ)水期間。深層地下水主要補(bǔ)給源有層間側(cè)向流入和越流[13]。淺層和深層含水層中的地下水徑流方向均為由西向東、局部由西北向東南。淺層含水層主要排泄途徑包括人工開采、層間側(cè)向流出、向深層越流。深層含水層主要排泄途徑包括人工開采、局部地區(qū)向淺層越流、側(cè)向流出等。由于超采導(dǎo)致平原區(qū)地下水位埋深普遍較大，因此潛水蒸發(fā)忽略不計。

1.2 農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)和制度

石家莊平原屬于太行山山前平原的重要糧食產(chǎn)區(qū)，種植結(jié)構(gòu)主要以小麥和玉米為主，多年來2種作物種植面積超過總農(nóng)作物種植面積的70%。種植制度實行冬小麥-夏玉米一年二熟制。玉米生育期為6—9月，處于該區(qū)域降水集中時段。因此，除干旱年外，灌溉次數(shù)和灌溉水量相對較少，耗水并不嚴(yán)重。小麥生育期為10月—次年6月，處于降水較少時段。因此，主要依靠抽取淺層地下水來進(jìn)行灌溉，耗水嚴(yán)重。這也導(dǎo)致灌溉成為石家莊平原主要的耗水方式，約占總用水量的70%[11]。

1.3 地下水開發(fā)利用狀況

從20世紀(jì)50年代以來，石家莊平原地下水開采量呈先升后降的變化規(guī)律。1950—2000年，由于工、農(nóng)業(yè)需水量不斷增大，取水技術(shù)逐漸改善，導(dǎo)致地下水開采量不斷增加；進(jìn)入21世紀(jì)，人們認(rèn)識到過度開采地下水的危害，開始進(jìn)行了不同程度的壓采，尤其是2015年河北省出臺了壓采政策后，當(dāng)?shù)貙Φ叵滤拈_采量進(jìn)行了大幅度壓減，因而開采量有所降低[14-15]。表1為各時期年均地下水開采量。

表1 石家莊平原1950—2018年各時期年均地下水開采量

2 地下水?dāng)?shù)值模型

2.1 概念模型

本研究的模擬范圍為石家莊平原區(qū)（圖1），含水層概化為2層，分別是淺層（潛水）和深層（承壓水）含水層。淺層含水層西部邊界是山區(qū)與平原區(qū)的分界線，接受山區(qū)側(cè)向流入補(bǔ)給，可概化為給定流量邊界[11]；而東、南、北部邊界均為行政區(qū)邊界，將這些行政邊界外延2 km，按混合邊界處理。深層含水層西部邊界并未與淺層含水層西部邊界重合，但為了方便處理單、多層交互區(qū)域的層間側(cè)向補(bǔ)給，將深層含水層西部邊界外擴(kuò)至淺層含水層西邊界，并且設(shè)置為隔水邊界；東、南、北部邊界處理方式與淺層處理一致，均處理為混合邊界（圖1）。垂向上，頂部邊界為潛水面，可接受降水入滲補(bǔ)給，并通過該邊界向外排泄；底部邊界為第四系底板，為穩(wěn)定隔水層，按隔水邊界處理。考慮到2個含水層中地下水同時存在水平和垂向運動，水流隨時空不斷變化，且水文地質(zhì)參數(shù)具有空間差異，將研究區(qū)概化為非均質(zhì)各向異性三維非穩(wěn)定滲流系統(tǒng)。

圖1 研究區(qū)地理位置及邊界條件

2.2 數(shù)學(xué)模型

研究區(qū)潛水和承壓水流控制方程分別為[16]：

2.3 時空離散

空間上，將研究區(qū)剖分為200 m×200 m的網(wǎng)格。剖分之后，2個含水層共得到343 970個計算單元。模擬期從2010年1月—2018年12月，以月為最小時間單元，共得到108個應(yīng)力期。

2.4 初始條件及水文地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)收集到的資料，采用Surfer軟件中的克里金插值法，繪制研究區(qū)淺層和深層含水層2010年1月初始水位等值線（圖2）。同時，根據(jù)收集的參數(shù)分區(qū)及抽水試驗資料，結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)，確定研究區(qū)初始水文地質(zhì)參數(shù)。各參數(shù)的變化規(guī)律及取值范圍為：對于滲透系數(shù)，淺層和深層含水層空間變化規(guī)律類似，均由西向東逐漸減小，取值范圍分別為10～100 m/d和1～50 m/d；淺層含水層給水度由西向東也呈逐漸減小的規(guī)律，取值范圍為0.05～0.25；深層含水層貯水系數(shù)在整個研究區(qū)內(nèi)變化不大，取值為4×10-6[17]。

圖2 研究區(qū)初始水位等值線

2.5 源匯項

研究區(qū)的源匯項主要有降水入滲、山前側(cè)向流入、灌溉回歸水、河道滲漏補(bǔ)給以及人工開采。采用經(jīng)驗公式計算或者從收集的資料中獲取。

1）降水入滲補(bǔ)給量

以縣為單位，將研究區(qū)分為13個區(qū)，采用式（3）計算降水入滲補(bǔ)給量：

2）側(cè)向流入和流出量

側(cè)向流入和流出量主要包括山前流量邊界的流入量、混合邊界的流入和流出量。

用達(dá)西公式計算山前側(cè)向流入量：

用式（5）計算混合邊界的流入流出量：

式中：為流入或流出量（m3/a）；為滲透系數(shù)（m/d）；、為單個網(wǎng)格長度、寬度（m）；為外擴(kuò)邊界水頭（m）；0為模型邊界水頭（m）；為滲流途徑（m）。

3）河流滲漏補(bǔ)給量

研究區(qū)內(nèi)地下水主要受到滹沱河滲漏補(bǔ)給，根據(jù)黃壁莊水庫每年的月徑流數(shù)據(jù)，及滹沱河生態(tài)補(bǔ)水量，計算滹沱河對地下水的逐月滲漏補(bǔ)給量。

4）人工開采

研究區(qū)內(nèi)人工開采主要包括農(nóng)業(yè)、生活、工業(yè)用水，采用水資源公報和水利統(tǒng)計年鑒中的數(shù)據(jù)進(jìn)行確定。但是，這些資料并未對淺層和深層地下水進(jìn)行區(qū)分。因此，根據(jù)河北省地下水開采現(xiàn)狀，按照農(nóng)業(yè)和工業(yè)以淺層地下水為主，生活以深層地下水為主的原則，對地下水開采量進(jìn)行分配。

5）灌溉回歸水量

研究區(qū)灌溉回歸水量主要為井灌回歸水量，地表水灌溉較少，忽略不計。計算公式如下：

式中：入滲為某時段內(nèi)井灌回歸水量（m3）；開采為某時段內(nèi)地下水開采量（m3）；為井灌入滲系數(shù)，取0.185[18]。

2.6 模型識別與檢驗

考慮到2015年為實施地下水壓采的分界年，因而選擇2015年12月作為模型的識別期。通過對水文地質(zhì)參數(shù)及初始條件、源匯項等的不斷調(diào)整，使得模擬水位與實測水位之間的差值介于可接受的誤差范圍內(nèi)。同時，選擇2018年12月作為模型的檢驗期，對調(diào)參后的模型進(jìn)行檢驗。圖3為部分淺層觀測井模擬和實測水位對比情況。各觀測井模擬水位能較好地反映實測水位的變化趨勢，且水位誤差較小。但也存在模擬水位與實測水位相比周期性波動規(guī)律不明顯的問題。原因在于帶入模型的源匯項數(shù)據(jù)平均分配到了每個單元格上，不能精確體現(xiàn)研究區(qū)各點的補(bǔ)給開采真實變化情況；此外，水位過程線擬合是將觀測孔實測水位與該觀測孔所處網(wǎng)格的中心水位預(yù)測值進(jìn)行對比，二者不完全相同。因此，實測水位和預(yù)測水位之間存在差異。深層地下水由于未收集到觀測井長序列水位數(shù)據(jù)，因而未進(jìn)行水位對比。

圖3 部分淺層觀測井模擬與實測水位對比曲線

3 現(xiàn)狀開采及規(guī)劃壓采情景預(yù)測

總體來說，將模擬得到的2010—2018年平原區(qū)地下水量均衡狀況作為背景值。同時，預(yù)測2019—2028年在現(xiàn)狀開采情景及規(guī)劃壓采情景下的地下水位和水量均衡情況。對比分析2種情景地下水位恢復(fù)情況，并判斷在不同情景下，平原區(qū)地下水是否能夠?qū)崿F(xiàn)“采補(bǔ)平衡”。

3.1 現(xiàn)狀模型均衡狀況

采用識別檢驗后的石家莊平原地下水模型，得到2010—2018年平原區(qū)淺層和深層含水層多年平均地下水量均衡情況。其中，2層含水層多年平均補(bǔ)給量為14.99×108m3/a，多年平均排泄量為20.67×108m3/a，深層向淺層越流量為0.4×108m3/a，用總補(bǔ)給量減去總排泄量，得到總儲存變化量（以下簡稱儲變量）為-5.68×108m3/a，即每年要消耗地下水儲存量為5.68×108m3。而在總儲變量中，淺層含水層占-4.00×108m3/a，深層占-1.68×108m3/a。因此，在2010—2018年，石家莊平原地下水一直處于負(fù)均衡狀態(tài)。

3.2 現(xiàn)狀開采情景預(yù)測

1）現(xiàn)狀開采情景

預(yù)測在現(xiàn)狀開采條件下2019—2028年地下水位及水量均衡變化情況?，F(xiàn)狀開采均使用2018年地下水開采數(shù)據(jù)，山前側(cè)向流入量采用多年平均側(cè)向流入量，各行政區(qū)降水量采取多年平均降水量，井灌回歸量根據(jù)開采量進(jìn)行計算，河流補(bǔ)給量根據(jù)石家莊河湖補(bǔ)水規(guī)劃將水量分配到模型中。

2）水位變幅預(yù)測

運行現(xiàn)狀開采條件下的預(yù)測模型得到2028年12月淺層地下水位等值線，與2018年12月淺層地下水位等值線做差，得到水位變幅（圖4）。由圖4可知，除了石家莊市區(qū)及周邊、辛集地區(qū)水位上升外（水位最大上升3.43 m），其余各行政區(qū)水位整體呈下降趨勢（水位最大下降5.69 m），并且整個平原區(qū)地下水位年均下降速率為0.1 m/a。對于深層地下水，由于規(guī)劃壓采和限水灌溉主要針對淺層地下水，而對深層影響甚小，因而不對深層水位變幅進(jìn)行討論。

3）水量均衡預(yù)測

通過預(yù)測模型得到在現(xiàn)狀開采條件下，2019—2028年平原區(qū)淺層和深層含水層多年平均地下水量均衡情況。2層含水層多年平均補(bǔ)給量為14.19×108m3/a，多年平均排泄量為16.38×108m3/a，深層向淺層越流量0.36×108m3/a，總儲變量為-2.19×108m3/a。因此，平原區(qū)地下水仍將處于負(fù)均衡狀態(tài)。但相比2010—2018年，每年消耗的地下水儲存量減少了3.49×108m3。

圖4 現(xiàn)狀開采條件下2018—2028年淺層地下水位變幅

3.3 規(guī)劃壓采情景預(yù)測

1）規(guī)劃壓采情景

規(guī)劃壓采包括城鎮(zhèn)生活和工業(yè)節(jié)水、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉、南水北調(diào)、水源置換等，但不包含限水灌溉措施[18]。根據(jù)河北省規(guī)劃，石家莊平原2019—2022年共需壓采地下水5.24×108m3，并且將壓采任務(wù)分配到各行政區(qū)。而在所有行政區(qū)中，只有辛集市需壓采淺層和深層地下水，壓采比例為2∶1，其他行政區(qū)均只需壓采淺層地下水，表2為壓采量分配情況[19]。

表2 石家莊平原各行政區(qū)2019—2022年壓采量分配

預(yù)測在規(guī)劃壓采條件下的2019—2028年地下水位及水量均衡變化情況。各行政區(qū)2019—2022年淺層和深層壓采量采用規(guī)劃數(shù)據(jù)，2023—2028年淺層和深層壓采量均采用2022年的壓采量數(shù)據(jù)，每年的地下水開采量都需在上一年開采量的基礎(chǔ)上進(jìn)行壓采。井灌回歸水量是通過將壓采后的農(nóng)業(yè)開采量帶入式（6）計算得到，其他源匯項與現(xiàn)狀開采相同。

2）水位變幅預(yù)測

運行規(guī)劃壓采條件下的預(yù)測模型，得到2028年12月淺層地下水位等值線，與2018年12月淺層地下水位等值線做差，得到水位變幅圖（圖5）。與圖5相比，圖6中水位止跌回升的面積進(jìn)一步擴(kuò)大，絕大部分地區(qū)地下水位降幅減緩，但仍然呈下降趨勢。相比現(xiàn)狀開采，最大水位下降值減少為5.47 m，最大水位上升值增加為4.26 m，年均地下水位下降速率減少為0.01 m/a。因此，壓采對地下水位回升有一定的作用，但沒有從根本上扭轉(zhuǎn)地下水采補(bǔ)失衡的現(xiàn)狀。

圖5 規(guī)劃壓采條件下2018—2028年淺層地下水位變幅

3）水量均衡預(yù)測

2層含水層多年平均補(bǔ)給量為13.99×108m3/a，多年平均排泄量為15.15×108m3/a，深層向淺層越流0.33×108m3/a，總儲變量為-1.16×108m3/a。平原區(qū)地下水仍將處于負(fù)均衡狀態(tài)。相比現(xiàn)狀開采條件，每年消耗的地下水儲存量減少了1.02×108m3。其中，淺層含水層占0.89×108m3/a，深層含水層占0.13×108m3/a。

綜上，規(guī)劃壓采措施可在一定程度上降低地下水超采量，但仍無法達(dá)到平原區(qū)地下水“采補(bǔ)平衡”的目標(biāo)。然而，城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水已經(jīng)進(jìn)行了大幅壓減，未來沒有太大的壓減空間，因而必須引入其他壓采手段，從而降低地下水開采量。

4 農(nóng)業(yè)限水灌溉情景預(yù)測

限水灌溉主要針對平原區(qū)冬小麥。為了盡量降低冬小麥的減產(chǎn)率，限水灌溉方案主要借鑒文獻(xiàn)[10]，在冬小麥減產(chǎn)率不大于20%和地下水位下降最小的約束條件下，所得到的不同降水水平對應(yīng)的限水灌溉優(yōu)化組合。并在規(guī)劃壓采的基礎(chǔ)上，對限水灌溉方案進(jìn)行數(shù)值模擬，得出增加限水灌溉措施后的平原區(qū)地下水位及水量均衡變化情況。

4.1 限水灌溉方案選取

1）降水水平分析

對于不同的行政區(qū)，限水灌溉方案選取與冬小麥生育期內(nèi)降水水平直接相關(guān)（生育期為10月—次年6月）。因此，需要分析預(yù)測期2019—2028年冬小麥生育期內(nèi)的降水水平。通過統(tǒng)計不同行政區(qū)各月降水?dāng)?shù)據(jù)，得到各行政區(qū)冬小麥生育期內(nèi)的多年平均降水量，并據(jù)此采用降水頻率曲線得到降水水平分類（表3）。

2）方案選取

根據(jù)預(yù)測期內(nèi)的降水水平，在文獻(xiàn)[10]中找到石家莊平原各行政區(qū)應(yīng)該采取的冬小麥限水灌溉方案，并給出減產(chǎn)情況（表4）。

表3 各行政區(qū)冬小麥生育期內(nèi)多年平均降水量及降水水平

表4 各行政區(qū)2019—2028年冬小麥限水灌溉方案及減產(chǎn)情況

注 灌水1次定額為75 mm，灌水2次定額為150 mm。

4.2 限水灌溉情景預(yù)測

1）限水灌溉情景

預(yù)測在限水灌溉條件下2019—2028年地下水位及水量均衡變化情況。對于冬小麥耗水量，采用各行政區(qū)冬小麥種植面積乘以各行政區(qū)選定的優(yōu)化方案對應(yīng)的灌溉定額得到。井灌回歸量通過將調(diào)整后的農(nóng)業(yè)開采量帶入式（6）計算得到，其他源匯項同規(guī)劃壓采情景。

2）水位變幅預(yù)測

運行限水灌溉條件下的預(yù)測模型，得到2028年12月淺層地下水位等值線，與2018年12月淺層地下水位等值線做差，得到水位變幅圖（圖6）。平原區(qū)只有新樂市、元氏縣、無極縣幾個超采嚴(yán)重的地區(qū)，地下水位仍會下降，絕大部分地區(qū)均已實現(xiàn)水位的止跌回升。且相比規(guī)劃壓采條件，限水灌溉情景最大水位下降值減少為2.46 m，最大水位上升值增加為5.30 m，年均地下水位已由下降轉(zhuǎn)變?yōu)樯仙?。因此，限水灌溉對地下水位的恢?fù)作用十分明顯。

圖6 限水灌溉條件下2018—2028年淺層地下水位變幅

3）水量均衡預(yù)測

限水灌溉條件下，2層含水層多年平均補(bǔ)給量為13.53×108m3/a，多年平均排泄量為12.53×108m3/a，深層向淺層越流量0.29×108m3/a，總儲變量為1×108m3/a。其中，淺層含水層多年平均儲變量為1.63×108m3/a，深層含水層多年平均儲變量為-0.62×108m3/a。因此，平原區(qū)地下水整體由負(fù)均衡扭轉(zhuǎn)為正均衡狀態(tài)，但深層含水層依然存在超采。

4.3 不同情景地下水恢復(fù)效果對比

將規(guī)劃壓采、規(guī)劃壓采結(jié)合農(nóng)業(yè)限水灌溉2種情景下的預(yù)測結(jié)果，與現(xiàn)狀開采條件下的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行比較，利用式（7）計算地下水儲變量和淺層地下水平均水位恢復(fù)率。

表5為2種情景下的地下水恢復(fù)率。在規(guī)劃壓采基礎(chǔ)上，添加限水灌溉措施相比僅采用單一規(guī)劃壓采措施的儲變量恢復(fù)率提高了約2.1倍，淺層地下水平均水位恢復(fù)率提高了2倍。因此，限水灌溉措施對地下水恢復(fù)效果顯著。

表5 不同情景地下水恢復(fù)效果對比

4.4 與前人結(jié)果對比

在文獻(xiàn)[10]中，作者只探討了采取限水灌溉措施對糧食產(chǎn)量、淺層地下水位和水量的影響，并且模擬期為1993—2012年，而本研究是在規(guī)劃壓采措施的基礎(chǔ)上添加了限水灌溉情景，條件不相同，且模擬預(yù)測期也不一致。相比以往研究，本研究得出的模擬結(jié)果更加接近實際情況。

相比前2種情景，規(guī)劃壓采結(jié)合限水灌溉可以有效扭轉(zhuǎn)淺層地下水超采現(xiàn)狀，平原區(qū)地下水整體由負(fù)均衡轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，可有效填補(bǔ)前期超采造成的水量虧空。而且，在絕大部分地區(qū)，淺層地下水位實現(xiàn)了止跌回升。但對于超采嚴(yán)重區(qū)，還需進(jìn)一步采取有效措施來減少淺層地下水的開采量或增加補(bǔ)給量，如增加外調(diào)水量來置換地下水水源、加大生態(tài)補(bǔ)水力度等；對于深層含水層，由于上述措施主要減少了淺層的開采，對深層作用不明顯。因此，未來仍有必要采取針對深層含水層的措施，以實現(xiàn)深層地下水“采補(bǔ)平衡”。

5 結(jié)論

對現(xiàn)狀開采和規(guī)劃壓采2種情景進(jìn)行模擬預(yù)測，發(fā)現(xiàn)淺層地下水位平均下降速率由現(xiàn)狀開采下的0.1 m/a下降為規(guī)劃壓采下的0.01 m/a；2019—2028年含水層多年平均儲變量也由-2.19×108m3/a變化至-1.16×108m3/a。

在規(guī)劃壓采的基礎(chǔ)上進(jìn)行限水灌溉，模擬預(yù)測后發(fā)現(xiàn)除了新樂市、元氏縣、無極縣外，其余地區(qū)淺層地下水位都可實現(xiàn)止跌回升；平原區(qū)整體淺層地下水位平均變化速率已由負(fù)轉(zhuǎn)正，平均上升速率為0.17 m/a。此外，2019—2028年含水層多年平均儲變量為1×108m3/a，平原區(qū)地下水整體由負(fù)均衡扭轉(zhuǎn)為正均衡，但深層含水層依然存在超采。

規(guī)劃壓采配合農(nóng)業(yè)限水灌溉相比只采用單一的規(guī)劃壓采措施，儲變量恢復(fù)率提高了約2.1倍，淺層地下水平均水位恢復(fù)率提高了2倍。因此，限水灌溉對于恢復(fù)淺層地下水作用明顯，能夠有效配合規(guī)劃壓采，實現(xiàn)區(qū)域地下水位回升，填補(bǔ)多年超采造成的水量虧空，對于實現(xiàn)未來農(nóng)業(yè)水資源可持續(xù)利用具有重要意義。

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Groundwater Recovery after Restricting Groundwater Extraction for Irrigation:Taking Shijiazhuang Plain in Hebei Province as an Example

SHUAI Guanyin1, ZHANG Xian1, 2, SHAO Jingli1*, CUI Yali1, LI Dou3

(1. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China;2. China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co. Ltd, Tianjing 300222, China;3. Hebei Hydrological Engineering Geological Survey Institute, Shijiazhuang 052161, China)

【Objective】Pumping groundwater for irrigation over the past 40 years in most regions in northern China has resulted in groundwater table falling. To alleviate the continued deterioration of groundwater-induced ecosystems, most regions have started to reduce groundwater extraction for irrigation by slightly compromising some crop yields. The purpose of this paper is to analyze its efficacy.【Method】Our analysis was based on Shijiazhuang plain in Hebei province. We established a groundwater flow model using the GMS. The schemes for groundwater-limited irrigation of winter wheat, with the associated yield reduction not dropping by more than 20%, were optimized by the simulation model under different precipitations. Meanwhile, the selected schemes for groundwater-limited irrigation were also simulated and predicted.【Result】The average shallow groundwater table in most regions begins to rise after the groundwater-limited irrigation was implemented, and the average annual rise in regional shallow groundwater table is 0.17 m. However, the table of deep groundwater continued to drop. In addition, the groundwater storage in the region has changed from decrease to increase, with the total storage in the shallow and deep aquifers increasing from 2019 to 2028 at a rate of 1×108m3/a. The groundwater storage and average shallow groundwater table are increased by 2.1 and 2 times respectively after implementing the limited-groundwater irrigation, compared to simply reducing groundwater exploitation. 【Conclusion】Liming groundwater-irrigation is effective for groundwater recovery; our results provide a baseline for sustainable utilization of groundwater for agricultural production.

water limited irrigation; numerical simulation; reducing groundwater exploitation; groundwater equilibrium; food safety

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1672 - 3317（2022）08 - 0054 - 09

S274.1

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021548

2021-11-08

帥官?。?992-），男。博士研究生，主要從事水資源管理研究。E-mail: sgy2140@163.com

邵景力（1959-），男。教授，主要從事水資源管理研究。E-mail: jshao@cugb.edu.cn

責(zé)任編輯：韓 洋