阜新市灌溉农业的地下水保障能力评估

乔 磊

(辽宁闹德海供水有限责任公司，辽宁 阜新 123000)

1 概述

阜新是一座因煤而立、因煤而兴的资源型城市，也是我国最早建设发展的国家能源基地之一。随着煤炭资源的逐渐萎缩，被国务院确定为全国第一个资源型城市经济转型试点市。作为资源枯竭型城市，阜新近些年大力发展农业，现已成为我国重要的商品粮生产基地，也是辽宁和全国粮食增产的重点地区之一。由于天然降水和粮食作物需水不匹配，阜新的灌溉农业对地下水具有较高的依赖程度，因此地下水成为保障该地区农业生产和基本农田建设不可或缺的条件。但由于阜新市地下水超采日益严重，该市灌溉农业可持续发展问题引发社会的关注[1]。在此背景下，客观量化评估灌溉农业的地下水保障能力已成为十分必要的课题。

目前，地下水资源的研究主要集中在地下水资源承载力和脆弱性方面[2- 5]，而关于灌溉农业地下水保障能力的研究相对较少。鉴于此，本文旨在评价阜新市地下水对灌溉农业的保障能力，评估结果可综合反映该地区农业灌溉对地下水的依赖程度与地下水对灌溉农业用水的保障程度，从而为该地区的农业可持续发展提供参考。此外，本文应用GIS技术处理空间数据、计算评价指标，为该市地下水资源管理的可视化、精细化、信息化发展[6]提供参考。

2 方法

2.1 水文水资源概况

阜新市地处北温带半干旱半湿润大陆性季风气候区，四季分明，降水时空分布不均，冬季严寒少雪，夏季炎热多雨，多年平均蒸发量1789.8mm，多年平均降水量480mm，降水多集中在7、8、9月份，占全年降水量的68.1%；年平均径流深47.4mm，年降水总量49.70亿m3，经常有干旱、冰雹、大风、暴雨、霜冻等不利天气，自然灾害频繁。该地区河流属于辽河和大凌河两个流域。其中，辽河流域有绕阳河、柳河、养息牧河与秀水河4条水系，境内流域面积7252km2，占全地区总面积的70%；大凌河流域有细河与牤牛河2条水系，境内流域面积3103km2，占全地区总面积的30%。全区5km以上河流313条，其中流域面积大于300km2的河流有13条(1000km2以上的中型河流5条)，多为季节性河流，具有河道比降大、多泥沙的特点。

阜新市水资源与水资源利用概况分别见表1、2。全市人均占有水资源量434m3，是辽宁省人均占有水资源量的1/2，全国人均占有水源量的1/5；亩均水资源量149m3，不足全省的1/3，是全国的1/12，在辽宁14个地市中排最后一位。此外，由于地下水资源超采严重，造成一些地区地下水位持续下降，水资源开发利用程度偏高，农业灌溉用水受到极大限制。阜新市水资源匮乏，资源性、工程性和水质性3种缺水形式并存，资源性缺水突出[7]。

表1 阜新市水资源空间分布概况 单位：万m3

表2 阜新市水资源利用概况 单位：万m3

2.2 灌溉农业地下水保障能力评估方法

张光辉等人[8]提出了灌溉农业地下水保障能力评估的ABC模型，并成功将该方法应用在黄淮海平原地区的相关研究中，结果表明：该方法可客观阐明大区域的灌溉农业用水对地下水依赖状况、地下水保障能力分布特性与成因。本文将该模型嵌入到GIS平台中，并以其为基础评估阜新市区、清河门区、彰武县、阜新蒙古族自治县(以下简称“阜蒙县”)农业用水对地下水的依赖程度、地下水对灌溉农业用水保障程度和灌溉农业的地下水保障能力。目前，该方法几乎没有被应用到地市及县域地下水保障能力评估中。

灌溉农业地下水保障能力评估的ABC模型可概括为：

(1)

式中，C—灌溉农业的地下水保障能力，它是指在现状开采条件下可用于灌溉农业的地下水开采资源能够确保当地灌溉农业用水需求的能力，是表征地下水对当地灌溉农业用水保障能力的综合指标。C值的评价结果可分为5级：安全保障(>0.5)、较安全保障(0.0～0.5)、基本保障(-0.5～0.0)、难以保障(-1.0～-0.5)和无法保障(<-1.0);B—地下水对灌溉农业用水的保障程度，它是指评价区可用于灌溉的地下水开采资源量占当地灌溉用水量的比率；其中地下水开采资源量表示评价区可持续开发利用、且不引起不良生态环境和地下水位持续下降或地面沉降等环境地质问题的下水量。A—农业开采量占当地农业灌溉用水量的比率；其中农业开采量指灌溉农业用水过程中取用地下水的水量。

用于灌溉的地下水开采资源量一般没有标准的统计数据，张光辉等人[8]根据农业用水量占当地总用水量的比例为指标，确定地下水开采资源的基值分区，例如当农业用水量占当地总用水量比率介于50%～70%的地区，以当地开采资源量的60%作为基值。该方法为灌溉地下水资源量的估算打下了基础，但主观性和不确定性强，因此本文提出采用以下计算公式：

(2)

式中，GI—用于灌溉的地下水开采资源量；UI—农田灌溉用水量；UT—总用水量；RG—地下水可利用量。

该公式隐含着“地下水可利用量根据各类型用水需求之间的用水量比例进行分配”的假设，在阜新市的实际地下水资源分配中，农业灌溉用水相对较受重视。因该公式倾向于保守，因此实际值应略高于本公式的计算值，这样有利于评估结果的安全。

文中主要数据来源于阜新市的水资源公报、统计年鉴和水利发展“十三五”规划等报告与材料，将数据资料按照县域(或市区)尺度进行汇总，输入到GIS平台。所采用的GIS平台为ArcGIS10.4，其中基础数据输入到ArcCatalog，并建立相应的geodatabase数据库；数据分析与可视化处理在ArcMap中进行，数据主要基于公式(1)和(2)，采用ModelBuilder工具建模计算，最终得到分析结果。

3 结果

3.1 灌溉农业对地下水依赖程度

市各行政分区(阜新市区、清河门区、彰武县、阜蒙县)的农业开采量分别为99.68万m3、175.8万m3、7342.31万m3和6378.02万m3，各地的农业灌溉用水量为171.7万m3、175.8万m3、9526.0万m3和8729.0万m3。采用ModelBuilder工具建模分析各分区农业开采量占当地农业灌溉用水量的比率，结果如图1所示。由图1可知，位于市南部的清河门区灌溉农业对地下水的依赖程度最高，实际上，目前该地区的农业灌溉几乎全部采用地下水；市区的依赖度最低，主要因为该地区的农田灌溉量较小。在空间分布方面，市中部地区灌溉农业对地下水依赖程度较低，至南和至北逐渐升高。

图1 阜新市灌溉农业对地下水依赖程度

3.2 地下水对灌溉农业用水保障程度

基于公式(2)并采用ModelBuilder工具建模分析市各行政分区(阜新市区、清河门区、彰武县、阜蒙县)可用于灌溉的地下水开采资源量，结果分别为17.43万m3、29.17万m3、21935.39万m3、和6735.49万m3。根据可用于灌溉的地下水开采资源量占当地灌溉用水量的比率来确定各分区地下水对灌溉农业用水保障程度，结果如图2所示。由图2可知，位于市北部的彰武县地下水对灌溉农业用水保障程度最高，指标值>1，说明其地下水对灌溉农业的供应值大于需求值；位于中部和南部的阜新市区与清河门区保障程度较低，主要因为在这些地区农田灌溉以外的用水需求量较大。在空间分布方面，阜新市地下水对灌溉农业用水保障程度由北至南呈现降低趋势。

图2 阜新市地下水对农业用水保障程度

3.3 灌溉农业的地下水保障能力评估

基于公式(1)并采用ModelBuilder工具建模分析阜新市各行政分区(阜新市区、清河门区、彰武县、阜蒙县)灌溉农业的地下水保障能力指标值分别为-4.72、-5.03、0.67、0.05，如图3所示。

图3 阜新市灌溉农业的地下水保障能力

由图3可见，阜新市区的C值<-1.0，即当地灌溉农业的地下水保障能力为“无法保障”状态，该地区地下水不具备抵御降水偏枯并保障灌溉农业用水的能力，因此应该进一步优化其产业布局，转移耗水作物的种植行业；清河门区的C值最低，说明当地灌溉农业的地下水保障能力最差，主要因为该地农业灌溉极度依赖地下水资源，且同时可用于灌溉的地下水资源又比较稀缺，因此该地区的农业灌溉将受水资源的严重制约，在农业方面不具备大的发展潜力；彰武县的C值>0.5，该地区地下水开采资源的保障能力大于灌溉农业对地下水的依赖程度，处于“安全保障”状态，因此可以认为该地区地下水具备较强的抵御干旱条件、保障农业灌溉的能力，具有较大的农业发展潜力；阜蒙县C值介于0.0～0.5之间，处于“较安全保障”状态，具备保障农业灌溉用水的能力，但潜力不大，因此在农业发展规模方面应基本维持现状，并采用发展节水农业、调整种植结构等措施对其地下水保障能力进行提升。

4 结论

阜新市区与清河门区的灌溉农业地下水保障能力处于“无法保障”状态，应该进一步优化其产业布局，转移耗水作物的种植行业；阜蒙县处于“较安全保障”状态，在农业发展规模方面应大体维持现状；彰武县处于“安全保障”状态，农业发展尚具备较大潜力。

[1] 王颖. 辽宁省地下水资源开发利用存在问题及对策研究[J]. 水利规划与设计, 2017(02): 14- 15.

[2] 张光辉, 费宇红, 刘春华, 等. 华北平原灌溉用水强度与地下水承载力适应性状况[J]. 农业工程学报, 2013, 29(01): 1- 10.

[3] 邢旭光, 史文娟, 张译丹, 等. 基于主成分分析法的西安市地下水资源承载力评价[J]. 水文, 2013(02): 35- 38.

[4] 于红伟. 集对分析法在水资源承载能力中的应用——以辽宁阜新地区为例[J]. 水利规划与设计, 2016(10): 46- 48.

[5] 王林波. 改进的 SPA 模型在区域地下水资源脆弱性评价中的应用研究[J]. 水利技术监督, 2017, 25(03): 127- 130.

[6] 严锋, 郭玉法, 刘波, 等. GIS技术在地下水资源研究中的应用现状及前景[J]. 水利技术监督, 2005(05): 63- 65.

[7] 韩丹. 阜新市需水情况及解决对策探讨[J]. 水资源开发与管理, 2015(04): 4.

[8] 张光辉, 费宇红, 王茜, 等. 灌溉农业的地下水保障能力评价方法研究——黄淮海平原为例[J]. 水利学报, 2016, 47(05): 608- 615.