石家庄农业区地下水位对灌溉用水响应特征

冯慧敏 ，张光辉，王电龙

(1.山西农业大学 城乡建设学院，太谷 030801； 2.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，石家庄 050800；3.山西省水利建设开发中心，太原 030002)



石家庄农业区地下水位对灌溉用水响应特征

冯慧敏1，张光辉2*，王电龙2

(1.山西农业大学 城乡建设学院，太谷 030801； 2.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所，石家庄 050800；3.山西省水利建设开发中心，太原 030002)

[目的]为了探究在不同水文年份组合条件下，石家庄农业区地下水位衰变-涵养机制。[方法]基于近50年研究区地下水位及气象实测数据，采用彭曼-蒙蒂斯及相关分析等研究方法，明确了气候变化条件下研究区地下水位对灌溉用水的响应特征。[结果]在丰-丰水年份组合条件下，农业区地下水位可恢复2.13 m；在枯-枯水年份组合条件下，农业区地下水位急剧下降,下降幅度可达2.51 m；在平-枯水年份组合条件下，农业区地下水位仍呈下降趋势。冬小麦和夏玉米灌溉用水与地下水位改变的幅度呈正相关关系：灌溉用水量每增大100 mm，在冬小麦生育期内，地下水位下降的幅度平均将增大0.26 m；灌溉用水量每减少100 mm，在夏玉米生育期内，地下水位下降幅度平均将减少0.26 m。[结论]研究成果可为该区地下水资源的开发利用提供理论指导。

气候变化； 地下水位； 农业区； 灌溉用水

石家庄平原是我国重要粮食生产基地，有效灌溉面积42万公顷左右，农作物播种面积达80多万公顷，农业灌溉用水是该区主要用水户，占总用水量的88.8%，地下水开采量占89.8%。近50年来石家庄地区地下水位埋深不断增大，降落漏斗面积持续扩大，中心水位埋深曾达50多米，由此引发了地面沉降、土地沙化等一系列环境地质问题。与此同时，气候条件总体趋于旱化趋势，降水量不断减少，多年平均气温从20世纪60年代12.9 ℃，增加至目前(2001-2010年)的14.9 ℃，由此造成地下水开采强度，尤其是农业开采强度持续增大。开展气候旱化条件下农业区地下水系统衰变-涵养机制研究，对实现该区水土资源的高效利用意义重大。

气候变化是引起地下水开采量增大，地下水位下降的重要因素。X.S.Mao[1]等认为降雨减少和农业灌溉是引起太行山前平原地下水位下降的主要原因，且农业灌溉的影响大于降水减少，每减少100 mm的农业灌溉水量可以使地下水位下降趋势停止，每增加100 mm农业灌溉水量，地下水位将下降0～65 cm。张光辉等[2～9]人的研究结果表明河北平原年降水量增减的同时，同期地下水补给量与开采量呈互逆变化规律，年降水量变化通过地下水补给量减少与开采量增加，或补给量增加与开采量减少的互逆耦合对地下水系统水量均衡状态和水位变化影响强度累加，且在相同降水变量条件下旱化过程的影响强度大于雨量增加过程的影响，连续枯水年份下这种影响具有较大的潜在灾害性，滹滏平原地下水位下降不仅与地下水开采量有关，而且与该区降水量减少有关[10～17]。Gh Jellani[18]等也认为春季降水量的增减与地下水开采量之间呈逆相关关系。刘中培[19～20]等认为影响石家庄平原地下水位变化的主要因素是地下水开采和降水，开采主要影响地下水位的年际变化，而降水主要影响地下水位的年内变化。

本文采用研究区多年实测地下水位动态观测资料和气象资料，对气候变化条件下主要作物灌溉需水特征进行了科学计算，在此基础上深入分析了石家庄农业区地下水位对灌溉用水变化的响应特征与机制，以期为该区地下水资源的可持续开发利用提供理论指导。

1　研究区概况

研究区从西部太行山前至东部平原边界，地势逐渐降低，海拔高程由山前的100 m左右逐渐下降到东界的30 m左右(图1)。地貌形态为山前冲积作用而成的大小不等的冲洪积扇群组成的山前倾斜平原。山前黄土冲沟发育，平原地势宽阔平坦。多年平均降水量为526 mm，且年内分配极不均匀，6～9月份降水量占全年的比重在75%左右。多年平均气温为13.4 ℃，主要河流为滹沱河，但是由于上游多座大中型水库的修建，山区径流大部分被拦蓄，平原区河道常年处于断流状态。

研究区位于中朝准地台的中间部位，大部分区域，属于晋县断凹。第四系含水介质是一个几何形态复杂、多种类型叠加的含水层组结构，富水性和透水性良好，垂向上可划分为全新统(Ⅰ)、上更新统(Ⅱ)、中更新统(Ⅲ)和下更新统含水层(Ⅳ)等4个含水层，由于混合开采钻井取水，造成第Ⅰ、Ⅱ含水层组水力联系密切，统称为“浅层地下水系统”，浅层地下水是石家庄地区主要开采层位。降水入渗为地下水主要补给来源，排泄以人工开采为主，近5年平均开采量22.67亿m3[4]，其中农业开采占85.23%，是主要开采用户，地下水排泄量持续长年大于补给量，造成地下水位连年大幅下降。主要粮食种植作物为冬小麦和夏玉米，占当地农作物总播种面积的60%以上，播种方式为一年两季轮作种植，50%降水年份冬小麦净灌溉定额为2 250 m3·hm-2左右，夏玉米净灌溉定额为750 m3·hm-2左右。

图1　研究区地理位置图Fig.1　The study area　　注：图中黄色、红色点是长观点；绿色点是统测点(电子版)Note：the yellow and red spots are the long series of observation points. the green point is the unite measuring point.

2　研究方法与数据来源

2.1研究方法

本文主要研究内容为农业区地下水位年内动态对气候变化和灌溉开采量的响应，但是由于缺乏长系列年内农业灌溉开采量，同时，考虑到作物的灌溉需水量与实际开采量有很强的相关关系(图2，可以看出，随着灌溉需水量的增大，石家庄地区粮食作物实际灌溉量和地下水开采量均呈极强的直线递增趋势)，所以本文用以下公式计算作物灌溉需水量来代替实际灌溉量，当降水量(P)小于农作物蒸散量(ET0)时，灌溉需水量(IR)为正值，IR越大，实际灌溉量也越大；当P大于ET时，IR为负值(转化为降水入渗补给)，农作物不需要灌溉，IR越小，降水入渗补给越大。

粮食作物灌溉需水量采用如下公式计算：

IR=KcETo-Pe

(1)

式中：IR为灌溉需水量/mm；Kc为作物需水系数，采用刘钰[15]等的实测数据；Pe为作物生育期内有效降水量/mm。

作物生育期内有效降水量(Pe)采用如下公式计算，计算时间单元为旬。

(2)

式中：P为作物生育期内降水量/mm。

图2　灌溉需水量与实际灌溉水量、地下水开采量关系Fig.2　Relationship between irrigation water demand and irrigation water amount, groundwater exploitation

2.2数据来源

本文气象来源于中国气象数据，水文和地下水动态观测资料源自河北省相关部门的长观数据，地下水位监测点157眼。

3　结果与分析

3.1丰-丰水年份组合下石家庄农业区地下水位与灌溉需水互动特征

图3为1995年1月至1996年12月研究区主要粮食作物冬小麦和夏玉米年内灌溉需水与地下水位互动特征。1995和1996年为研究区典型的丰水年份，降水量分别达到687 mm和1097 mm，分别超过近50年平均降水量161 mm和571 mm。可以看出，1995年3～5月份，冬小麦灌溉需水量达419 mm，需大量开采地下水进行灌溉，地下水位急剧下降1.43 m，6～9月份，降水量急剧增大，达628.6 mm，除了能基本满足夏玉米生长需水要求外，产生降水入渗补给226.8 mm，地下水位回升1.83 m，超出3～5月由于开采造成的水位下降幅度0.4 m，地下水位得以完全恢复。

1996年3～5月份，冬小麦灌溉需水量为386.6 mm，地下水位在春灌开采影响下下降1.25 m，6～9月份，降水量1016 mm，降水入渗补给强度达到743 mm，地下水位急剧回升2.98 m，超出因春灌影响下降幅度1.73 m。从以上分析可以看出，研究区地下水系统经过连续丰水年份的补给得到有效涵养，水位总计回升2.13 m，由此可见，丰水年份尤其是连续丰水年份，可有效缓解研究区粮食主产区地下水位的下降趋势。

3.2枯-枯水年份组合下石家庄农业区地下水位与灌溉需水互动特征

图4为枯-枯水年份组合条件下(1992年1月至1993年12月)研究区主要粮食作物冬小麦和夏玉米年内灌溉需水与地下水位互动特征。1992年和1993年降水量分别为441 mm和420 mm，分别低于多年平均值85 mm和106 mm为典型的枯水年份。从图上可以看出，1992年春灌季节降水量只有64.5 mm，地下水水位在春灌开采影响下大幅下降1.68 m，在7～9月份，降水入渗补给量为110 mm，地下水位仅上升0.54 m。

图3　石家庄农业区丰-丰水年组合条件下灌溉需水与地下水位互动特征Fig.3　Interactive characteristic of crop irrigation demand and groundwater level in Shijiazhuang agricultural area under combined climate conditions of wet-wet years

图4　石家庄农业区枯-枯水年组合条件下灌溉需水与地下水水位互动特征Fig.4　Interactive characteristic of crop irrigation demand and groundwater level in Shijiazhuang agricultural area under combined climate conditions of dry-dry years

图5　石家庄农业区平-枯水年组合条件下灌溉需水与地下水水位互动特征Fig.5　Interactive characteristic of crop irrigation demand and groundwater level in Shijiazhuang agricultural area under combined climate conditions of normal-dry years

1993年全年降水量420 mm，3～5份降水量27.6 mm，冬小麦灌溉需水达380.8 mm，地下水水位受春灌影响，下降1.57 m；6～9月份降水量亦偏低，降水入渗补给量仅90 mm，地下水位恢复幅度不大，仅有0.2 m。由以上分析可见，在连续枯水年份下，地下水位下降幅度可达2.51 m， 是该区地下水水位连年持续大幅下降的主要诱因。

3.3平-枯水年份组合下石家庄农业区地下水位与灌溉需水互动特征

图5为平-枯水年份组合条件下(2000年1月至2001年12月)粮食作物灌溉需水与地下水水位互动特征。可以看出，在平水年份，2000年3～5月的降水量仅为25 mm，冬小麦灌溉需水量达443 mm，地下水位在春灌开采的影响下，急剧下降了2.48 m，在雨季6～9月，降水量476 mm，降水入渗补给量184 mm，地下水位在降水入渗补给的影响下，回升1.46 m，但并不能弥补因3～5月份春灌开采造成的下降幅度。

2001年为典型的降水极枯水年份，降水量仅为303 mm，全年均没有有效的降水入渗补给，3～5月份冬小麦灌溉需水量达443.7 mm，6～9月份夏玉米灌溉需水量320.7 mm，地下水位在大幅开采影响下急剧下降，达2.53 m。由以上分析可见，研究区粮食主产区在平水年份地下水水位呈下降趋势，如果连续的年份为枯水年，则下降幅度可达3.55 m。

3.4石家庄农业区地下水水位对灌溉用水响应特征

图6给出了石家庄农业区冬小麦和夏玉米生

育期内灌溉需水与地下水水位改变幅度相关关系图。可以看出，冬小麦和夏玉米灌溉需水与地下水水位改变的幅度呈正相关关系。需水量每增大100 mm，冬小麦生育期内地下水水位下降的幅度平均将增大0.26 m；需水量每减少100 mm，夏玉米生育期内地下水位下降幅度平均将减少0.26 m；同时还可以看出，当夏玉米灌溉需水量为负值，即降水量大于夏玉米绝对需水量时，地下水位改变亦为负值，即地下水水位由下降变为回升。

图6　石家庄农业区地下水水位与灌溉需水相关关系Fig.6　The relationship between precipitation and groundwater in Shijiazhuang plain

4　结论

运用P-M公式、相关分析等方法，以系统的理念对气候变化条件下石家庄农业区地下水水位对灌溉用水影响特征进行研究，主要结论：(1)在丰-丰水年份组合条件下，农业区地下水水位大幅回升；在枯-枯水年份组合条件下，农业区地下水水位急剧下降；在平-枯水年份组合条件下，农业区地下水水位仍呈下降趋势。(2)冬小麦和夏玉米灌溉需水与地下水水位改变幅度呈正相关关系。需水量每增大100 mm，冬小麦生育期内地下水水位下降的幅度平均将增大0.26 m；需水量每减少100 mm，夏玉米生育期内地下水位下降幅度平均将减少0.26 m。

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(编辑：梁文俊)

Response characteristics of irrigation water impact on groundwater level under climate change

Feng Huimin1, Zhang Guanghui2*, Wang Dianlong3

(1.ChinaForestryCollege,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China, 2.InstituteofHydrogeologyandEnvironmentalGeology,CAGS,Shijiazhuang050061,China, 3.ShanxiWaterConservancyConstruction&DevelopmentCenter，Taiyuan030002，China)

[Objective] In order to explore the decay-recovery mechanism of groundwater level under different climate conditions in Shijiazhuang agricultural area.[Methods] Based on the measured meteorological data and groundwater level data of recent 50 years, utilizing the methods of Penman-Monteith formula and correlation analysis, explicated the response characteristics of crop irrigation water impact on groundwater level in different climate conditions. [Results]In combined condition of wet-wet year, groundwater level could recover to 2.13 m, the groundwater system could be effectively conserved. In combined condition of dry-dry year, the groundwater level declined sharply, up to 2.51 m. In combined condition of normal-dry year, the groundwater level of agricultural areas were still declining. Winter wheat and summer maize irrigation water demand were positive related to groundwater water level changing in Shijiazhuang agricultural area, an increasing of 100mm for irrigation water, the groundwater level declining range would increase 0.26 m in the winter wheat growth period; every declining of 100 mm for irrigation water, the groundwater level declining range would decrease 0.26 m in the summer maize growth period. [Conclusion]The research results can provide theoretical guidance for the development and utilization of groundwater resources in the area.

Climate change, Groundwater level, Agricultural area, Irrigation water

2016-07-12

2016-07-31

冯慧敏(1980-)，女(汉)，内蒙古包头人，讲师，博士，研究方向：农田水利与水资源合理利用

张光辉，二级研究员，博士生导师。Tel:13503218560; E-mail: Huanjing@ heinfo.net

国家自然科学基金(41172214) ; 山西农业大学科技创新基金(201306);山西农业大学科技创新基金(2015ZZ04)

S152.7

A

1671-8151(2016)10-0751-06