华北地下水超采区粮食作物灌溉用水量及其节水潜力

王西琴　张馨月　陈浩

摘要：依据2018年620份农户问卷调研数据， 采用“以电折水”方法， 计算河北省小麦和玉米的灌溉用水量以及3个市的地区差异， 在此基础上， 与河北省灌溉水定额进行对比分析， 揭示其节水潜力。 结果显示， 调研地区小麦和玉米的灌溉水量分别为3 315.15 m3／hm2和2 477.85 m3／hm 沧州市献县、南皮县、邯郸市成安县、石家庄市元氏县等4个地区，具有明显的区域差异，上述3个市小麦、玉米灌溉水量分别介于2 828.25～3 631.80 m3／hm2，2 148.15～2 683.95 m3／hm2之间，成安县灌溉水量最高，其主要原因与灌溉次数有关，小麦和玉米灌溉次数分别为3.7次和2.75次，元氏縣灌溉水量最低，主要原因是土地规模化程度高，户均耕地面积在2 hm2以上的比例约10％。与河北省规定灌溉定额相比，小麦和玉米的节水潜力分别为765.15 m3／hm2和902.85 m3／hm2。

关键词：河北省；地下水灌区；灌溉用水量；以电折水；节水潜力

中图分类号：S－9

DOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2020－02－008

Irrigation water consumption and water－saving potential of food crops in groundwater over－exploitation areas in North China：Based on survey data of 620 households in Hebei Province

WANG Xiqin， ZHANG Xinyue， CHEN Hao

Abstract： According to the survey data of 620 rural households in 2018， this paper used the method of "electricity water reduction" to calculate the current irrigation water consumption of wheat and corn in Hebei Province. The article also analyzed regional differences in the four counties. The water consumption potential was compared with the irrigation water quota in Hebei Province. The results showed that the irrigation water volume of wheat and corn was 3 315.15m3／hm2 and 2 477.85m3／hm respectively，  there were obvious regional differences in four areas， such as Xian County， Nanpi County， Cheng′an County of Handan City and Yuanshi County of Shijiazhuang City. The irrigation water volume of the above three regions was between 2 828.25 m3／hm2 and 3 631.80 m3／hm2. The irrigation water volume of corn was between 2 148.15 m3／hm2 and 2 683.95 m3／hm2. The reason for the high amount of irrigation water in Cheng′an County was mainly related to the number of irrigation times. The irrigation times of wheat and corn were 3.7 and 2.75 times respectively. The reason for the low amount of irrigation water in Yuanshi County was mainly due to the high degree of land scale， and the highest proportion of cultivated land above 2 hm2 was 10％. Compared with the irrigation quota announced by Hebei Province， the water－saving potential of wheat and corn is 765.15 m3／hm2 and 902.85 m3／hm2 respectively.

Key words： Hebei Province； groundwater irrigation area； irrigation water consumption； electricity water reduction； the water－saving potential

华北地区农业灌溉以地下水为主，水资源极度短缺， 灌溉机电井约373.3万眼， 井灌面积1 066.67×103hm 占全国井灌面积的58.6％，已成为世界最大地下水漏斗区［1］。河北省是我国粮食主产区，2018年粮食产量3 700.9×104t，占全国粮食总产量的5.6％，河北省是水资源十分短缺的地区，人均水资源量和亩均水资源量均不足全国的十分之一。近年来，降水量呈现下降趋势，2017年仅为478.8 mm，比年平均降低了52.9 mm。虽然近年的农业用水量比例在下降，但仍然占总用水量的60％以上。地下水供水量占总供水量的比例呈现下降趋势，从2017年的63.8％下降到 2018年的58.19％，但仍然高于地表水。长期以来粮食生产与地下水超采之间的矛盾十分突出，2017年河北省地下水累计超采量达996.6×108m3，其中黑龙港地区地下水累计超采量已达533.2×108m3［2］。为了缓解地下水严重超采的局面，从国家和地方层面均出台了一系列的政策性文件， 2019年中央一号文件特别指出加强华北地区地下水超采综合治理，河北省先后出台了《河北省地下水超采综合治理五年实施计划（2018—2022年）》，确定到2022年，全省地下水压采量达到54×108m3以上，压采率达到90％以上，农村压采率达到86％以上。因此，减少地下水开采量是未来面临的严峻挑战，而地下水压采的主要部门是农业。河北省农业灌溉机井85.7万眼，其中地下水超采区农业灌溉机井占全省80％以上，配套安装计量设施的机井仅8万眼左右［3］，机井计量设施安装率不足10％。由于供水计量设施不完善，不能准确计量灌溉用水总量及地下水开采量。农户只知道用电量，并不知道灌溉水量，其结果不利于农户的节水。因此，评估灌溉水量，从而为节水提供科学依据，具有重要的现实意义。

近年来，有学者展开地下水利用地区的灌溉用水量研究，左燕霞以南水北调中线工程河北受水区为研究对象，依据2000年河北水利年鉴的统计数据，根据灌溉定额和灌溉面积，计算出受水区各种作物的灌溉用水量［4］，于法稳利用1997—2004年《中国统计年鉴》和《中国水资源公报》中的数据研究多年灌溉用水量［5］;金巍等采用核密度估计法，依据《中国农村统计年鉴》、《中国水资源公报》等宏观数据，计算河北省农业用水量［6］;杨旭洋等采用沧州市14个县典型地区冬小麦灌水试验数据，以67个地块样本为依据，得出管灌亩均用水量约为喷灌的1.2倍［7］，尚瑞朝等根据市水资源公报数据，采用定额法从供需平衡的视角对农田灌溉用水量进行研究［8］。上述研究大多采用统计数据或者宏观数据估算灌溉水量，而从微观角度研究较少。地下水灌区由于缺乏计量设施，灌溉水量一般通过以电折水方法估算，然而，由于折算系数受井深、水泵功率等因素的影响，灌溉水量估算成为地下水灌区的难点。本文以河北省沧州市、石家庄市和邯郸市的620份实地调研数据为依据，研究地下水灌区粮食作物的灌溉用水量，对比2016年河北省地方标准《用水定额》，分析粮食作物的节水潜力，为地下水管理提供依据。

1 研究区域概况

河北省地处华北平原北部，地跨北纬36′03′～42′40′，东经113′27′～119′50′，现辖11个地级行政市，地势西北高，东南低。沧州市地处河北省东南部，其黑龙港流域是严重的地下漏斗区之一，也是重点实施地下水压采项目的地区之一。石家庄市地处河北省中南部，市域跨太行山地和華北平原两大地貌单元。邯郸市位于河北省南端，以平原和山地丘陵区为主。河北省属于温带大陆性季风气候，年平均降水量为531.7 mm。2017年人均GDP为45 400元，低于全国平均水平，一、二、三次产业结构比为9.9∶48.4∶41.7，表现为以第二产业为主，城镇化率约55％，农村居民人均可支配收入12 881元，低于全国水平。调研地区人均耕地面积0.087 hm 低于全国0.097 hm2的平均标准，人均水资源183.97 m3／人，远低于全国2 074.50m3/人，粮食播种面积占农作物播种面积的比例高出全国11％～18％，高出河北省2％～10％，有效灌溉面积占耕地面积的比例高出全国约18％～36％，高出河北省1％～20％，由此可见，调研区以低于全国水平的人均耕地面积和人均水资源量，生产出了高于全国平均水平的粮食单产，表现出以粮食生产和灌溉农业为主的特征。调研区地下水资源量占水资源总量的90％，农业用水占总用水量的60％，其中62.3％为地下水。长期的水资源过度开发利用，地下水超采问题十分突出。

2 灌溉用水量计算

本文选择沧州市的南皮县、献县，邯郸市的成安县以及石家庄的元氏县作为调研地区，上述地区的灌溉方式以“小白龙”、地下管道管灌为主，少数采用滴灌、喷灌等节水灌溉技术。在问卷设计中主要按照分作物和分井深，设计了与用电量、灌溉成本、灌溉次数、灌溉水源、灌溉方式、计量设施等相关的问题，作为计算灌溉水量的主要依据。采用随机分层抽样的方式，每个县抽取6～10个乡镇，每个乡镇抽取2～6个村，每个村调研10～20个农户。

目前关于灌区灌溉用水量的测算方法主要针对地表水灌区，包括2大类：一是基于水循环过程的物理模型方法;二是基于监测数据的统计分析方法［9］。“以电折水”是目前井灌区灌溉用水量计算方法。该方法通过机井水泵灌溉的用电量与水电转换系数来测算灌溉用水，计算公式为

Aw=Tc×AE（1）

其中，Tc为水电转换系数，单位为m3／kW·h；Aw为出水量，单位为m3／hm2；AE为用电量，单位为kW·h／hm2。

“以电折水”计算方法的关键是转换系数的确定，本文水电转换系数的选取依据参考文献［10］，同时依据本课题调研问卷获得的不同地区深井与浅井的差异，确定水电转化系数。计算思路和步骤如下：①数据可信度分析。首先对问卷数据进行整理分析，剔除不合理的数据。按照县、乡（镇）、村的顺序对问卷进行五位数的编码，在733 份有效问卷中剔除了非井灌问卷，筛选出620份井灌区有效问卷。以关键参数为依据，按照问卷编码进行排序，对确定的关键参数分别绘制散点图，以识别由于数据录入或其他原因所导致的异常值。主要参数包括灌溉水源、灌溉次数、井深、灌溉用电及其单价等。②根据灌溉用电单价和灌溉电费总成本计算农户灌溉实际用电量。调研地区的机井有以下几种类型，村集体所有、村小组所有、农户个人所有等，机井权属不同，收取的电价有所差异，小麦灌溉用电单价介于0.66元／度～0.84元／度的范围内，玉米灌溉用电单价介于0.63元／度～0.87元／度（表2），小麦和玉米用电量分别介于1 087.8～2 017.65度／hm2，785.10～1 491.00度／hm2。③确定水电转换系数。根据GB／T50625－2010机井技术规范中对井深的划分，以及调研获取的部分移动式水表测定的数据，即在一定时间内一定出水量下瞬时用电，确定水电转换系数时本研究以150m为标准，划分深井和浅井。成安县深井比例为68.9％，平均井深为183.71m；献县深井占比83.6％，平均井深为243.42m；元氏县深井占比29.6％，平均井深为134.16m；南皮县深井占比54.9％，平均井深为137.28m。成安县和献县的小麦单位用电量偏高，分别为2 017.65度／hm2和1 860.15度／hm 玉米用电量分别为1 491.00度／hm2和1 193.40度／hm 根据深井与浅井比例，以及用电量特征，确定各地区的水电转换系数：成安县和献县为1.8，元氏县和南皮县为2.6，河北省总体平均转换系数为2.2。对比已有转换系数，成安县水电转换系数为1.38～2.46［10］，井深80～400m的水电转换系数为1.48～6.56［11］。本文转换系数在上述范围之内。④计算灌溉用水量。依据上述转换系数，根据公式（1）计算灌溉用水量。

按照上述步骤，得到调研地区灌溉用水量见表2。

计算结果呈现以下几个特点：

1）本文计算的实际灌溉用水量高于河北省灌溉定额标准。根据河北地方标准《用水定额》（2016），本文计算的小麦灌溉水量高出其定额范围428.25～1 381.80m3／hm 玉米灌溉水量高出定额541.20～1 183.95 m3／hm 成安县的计算结果与定额差距较大， 小麦和玉米差额分别为1 381.80m3／hm2和1 183.95m3／hm2。

2）小麦灌溉用水量普遍高于玉米用水量，计算结果显示4个地区小麦用水量为2 828.25～3 631.80 m3／hm 玉米用水量为2 041.20～2 683.95 m3／hm2。其主要原因是小麦生长期需要水分的时期正是降水量不足的时期，由此导致灌溉需求增加，灌溉次数增多。

3）灌溉用水量表现出明显的地区差异。成安县灌溉用水量最高，其次为南皮县、献县、元氏县，造成地区差异的原因主要有以下几点：①实行农业水价改革的地区灌溉用水量低于未实行农业水价改革的地区，元氏县水价改革的推行地区的比例为68.8％，而成安县、献县和南皮县水价改革推行地区比例分别为28.2％，3.6％和1.5％，远低于元氏县。农业水价改革的推行，增强了农户的节水意识，用水量较低。②灌溉次数对灌溉用水量正向影响大，但对作物产量影响不明显，从小麦灌溉次数上来看，成安县的小麦和玉米的灌溉次数最多，分别为3.7次和2.75次，而元氏县的灌溉次数不到2次。但从小麦单产的数值上来看，成安縣增加的灌溉次数并没有带来作物产量的显著增加，成安县小麦单位产量6 510kg／hm 低于元氏县6 8475kg／hm2。灌溉次数可能受灌溉方式和用水保障率等2个方面的影响，成安县是管灌普及率最高的一个地区，管灌比例达到了81.91％，灌溉的便利性增加了农户增加灌溉次数的可能性。从各区域的用水保障率衡量，近五年用水保障程度达到90％以上年份中，成安县仅为52％，元氏县达到83％，用水保障程度低使得农户无法主动选择灌溉时间，因此可能会选择在灌溉期间内增加灌溉次数，以保证粮食生产的需求。③土地规模化程度高在一定程度上降低了灌溉用水量，在土地流转面积超过2hm2以上的比例中，元氏县最高为36.4％，土地规模化程度高有利于进一步推行节水灌溉技术，从而有利于农业节水，减少灌溉用水量。④节水技术推行有助于减少灌溉用水量，问卷调研中所指的节水技术包括管灌、滴灌和喷灌等，由于受土地规模化程度低的限制，滴灌和喷灌只有少数种植大户采用，小农户主要采用管灌节水方式，成安县采用滴灌的比例为2.66％，高于其他地区。⑤电费单价对灌溉用水量有负向影响，各区域的小麦灌溉电费单价均值分别为：成安县0.77元／度，献县0.66元／度，元氏县0.84元／度，南皮县0.79元／度，对应各区域的灌溉用水量来看，单位电价越高的地区灌溉用水量偏低，也就是提高水价对农业节水有一定的促进作用，农业电价与农业灌溉用水量之间存在着负向弹性关系。

已有研究结果显示，河北省冬小麦和夏玉米的灌溉用水量分别为2 010.60m3／hm 1 348.95m3／hm2 ［4］， 沧州市小麦管灌的用水量为2 640m3／hm 喷灌的用水量为2 160m3／hm2 ［7］。本文的结果高于已有文献的研究结果。有学者利用1998—2010年的农业统计数据对河北平原冬小麦播种面积收缩及由此节省的水资源量估算，冬小麦灌溉用水量约为3 216.44 m3／hm2 ［12］，与本文结果较为相近。

3 节水潜力

农业节水潜力是保证在现有生产面积上产出农产品总量不变的基础上，通过各类节水技术措施的实施，使农田用水总量减少的数量。《全国水资源综合规划技术大纲》实施技术细则给出节水潜力的概念如下：以各部门、各行业（或作物）通过综合节水措施所达到的节水指标作为参考标准，现状用水水平与节水指标的差值即为最大可能节水数量。狭义节水潜力是在满足作物基础用水的条件下，通过各类节水工程技术措施的实施，现有的灌溉水量中直接减少的水量。广义的节水潜力是指非工程措施的实施，例如大田平整、地膜或秸秆覆盖、非充分灌溉、调整产业结构、微生物节水剂、稻田旱作和浅湿灌技术等措施的实施，在维持单位面积产量不变的基础上，能降低灌溉定额节约出一部分水量［13-14］。

以河北地方标准《用水定额》（2016）灌溉用水定额为节水标准，对比本文计算的灌溉用水量，计算节水潜力（表3）。结果为小麦的节水潜力介于428.25～1 381.80m3／hm2之间，玉米的节水潜力介于541.20～1 183.95m3／hm2之间（表3）。从作物类型上看，玉米的节水潜力大于小麦的节水潜力。从地区差异看，成安县的节水潜力最大，为2 565.75m3／hm 小麦和玉米的节水潜力分别为38.05％和44.11％，元氏县的节水潜力最小，小麦和玉米的节水潜力分别为15.14％和26.51％。

已有研究的节水潜力范围为185.10～466.35m3／hm2（表4），干旱年节水潜力为154.35m3／hm 平水年为308.40m3／hm 本文计算结果较高，约270～600 m3／hm2。

4 结 论

1）依据问卷调研数据，采用“以电折水“的方法计算了当前实际灌溉用水量，小麦、玉米分别为3 315.15 m3／hm2和2 477.85m3／hm 分别超过河北省《用水定额》（2016）标准428.25～1 381.80 m3／hm2，541.20～1 183.95 m3／hm2。揭示当前灌溉用水量较高的现实，也说明井灌区有节水潜力。

2）与灌溉定额比较，小麦和玉米的节水潜力分别为765.15m3／hm2，902.85m3／hm2。如果按照2018年河北省粮食播种面积计算，河北省小麦节水潜力约为17.63×108m3，玉米节水潜力约为28.81×108m3，粮食作物总节水潜力可达4 644×108m3，占河北省2018年农业用水量的38％。

3）地区的差异性揭示了灌溉用水量的多少与水价改革、机井现状、电价、土地规模化程度、灌溉次数、节水技术等均有着密切的关系。因此，建议进一步推广水价改革范围，在一定程度上提高机井的电价，减少灌溉次数，提高和扩大土地规模化程度，促进滴灌等节水技术的推广应用，对于减少灌溉用水量具有积极的作用。

4）本文采用问卷调研数据，区别井深的差异，确定了水电转化系数，正如前文所述，水电转换系数是以电折水的关键因素，水电转换系数的是否准确，直接影响灌溉用水量的计算结果的精确性。水电转换系数最为准确的是在特定的时段一井对应一个水电转换系数。因此，在现有阶段很难做到水电转换系数的准确性。因此，实际灌溉用水量随着水电转换系数的变化而呈现动态变化特征。此外，不同水文年对灌溉用水量的影响较大，本文仅依据2018年4～7月的调研数据，仅揭示这一阶段的灌溉用水量，有一定的局限性，希望今后在不断积累的基础上作进一步深入的研究。

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（编 辑 李 波）

收稿日期：2019－12－10

基金项目：水项目体污染控制与治理科技重大专项（2018ZX07111001）

作者简介：王西琴，女，陕西西安人，博士，教授，博士生导师，从事资源管理与环境经济研究。