黄淮海平原灌溉农业对地下水依赖程度与保障能力.docx

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1、 年月 地球学报 第卷第期： ： 地球学报 黄淮海平原灌溉农业对地下水依赖程度与保障能力 田言亮， 张光辉，王 茜，严明疆，王 威，王金哲 中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄 摘要：在我国北方粮食主产区，尤其黄淮海平原农业区，地下水是农业灌溉的重要水源，地下水超采状 况与灌溉农业对其依赖程度和地下水保障能力密切相关。本文通过农业灌溉用水强度与降水量和农作物播 种强度之间关系研究，以及灌溉农业用水对地下水依赖程度和对地下水超采影响特征研究，创建灌溉农业 的地下水保障能力相应理念和评价理论方法，应用表明：（）灌溉农业开采是黄淮海平原农业区地下水超采 的主要因素，主要发生在小麦主灌期，

2、且灌溉农业对地下水依赖程度愈高、灌溉前几个月份降水愈少农业超 采愈严重；（）农业超采区地下水位在主灌期呈 “ 厘米 ” 级（大于 ）降、非灌溉期呈 “ 毫米 ” 级（小于 ）升的 “ 强降弱升 ” 规律；（）采用灌溉农业用水对地下水依赖程度口）、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（的评价理论方法，能够客观阐明灌溉农业用水对地下水依赖状 况、地下水保障能力的区域分布特征及其成因。结果表明黄淮海平原西北部灌溉农业的地下水保障能力较 弱，尤其河北平原已处于 “ 难以保障 ” 或 “ 无法保障 ” 状态，黄河以南地区的地下水保障能力较强。 关键词：地下水；农业；灌溉用水；保障

3、能力；黄淮海平原 中图分类号：； 文献标志码： ： ， ， ， ， ， ， ， ： ， （ ） ， ， ， ， ， ： （） ， ； （） ；（） ， 本文由中国地质调查局地质调查项目（编号：）和国家自然科学基金项目（编号：）联合资助。获中国地质调查局、 中国地质科学院年度地质科技十大进展第八名。 收稿期： ；改回日期：。责任编辑：闫立娟。 第一作者简介：田言亮，男，年生。助理研究员。主要从事地下水循环演化方面的研究。：。 通讯作者：张光辉，男，年生。研究员，博士生导师。长期从事区域水循环演化和地下水可持续利用研究。 ：。 万方数据 地球学报 第三十七卷 似）， ）， （） ， ， ， ； ，

4、 ：； ； ； 黄淮海平原是我国三大粮食主产区之一（即东 北地区、黄淮海平原和长江流域中下游区。在黄淮 海平原农业灌溉用水中，地下水开采量占农用水总 量的以上，其中河北平原的大部分农业区灌溉 用水的以上取自地下水，尤其保定、石家庄、 邢台、衡水和廊坊地区农业灌溉用水对地下水具有 较高依赖程度，地下水已经成为黄淮海平原灌溉农 业生产的基本条件和永久基本农田建设不可缺少的 保障条件（张光辉等，）。 黄淮海平原粮食主产区包括河北、河南、山东、 安徽和江苏省等个农业区，面积万，粮 食作物播种面积、产量分别占全国总量的和 。其中小麦播种面积、产量分别占全国相应 总量的和，玉米种植面积、产量分别占 和（张

5、光辉等，）。在未来我国粮食 增产规划（至年）中，该区新增粮食产能占全国 亿斤新增产能的。然而，在黄淮海平原 以农业主导的地下水超采范围和程度日趋严重，区 内各粮食主产区能否可持续发展令人关注（周万亩， ；张光辉等，；刘中培等，；李山等， ；景冰丹等，）。但是，在黄淮海平原不同分 区灌溉农业对地下水依赖程度和地下水保障能力现 状如何，如何客观量化评价，不仅欠缺量化评价， 而且，尚无可借鉴的评价理论方法。它不仅涉及耗 水型农作物播种强度、地表水可利用资源和地下水 开采资源赋存状况，而且，还与非农业需用水情势 和降水量等气候变化密切相关，已成为国家重视的 重要课题。年国土资源部启动了地质调查综合 研

6、究项目 “ 中国主要粮食基地地下水资源综合评价 与合理开发研究 ” ，推动了相关理论方法深入探讨 和研发。 有关农业用水与地下水之间关系研究较多。研 究表明，我国北方地区地下水超采与农业灌溉开采 密切相关（张光辉等，；刘中培 等，；中国地质科学院，）。华北平原地下水 资源长期处于负均衡状态，农业活动对地下水的影 响强烈，是地下水超采的主导因素（贾金生和刘昌 明，；邵景力等，；石建省等，）。农业 万方数据 灌溉集中高强度开采地下水和分散大量开采都会造 成地下水严重超采并引发地下水流场剧变 （ ，； ，）。但不同 地区水资源承载力差异较大（姜秋香，），且不同 农业区节水潜力存在一定的差异性（姚治君

7、，； 陈玺等，）。 本文依托国家自然科学基金项目 “ 降水变化驱 动地下水变幅与灌溉用水强度互动阈识别 ” 和中国地 质调查局综合研究项目 “ 中国主要粮食基地地下水资 源综合评价与合理开发研究 ” ，取得如下重要成果。 基本理念与评价理论方法 农业开采量是指灌溉农业用水过程中取用（开 采）地下水水量的简称，单位：万。 地下水开采资源量是指中尺度（年）均衡 期多年平均的可持续开发利用、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 题的地下水量。 灌溉农业对地下水依赖程度似）是指评价区近 年平均农业开采量占当地相应时段年均农业灌 溉用水量的比率，单位：。 地下水对灌溉农业用水保

8、障程度旧）是指评价 区可用于灌溉农业的地下水开采资源量占当地近 年平均（与值计算时段相同）农业灌溉用水量 的比率，单位：。 灌溉农业的地下水保障能力（）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，无量纲，计算方 法如下式： （）一倡 （） 式（）中，值是表征地下水对当地灌溉农业用 水保障能力的综合指标。通过该值的区域分布特征 分析，可以阐明不同分区灌溉农业抵御连年气候干 旱的地下水保障能力。值不仅与灌溉农业对地下 水依赖程度 ）密切相关，而且，还与当地现状地下 水保障程度（曰）相关，其中气候和农作物布局结构 变化是主导影响因素。 从式（）可见，灌溉

9、农业对地下水依赖程度似） 第三期 田言亮等：黄淮海平原灌溉农业对地下水依赖程度与保障能力 表 农业区地下水保障能力评价指标体系及意义 越低，灌溉农业的地下水保障能力（）越强；当值 寸时，则值。灌溉农业对地下水依赖程 度似）越高的地区，尤其当爿值值时，该区灌溉 农业的地下水保障能力消失（为负值）。如果爿值 一定，则该区灌溉农业的地下水保障能力（）随着 值的增大而提高，即地下水开采资源量越大或该区 灌溉用水总量越小，该区灌溉农业的地下水保障能 力越强。 根据上述基本概念和地下水超采程度的评判 指标（张光辉等，），评价结果划分为安全 保障、较安全保障、基本保障、难以保障和无法保 障个级别，如表所示。

10、 造成灌溉农业的地下水保障能力处于 “ 难以保 障 ” 或 “ 无法保障 ” 的原因，不同地区各不相同。 有些地区可能是因为当地地下水开采资源极度贫乏 所致，有些地区是由于灌溉农业规模过大，农业开 采量远超过当地地下水资源承载力。连年干旱，不 仅会导致地表水资源枯竭，而且地下水补给也会大 幅减少，同时，农业开采规模显著增大（张光辉等， ，），由此加剧值与值之差， 即加剧农业主导的地下水超采情势。 值中地下水开采资源的基值确定是根据不同 类型区农业、工业、生活和生态环境等对地下水资 源合理需求，分别确定各分区地下水开采资源的基 值。即，在农业用水量占当地总用水量比率大于 的地区，以当地地下水开采

11、资源量的作为 值的基值，主要为河北平原和河南部分农业区。 在农业用水量占当地总用水量比率介于 的地区，以当地开采资源量的作为基 值，主要为河南、山东和安徽的淮河流域大部分农 业区。在农业用水量占当地总用水量比率小于 的地区，以当地开采资源量的作为基值，主要 为江苏的淮河流域农业区和安徽的部分农业区。 在实际应用中，根据评价尺度和具体需求，可 以进一步细化值中地下水开采资源的基值分区， 例如根据地市级分区或水文三级或四级分区，切实 万方数据 从合理需求出发。当然，分区过多，会增加不必要 的工作量。本文研究区是国家粮食主产基地，所以， 值中地下水开采资源的基值分区采用粮食主产区 （省）作为基础。

12、评价中采用的数据来源于：地下水资源及其供 用水量资料，收集黄淮海平原相关各省市、区市监 测部门的监测资料及相关报告，包括近年来各地 市的水资源公报数据、气象数据、农业灌溉和地下 水动态监测资料。其中供水量中包括地表水、浅层 地下水和深层承压水、微咸水、其他（外域调水、海 水淡化等）水量；用水量中包括农田灌溉用水量，分 类为水田、水浇地、菜田的灌溉用水量及其地下水 开采量，林牧渔畜用水量及其林果、草场、鱼塘和 畜牧各分项的用水量和地下水开采量，非农业用水 量。灌溉农业资料主要源自各省市、地市和县农村 经济统计年鉴及经济统计汇编，该数据统计最小分 区为乡镇，包括近年以来主要粮食作物、各类蔬 菜和鲜

13、果的播种面积、产量和各类农地面积、实际 灌溉量和灌溉时间等数据。 农业区地下水位强降弱升特征 从地下水动态监测数据表明，每年春季小麦灌 溉期间农业区地下水位都大幅下降，秋季灌溉也呈 现下降过程（图）。在灌溉开采地下水期间，所有监 测孔的地下水位都呈下降过程，下降幅度为 “ 厘米 日 ” 级（表）。其它时段，正逢降水较多或雨季之后 又处于非主农灌时节，以至所有监测孔的地下水位 都呈 “ 毫米日 ” 级的上升特征（表）。例如 年期间，各年春灌溉期日均地下水位降幅介于 ，为 “ 厘米日 ” 级的下降特征。其中 受降水偏枯影响的、年春灌溉期日均地下 水位降幅介于 ，而降水偏丰的 年期间的各年春灌溉期日

14、均地下水位降幅 介于 。又例如年期间，虽 然年降水量分别为 和 （降水偏 丰），但是小麦春灌溉期间日均地下水位降幅仍然 一 。 西 一 地球学报 第三十七卷 表 不同季节冀中山前平原农业区浅层地下水位强降弱升特征 （ ） 河北省 新无藁正乐极城定农农农农业业业业 区区区区 ” 拍们 钉弘 ” 筘为弛钉 凹 ” 卯 钞 踮体 为筋让钉 乏 ”钉 ” 拍弛卯 吆鸲 之 鳄博卯 ” 拍弛们 窨鸲 卯 拉 邱 ” 踞引 ” 卯 控：会醯 ” ” 弱 ”的 加乃 。之之。 铊甜 巧拍弘钾 加乃 笱拍弛勰 ” 如盯 平均 注：正值为单位时间地下水位上升幅度；负值为单位时间地下水位下降幅度： 监测数据至年月

15、中旬。 影响 媸到 程度 ；删进叹 ， ” 他 一 寸 卜 。 一 寸 卜 。 一 寸 卜 。 一 甘 卜 。 。 。 凸 。 口 一 一 一 一 一 。 一 一 一 】 卜 卜】 卜卜】 卜】 监测日期 图 农业超采地下水的主要时段、程度和机制 ， 小麦主灌期农业超采引起的地下水位年降幅，随降水量减少而增大 ， 介于 。 在降水枯水年份，尤其秋、冬、春三季持续干 旱或连续枯水年份，农业开采引起的地下水位下降 幅度明显增大， “ 厘米日 ” 级降幅的特征更加显著。 例如在年的降水枯水期间每年春灌溉 季节农业区浅层地下水位都大幅下降，其中 年春灌溉期地下水位下降 ，期间平均水位下 降 。年春灌溉

16、期地下水位下降 ， 期间平均水位下降 。年春灌溉期地 下水位下降 ，期间平均水位下降 ， 呈现日均地下水位降幅增大特征。这些枯水年份的 春灌溉期间地下水位下降过程线的大部分，位于 年期间水位变化趋势线之下，表现为加 剧地下水位下降的特征，这与降水偏丰年份（ 万方数据 年的前期，年降水量 ；研究时段末期， 年降水量 ）特征明显不同。 在非灌溉期，即使是 年降水偏丰 期间，农业区地下水位上升日均幅度年为 、年日均水位升幅 、 年为 、年为 和年日 均水位升幅 ，总体上仍然呈现 “ 毫米日 ” 级特征。又例如年期间发生 “ 年降水 连续偏枯 ” ，每年春灌溉期过后，农业区浅层地下 水位都呈现上升过程

17、，其中年至月份地 下水位上升 ，日均水位上升 ； 年地下水位上升 ，日均水位升幅 ； 年地下水位上升 ，日均水位升幅 。上述这些变化，仍然都呈现 “ 毫米日 ” 第三期 田言亮等：黄淮海平原灌溉农业对地下水依赖程度与保障能力 级的上升特征。降水偏枯水年份地下水位弱升的一 个标识特征，是地下水位上升过程线的大部分位于 多年水位变化趋势线之下。 灌溉农业对地下水依赖程度分布特征 及成因 在黄淮海平原，自东南至西北，灌溉农业对地 挪 ！兰 下水依赖程度呈增高变化特征。其中河北平原保定 一石家庄一邢台一衡水一带的灌溉农业对地下水依 赖程度最高（图和图），农业开采量占当地农业 总用水量的以上，该区域已成

18、为黄淮海平原浅 层地下水主要超采区。从地下水开采量占总用水量 比率来看，年保定地区占，石家庄地区 占，邢台地区占和衡水地区占 墨、赵础 ！兰 涩世账 加 慢世世与曰薄啦剁辜埒蚺匪医割世鬈军辜牧惺菊 医留暮面匪翌毛壁壬（艇扣崔蠕臣车爿车看证医肖誉毛稍嘲 暑酶蜒删羞瞎肇袋避枢巢型壬辐避薛嚣档谣嚣糸但匿培即舞驻证斑景澳祷壤堞静兽皿御裂颦墙蜓衅如筵蜓但 嶂赫 捺 京津爿卜 一河北 枉河南 卜山东 斗 一河南 哼 一山尔卜 一安徽 斗江苏 粮食主产分区 图 黄淮海粮食主产区地下水保障能力的成因与机制 图中粉红柱大于蓝色柱的差值越大，地下水对灌溉农业用水的保障能力越低 ， 图 黄淮海粮食主产区灌溉农业对地

19、下水依赖程度和地下水保障能力分布状况 万方数据 地球学报 第三十七卷 ，廊坊、邯郸和沧州地区介于。北 京和天津平原区灌溉农业对地下水依赖程度都较低， 农业开采量占当地农业总用水量的比率不足 （图，）。 在河南平原的北部和中东部地区，灌溉农业对 地下水依赖程度较高（图，）。其中安阳、濮阳、 鹤壁、新乡、开封和商丘地区农业开采量占当地地 下水总开采量的以上，而且濮阳、鹤壁和新乡 地区农业用水量占当地总用水量的以上。在山 东平原的西北部，灌溉农业对地下水依赖程度也较 高（图，），例如泰安地区农业开采量占当地地下 水总开采量的，聊城地区占，德州地 区占。 在安徽的淮河流域平原区，包括宿州、蚌埠、 阜阳

20、、淮北和毫州地区，农业开采量占当地地下水 总开采量的比率介于，呈逐年增大 趋势，但总体上该区灌溉农业对地下水依赖程度较 低（图，）。在江苏的淮河流域平原区，地下水开 采量占当地总用水量比率不足，农业用水量也 仅占，灌溉农业对地下水依赖程度最低的是 黄淮海平原地区（图，），因为当地雨水充沛和地 表水资源丰富。 地下水对灌溉农业保障能力分布特征 与成因 地下水保障能力分布特征 黄淮海平原粮食主产区的孔隙地下水资源量 占，岩溶地下水资源量占。其中，黄 河以北的平原区占，黄河以南的淮河流域 占和黄河流域。黄河以北的平原区 孔隙地下水资源量为亿，占全区总量 的：黄河以南的淮河流域为亿， 占；黄河流域为亿

21、，占。 黄河、海河和淮河流域平原区的地下水资源模数， 分别为 （ ）、万（ ）和 万（ ）。 从黄淮海平原的各主产（省）分区来看，河北主 产（省）区，矿化度小于 的地下水天然资源为 亿。其中保定、唐山和石家庄地区较丰 富，地下水资源模数介于万（ ）； 河北的沧州、衡水和廊坊地区地下水资源模数较小， 介于万（ ）。在河南（省）主产区的 海河流域，地下水天然资源量（矿化度小于 ）为 亿，资源模数万（ ）；在河 南主产（省）区的淮河流域，地下水天然资源量为 亿，资源模数万（ ）。在山 万方数据 东主产（省）区的海河流域，地下水天然资源量（矿化 度小于）为亿，资源模数 万（ ）。在山东主产区的淮河流域

22、，地下水天 然资源量为亿，资源模数 万（ ）。在安徽（省）粮食主产（省）区的淮河流 域，地下水天然资源量（矿化度小于 ）为 亿，资源模数万（ ）。在江 苏主产（省）区的淮河流域，地下水天然资源量为 亿，天然资源模数万（ ）。 从图可见，在黄淮海平原，河北和天津地区 灌溉农业的地下水保障能力最弱，大部分区域处于 “ 难以保障 ” 或 “ 无法保障 ” 状态。在河北平原的 个地市级分区中，个地区灌溉农业的地下水保障 能力处于 “ 无法保障 ” 状态，个地区处于 “ 难以保 障 ” 状态和个地区处于 “ 基本保障 ” 状态（图）， 值都处于安全保障阈值线之下（图），表明该地区 灌溉农业的地下水保障能

23、力难以或无法可持续利 用。 河南平原的海河流域，部分地区地下水保障能 力处于 “ 难以保障 ” 或 “ 无法保障 ” 状态（图），其 中安阳、鹤壁和焦作地区的值都小于一。濮阳 和新乡地区的值介于一之间，地下水保障 能力处于 “ 基本保障 ” 状态。在河南平原的淮河流 域，郑州、洛阳、南阳和山东泰安、淄博地区，地 下水保障能力也十分脆弱（图），其他地区农业灌 溉的地下水保障能力处于 “ 较安全保障 ” 状态（图 ），值都处于安全保障阈值线之上（图）。在山东 平原区，无论是海河流域，还是淮河流域，大部分 地区的地下水保障能力处于 “ 安全保障 ” 状态（图）， 值都处于安全保障阈值线之上，这些地区

24、的值 多为小于，值则多为大于。只有济南、淄 博和泰安地区较差，值处于安全保障线之下（图）。 在安徽的淮河以北地区，农业灌溉用水对地下 水有一定的需求，其中毫州、淮北、宿州、蚌埠、 淮南和阜阳地区的地下水保障能力处于 “ 较安全保 障 ” 状态，值都处于安全保障阈值线之上。由于六 安、合肥和滁州地区地表水资源丰富，所以，这些 地区农田灌溉尚未开发利用地下水，它们的地下水 保障能力也不高，值小于，当地地下水开采资 源不具备大规模开发利用潜力。在江苏的淮河流域， 农业灌溉用水对地下水依赖程度普遍较低，爿值小 于。该区地下水保障能力不强，尽管值处于 安全保障阈值线之上，但是曰值小于（图，）。 各分区地

25、下水保障能力差异性成因 降水量、地表水可利用量和地下水开采资源量 在空间分布上显著差异，是地下水保障能力明显不 第三期 田言亮等：黄淮海平原灌溉农业对地下水依赖程度与保障能力 同的主要原因。黄淮海平原降水量主要受太平洋季 风影响，从西北至东南，年均降水量从 至 。其中黄河以南地区年降水量介于 之间，黄河以北地区年降水量介于 之间。河北平原的保定一石家庄一衡 水一邢台地区年均降水量 ，枯水年份的降 水量不足 ，且该区主要河流绝大部分常年 干涸，地表水资源十分匮乏。在豫北和鲁北平原区， 许多地区引灌黄河等地表水，农业灌溉用水对地下 水依赖程度较低。淮河流域平原区不仅雨水充沛， 而且地表水资源比较丰

26、富，所以，该区农业灌溉以 地表水为主，尤其江苏、安徽的淮河流域平原区， 农业开采量不足当地总用水量的。 从地下水保障能力的现状来看，河北平原衡 水、沧州地区的 “ 无法保障 ” 状态，不仅与当地地 下水开采资源贫乏有关，而且，还与该区地表水可 利用资源量少，以至灌溉农业对地下水依赖程度过 高有关，这两个地区的彳值分别达和 。石家庄地区 “ 无法保障 ” 的成因与衡水和 沧州地区的 “ 无法保障 ” 成因之间存在明显不同，石 家庄地区地下水开采资源丰富，开采资源模数介于 万（ ），是衡水和沧州地区地下 水开采资源模数的倍。石家庄地区 “ 无法保障 ” 状态的主因是当地小麦、蔬菜等耗水型农作物播种 强度过大（介于 （ ），加之，当 地的地表水资源匮乏，所以，该区农业灌溉用水对 地下水依赖程度 值）达，造成地下水严重 超采，以至值仅为。而衡水、沧州地区耗 水型农作物播种强度仅介于 （ ）， 但地下水天然资源贫乏，地下水开采资源模数不足 万（ ），由此，该区地下水保障能力处于 “ 无法保障 ” 状态。 在河南的海河流域，各分区地下水保障能力