冀中山前平原农灌用水与地下水承载力适应性状况

田言亮++张光辉　严明疆　王茜　王金哲

摘要：针对冀中太行山前平原浅层地下水严重超采与农林灌溉用水之间关系问题，应用地学的模数理念、水量均衡理论方法和MapGIS空间特征分析技术，建立了农灌用水与地下水承载力之间适应性状况评价方法及指标体系，以049 km2剖分单元精度识别了冀中山前平原农林灌溉用水强度及其与浅层地下水可采资源量之间适应性状况。结果表明，冀中山前平原农林灌溉导致的“极严重不适应”或“严重不适应”状态是浅层地下水超采的主要原因，其中小麦等夏粮作物灌溉用水主导了这些农灌区地下水超采，蔬菜作物和耗水型果林灌溉开采对地下水的影响呈显著增加趋势，应重视这种非理性加剧影响因素。

关键词：冀中山前平原； 灌溉用水； 地下水资源承载力；浅层地下水超采；适应性

中图分类号：P641 文献标志码：A 文章编号：16721683（2016）05011106

Adaptability between agricultural irrigation and groundwater

carrying capacity in Central Hebei Piedmont Plain

TIAN Yanliang，ZHANG Guanghui，YAN Mingjiang，WANG qian，WANG Jinzhe

（Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，Chinese Academy of Geological Sciences，Shijiazhuang 050061，China）

Abstract：Aiming at the problems of the water resources shortage and serious groundwater overexploitation for agricultural irrigation in the central Hebei piedmont plain，the evaluation index system and the evaluation method for the adaptability between agricultural irrigation and groundwater carrying capacity were established at an accuracy of 049 km2 by applying the earth science module concept，equilibrium theory and MapGIS technology.Evaluation results showed that the agricultural irrigation water intensity was in "serious incommensurate" status in most areas of the Hebei Taihang Piedmont Plain and the agricultural irrigation water was in"very serious incommensurate"state in most groundwater overdraft areas of Hebei plain，in which the summer crops such as wheat crop had an irrigation water intensity dominates groundwater overdraft，and the ratio of the irrigation water strength of the vegetable crop and the consumption fruit trees in total agricultural irrigation water increases showed a significant percentage increase trend.We should avoid this kind of irrational continuous increase.

Key words：Central Hebei Piedmont Plain；agricultural irrigation；carrying capacity of groundwater resources；groundwater overexploitation；adaptability

冀中山前平原浅层地下水超采主因是农林灌溉。该平原区总用水量的80%以上来自于地下水，当地地下水总开采量的85%用于农业灌溉。其中，石家庄地区当地总开采量的8371%、邯郸为8673%、保定8459%和衡水9020%用于农业灌溉[1]。因此，开展该区农灌用水与地下水承载力之间适应性研究，对于缓解该区地下水超采问题具有重要意义。

有关农业用水与区域水资源适应性的研究较多[29]。程彦培、马峰、姜秋香等研究表明农业灌溉是影响水资源承载力的重要因素。郑昌晶、张光辉、刘中陪等研究表明，我国北方平原区农业灌溉对地下水超采影响显著[1021]。范建勇等认为，农业灌溉导致了华北严重的地下水超采[1823]。张光辉等提出了地下水可持续利用性评价理论方法，并在我国华北、西北和东北地区地下水功能评价中得到广泛应用[2426]。有关农业灌溉用水与地下水承载力适应性评价是有待进一步研究课题[1]。

本文资料来自于国家科技项目、地质调查项目调查所得和气象、国土、水利、农业等部门监测所得，采用本项目创建的适应性评价理论方法[1]，对冀中山前平原区小麦、玉米、蔬菜和耗水型果林的不同播种及灌溉开采地下水时空特点，分区、分类进行了适应性状况量化评价。

1 研究区概况

冀中山前平原区位于河北省太行山前平原，包括邯郸市的临漳、成安、磁县、肥乡、永年县和山前部分县平原部分，邢台市的柏乡、隆尧、任县、南和、宁晋县和山前部分县平原部分，石家庄市的正定县、栾城区、行唐县、高邑县、深泽县、无极县、元氏县、赵县、辛集市、藁城区、晋州市、新乐市、鹿泉区，以及保定市的清苑、徐水、定兴、望都、涿州、定州市、安国、高碑店县和山前部分县平原部分，面积317万km2（图1）。该区是我国小麦主产区，也是华北平原浅层地下水超采最为严重地区。

2 基本概念与评价方法

2.1 基本概念与资料来源

2.1.1 基本概念

地下水承载力是地下水资源承载力的简称，它是指一定时间尺度的均衡期内（一般不小于10年）多年平均地下水可开采资源的数量。灌溉用水强度是指平均每年、每平方千米内灌溉用水的数量（万m3/（a·km2）。

有关“水资源承载力”的概念主要包括三种：（1）水资源支撑社会经济系统持续发展能力论；（2）水资源承载最大人口论；（3）水资源开发规模论。它们的不同点是所强调的服务对象不同。本文中的“水资源承载力”指的是在自然环境中可更新的、客观存在的、不会引起自然生态系统恶化的前提下能被人类社会利用的水资源数量[2729]。

本文中“适应性”是指一定区域单位面积的地下水可开采资源量与相应农业（或不同作物）灌溉用水强度之间均衡状况，采用I指标表达，评价等级、依据和意义见表1。

有至少20%的潜力。 “均衡”是指某研究区地下水可采资源量与当地农林灌溉用水量之间水量差介于±20%，用水比率处于良性。“一般不适应”表示某研究区地下水可采资源量小于当地农业灌溉用水量，但农林灌溉超用水量小于50%。“较严重不适应”是指某研究区地下水可采资源量小于当地农林灌溉用水量，且农林灌溉超用水量大于50%、小于80%。“严重不适应”是指某研究区地下水可采资源量小于当地农林灌溉用水量，且农林灌溉超用水量大于80%、小于110%。“极严重不适应” 是指某研究区地下水可采资源量小于农林灌溉用水量，且农林灌溉超用水量大于110%。

2.1.2 资料来源

气象资料选择研究区内具有较完整资料序列（1961年-2010年）的逐日降水、气温和蒸发气象站点监测资料。

地下水方面资料主要是国土部门监测和评价资料；地表水资源量和实际供用水量以海河水利委员会和河北省各地市水利部门监测与调查资料为主；供水量主要包括浅（深）层地下水和地表水。

用水量包括农田灌溉、工业、城市公共与生活、林牧渔畜、农村居民生活和生态环境用水量。

灌溉农业资料主要来自研究区各地市、县农村经济统计年鉴，数据以乡为统计单，资料主要包括小麦、玉米、稻谷等粮食作物、各类蔬菜和（苹果、梨、桃、葡萄等）鲜果林播种面积和产量，灌溉定额、实际灌溉水量、灌溉时间及次数，耕地、水田和水浇地面积。

2.2 评价方法

农林灌溉用水与地下水承载力之间适应性状况的评价指标，采用“评价指数”（I）表达，见式（1）。

式中：Nm为第m分区灌溉作物种类（小麦、玉米、蔬菜和耗水型果林）的数量；Wm（N）为第m分区、N种农作物的灌溉用水量（万m3/a）；Gm为当地地下水开采资源量；Fm为研究区面积（km2）；I为第m分区单位面积灌溉用水强度的适应性结果。当I<0时，表示该分区水资源承载力小于农业用水量；当I>0时，表示该分区水资源承载力大于农业用水量，尚有水资源可用于农业灌溉。根据I具体计算结果，可以判别某区域农业灌溉与水资源承载力之间的适应性状况。

保障工业和生活用水（二者用水量之和≥总用水量30%），同时考虑粮蔬生产安全和区域地下水资源可持续利用，所以，本文采用多年平均地下水可采资源量（1991年-2010年）的70%作为基准值用于模型的识别与评价。此后，利用MapGIS空间分析技术，构建07×07 km2精度剖分评价体系，即以面积为049 km2剖分基本单元，建立各县分区不同作物灌溉用水强度数据库，核查各县分区地表水和地下水资源可利用量。最后在剖分单元体系上，建立地下水可采资源量与农业灌溉用水强度的适应性状况评价体系。由此，利用式（1）计算各单元的I值并确定适应性状态。

根据上述结果，绘制I值等值线图，依据表1的评价分区标准，可以得到研究区农业灌溉用水强度“适应性”状态图。分析各状态区的属性、成因与趋势；最后，提出针对各分区的的建议与对策。

3 研究结果

3.1 农灌用水与地下水承载力分布特征

从农林灌溉用水强度来看，冀中山前平原农业区明显大于华北平原（1107万m3/（a·km2））。冀中山前平原农业区农林用水强度绝大部分在18万m3/（a·km2）以上（图2a），其中，辛集藁城无极正定栾城元氏一带达3384万m3/ （a·km2），部分农区在36万m3/（a·km2）以上，超出当地农业可利用水资源量的2倍。

以地下水可采资源量的70%作为基准值，冀中山前平原的西北部浅层地下水开采资源模数大于10万m3/（a·km2），其中定兴、容城和易县曲阳地区地下水开采资源模数也较大，介于1927～2011万m3/（a·km2）。衡水廊坊一带，地下水开采资源模数较小，在249～577万m3/（a·km2）之间。除了以上地区，其余大部分地区在70～10万m3/（a·km2）之间。

自20世纪80年代以来，研究区绝大部分河流常年断流，区内可用于农业灌溉的地表水资源十分有限。

3.2 农灌用水与地下水承载力之间适应性状况

3.2.1 适应性状况分布特征

从图2b可见，冀中山前平原的大部分地区农灌用水强度与地下水可采资源承载力之间处于“极严重不适应” 或“严重不适应”状态，只有在该平原区的西北部保定地区，农林灌溉用水处于“有潜力”或“均衡”状态（表2）。

“极严重不适应”或“严重不适应”状态的地区，主要分布在石家庄和衡水地区，I值分别为-16563%和-19579%。其次是邢台、邯郸一带，大部分为“严重不适应”或“较严重不适应”状态，少部分为“极严重不适应”，I值分别为-10631%和-8124%。

3.2.2 地下水超采区适应性状况

（1）石家庄宁隆柏邢台地下水超采区。

该超采区是华北平原最大的浅层地下水超采区，面积10 000 km2以上，漏斗中心区的地下水位埋深已达65 m，而1975年水位埋深仅1178 m。该区农林灌溉用水状况为“极严重不适应”（图2b），农林灌溉用水强度与地下水资源承载力之间的I值超过-110%。大部分地区农林灌溉用水强度在23万m3/（a·km2）以上，远大于当地地下水可开采资源量（70～129万m3/（a·km2））。

在“极严重不适应” 状态区域中，小麦等夏粮作物灌溉用水强度占农林灌溉用水强度的5232%～6297%，其值大部分在17万m3/（a·km2）以上。玉米等秋粮作物灌溉用水强度占农林灌溉用水强度的1799%～3132%，其值大部分在7万m3/（a·km2）以上。蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水强度，分别占该超采区农林灌溉用水强度的406%～1693%和676%～823%，其中该区南部的蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水强度所占权重，明显比该区北部小。该超采区南部的小麦等夏粮作物和玉米等秋粮作物的灌溉用水强度所占权重，都大于该区北部。

（2）保定高蠡清超采区。

保定高蠡清（高阳蠡县清苑）超采区位于“宁柏隆”漏斗区以北，区内浅层地下水降落漏斗面积2 217 km2，漏斗中心区地下水位埋深已超过60 m，而1975年水位埋深仅1211 m。在保定-高蠡清超采区，小麦等夏粮作物灌溉用水强度占该区农林灌溉用水强度的6151%，达12万m3/（a·km2）以上。玉米等秋粮作物灌溉用水强度占该区农林灌溉用水强度的1866%，达32万m3/（a·km2）以上。蔬菜作物或耗水型果林灌溉用水强度，分别占该超采区农林灌溉用水强度的1218%和277%。

（3）邯郸超采区。

邯郸超采区是位于“宁隆柏”漏斗区以南，漏斗区面积2 211 km2，漏斗中心区地下水位埋深已超过53 m。在邯郸超采区，农林灌溉用水强度少部分为“极严重不适应”状态，大部分处于“严重不适应”和“较严重不适应”状态，其值在13万m3/（a·km2）以上，此外该超采区的南部其值更在23万m3/（a·km2）以上，远超当地地下水可开采量（70～101万m3/（a·km2））。

在“严重不适应”状态区，农林灌溉用水强度的4374%～5143%用于夏粮作物（小麦等）灌溉，夏粮作物灌溉用水强度大部分地区超过12万m3/（a·km2）。玉米等秋粮作物灌溉用水强度占农林灌溉用水强度的1174%～2268%%，大部分地区超过8万m3/（a·km2）。蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水强度，分别占该超采区农林灌溉用水强度的2023%～3708%和426%～744%。

4 结论

基于水文地学的“模数”理念、单元剖分方法和70%的地下水开采资源量（生活和工业用水占30%），应用本项目组创建的农林灌溉用水强度与地下水资源承载力之间适应性状况评价理论方法，研究结果如下。

（1）灌溉农业，尤其以小麦为主的夏粮作物和蔬菜灌溉开采，已经成为冀中山前平原农业区浅层地下水超采的主要因素。

（2）在冀中山前平原农林灌溉用水处于“极严重不适应”或“严重不适应”状态的地区，不是仅因为当地地表水匮乏，而是灌溉农业用水规模远超过了当地水资源承载力，尤其是小麦作物和蔬菜等高耗水作物的种植规模。

（3）在冀中山前各超采区中，小麦等夏粮作物灌溉用水强度占50%以上，有些地区高达6297%。同时，蔬菜等开采地下水量呈显著增加趋势，很多地区蔬菜灌溉用水强度在20%以上，为避免蔬菜灌溉开采地下水的非理性持续大幅增加，应引起人们高度重视。

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