石家庄地下水资源动态变化及农业灌溉优化

孙菊秋

(河北省秦皇岛水文水资源勘测局，河北 秦皇岛 066000)

据权威部门统计：我国华北地区水资源具有总量少、人均占有量偏低、降水量和径流量年内分布不均等特点，无论生活用水还是农业灌溉用水，地下水占主导地位(约70%以上)。石家庄作为华北地区典型的缺水型城市，其地下水开采程度连续多年超过120%，处于严重超采状态。大范围、高强度开采已经使京津冀广大地区的地下出现大面积降落漏斗，地下水水位逐步降低，对区域经济和社会的可持续发展造成了严重阻碍[1]。

1 研究区概况

石家庄地处河北省中南部，跨华北平原和太行山两大地貌单元，截止到2016年底，石家庄常住人口突破1049万，全市GDP完成5857.8亿元，综合经济实力在全国城市中排名第31位(河北省第2)，且农业生产条件较好，集约化和机械化水平较高，有“北方粮仓”之称[2]。石家庄地处平原地区这一自然条件决定了地下水是主要供水方式，目前多地出现地裂缝、塌陷、地下水水质变差等问题，本质原因还是超采严重[3]。分析石家庄地区地下水资源动态变化、制定合理的开采措施已经迫在眉睫。

2 地下水动态变化特征分析

2.1 石家庄水文地质条件分析

由于石家庄大部分人口和产业分布在占总面积的80%左右的平原区，因此本项目只针对平原区进行研究分析。根据石家庄平原区水文地质条件、地形、地貌等，可将平原区分为：西部山前冲积平原区、东部湖(冲)积平原区。

(1)西部山前冲积平原区水文地质

本区域含水层岩性以粗砂、卵石为主，厚度在100～250m之间，无稳定隔水层，单位涌水量在110～220m3/(h·m)，水质为HCO3Ca型水，水质良好。区域主要由沙河、磁河冲、洪积扇、槐河冲、洪积扇等组成，区域地层粒级粗大，多卵石分布，粘性土较少。

(2)东部湖(冲)积平原区水文地质

本区域含水层由西向东逐渐变薄，粒度逐渐变细，层次逐渐增多，富水性逐渐降低(上部最好，下部最差)。含水层结构复杂，层多且薄，厚度在150～250m之间，隔水层发育稳定，总体评价富水性较差。单位涌水量在50～100m3/(h·m)，水质为SO4HCO3NaMg、HCO3SO4Mg型水，矿化度大于1g/L，浅层水水质较差。

2.2 地下水补给、径流、排泄变化特征分析

2.2.1 补给变化分析

(1)降水补给变化

降水补给是浅层地下水的主要补给方式[4]，本项目统计了石家庄1970～2016年间降水量数据，如图1所示，其中蓝色为该年降水量大于平均量；橙色为该年降水量小于平均量。紫红色虚线为1970～1975年平均降水量；黑色虚线为1995～2000年平均降水量；红色虚线为2010～2016年平均降水量。

从图1可知：50年间石家庄地区干旱年出现的概率逐年增加，平均降水量也在逐步减少。降水入渗量除了受降水量影响外，还包括岩性及厚度、地形地貌、土壤含水量、植被面积等[5]。随着石家庄地区经济、人口快速发展，人为影响降水入渗量已经十分明显，即城区、乡镇等多地区道路和建筑覆盖面积增大，且排水渠道日益发达[4]。

图1 1970～2016年间石家庄平均降水量统计图

(2)灌溉回渗补给变化

灌溉回渗补给量较少，且每年大规模灌溉总天数在30～50d[5]。随着喷灌、滴灌技术的发展，漫灌已经被逐步淘汰，因此耕地回渗补给量忽略不计，灌溉回渗量主要是渠道补给[6]。但随着石家庄广大农村地区建设水渠，其节水防渗能力大大增加，回渗量锐减。

2.2.2 径流变化分析

石家庄地域内的主要河流有：沙河、磁河、滹沱河等，其中发育于山西省的滹沱河水量最大。但自20世纪90年代以来，我国各省市兴建水利工程，滹沱河上游水资源大部分被沿河蓄水工程拦下，造成河道频繁干枯，总径流量以年均7.5%的速度下降。且由于沿河各地区开垦种植、灌溉用水的不断增加，造成河道流量锐减，地表径流补给地下水作用也大大减小。

2.2.3 排泄条件变化

石家庄平原区地下水的排泄方式主要有蒸发排泄、人工开采、河道排泄三种形式，其中蒸发排泄量从20世纪80年代开始以年均2.1%的速度增加，而人工开采是地下水的主要排泄方式，2015年石家庄地区共开采地下水2.6亿m3，由于人为影响，目前石家庄地下水水位以2m/a的速度降低。

2.3 地下水动态流向变化特征分析

经地质调查，石家庄地区地下水漏斗形成于20世纪70年代，分为形成、发展、稳定三个阶段，与降水量有较大关系，见表1。地质调查表明：石家庄地下水漏斗中心位于山前距离16km左右，如图2所示，且进入新世纪后，漏斗范围增大较快。地下水漏斗的形成极大地影响了地下水流向，目前西部和中部的地下水流向东偏南，东部地下水流向为东。由统计数据得，目前石家庄地下水降落漏洞中心水位埋深及面积呈幂函数减小。

根据地下水矿化度等值线图分析：石家庄平原区地下水自西向东、由浅至深年龄逐渐增加，矿化度也逐步增加，这就代表总体走向为自西向东，总体流向为渤海方向。

表1 降水量与漏斗中心水位埋深及面积变化情况

图2 石家庄地下水漏斗中心

3 石家庄地区农业灌溉优化

经统计，超过70%的被开采地下水用于石家庄农村地区灌溉用水，所以减少灌溉用水是降低地下水超采的重要措施[7]。但如果大规模严格限制地下水开采则会严重影响农民经济收入，因此优化农业种植结构成为两者兼顾的必要途径之一[8]。本文以2015年灌溉用水为标准，在此基础上分别压缩10%、15%、20%，以此来对种植结构进行优化[9]。

3.1 模型建立

将石家庄地区主要作物：稻谷(x1)、玉米(x2)、小麦(x3)、棉花(x4)、大豆(x5)、蔬菜(x6)、水果(x7)为决策变量，以最大灌溉水量Q为约束条件，计算公式如下[10]：式中，SumQ—最大灌溉用水量；Xi—各类作物种植面积；Zi—各类作物每亩需水量。

(1)

3.2 优化结果分析

(1)压缩10%灌溉用水

玉米和小麦种植面积增大，可增加经济效益，稻谷不建议种植(需水量大，经济效益小)，经济作物中棉花可大力发展，适当降低水果和蔬菜种植面积[11]。

(2)压缩15%灌溉用水

玉米种植面积为约束面积，小麦种植减少，稻谷不建议种植，棉花种植面积加大，水果和蔬菜种植面积大幅度降低。

(3)压缩20%灌溉用水

玉米种植面积为约束面积，小麦种植大大减少(30%以上)，稻谷不建议种植。棉花作为经济作物大力普及，水果和蔬菜不建议种植，经济效益差且人力成本较大。

4 结语

地下水对于区域经济发展至关重要，研究分析其动态变化对于制定开采方案和节水措施有着极大影响。通过对近50年石家庄降水量及地下水水位变化分析，得出该地区地下水开采量远大于补给量，应优化产业种植。地下水资源对于我国北方地区经济发展意义重大，各地区必须尽快采取积极有效措施进行治理。本文只是针对石家庄地区进行了分析研究，而每个地区都会有其独有特点，因此在设计节水方案时应结合当地实际条件，做到“因地制宜”，不可盲目照搬其他地区的成功经验。