黑河中游耕地变化与节水灌溉对地表耗水与地下水的影响

摘 要：为探究黑河中游耕地面积变化与节水灌溉影响下地表水耗水及地下水动态演变特征，基于１９８５—２０２２ 年黑河莺落峡、正义峡水文站实测径流量月数据和中游地区４９ 眼地下水观测井埋深月数据，结合对节水灌溉的实地调研结果，利用统计分析等方法，分析了地表水耗水和地下水埋深对耕地面积变化与节水灌溉的响应。结果表明：耕地面积变化、节水灌溉和水量统一调度多重影响下，黑河中游地表水耗水量略有下降；黑河中游地下水埋深总体呈增大趋势，扩耕较大的大满灌区东南部与东北部及友联灌区中部地下水埋深明显增大；不同灌溉方式对地下水埋深也有较大影响，河灌区地下水埋深随地表水入渗补给量变化，井灌区和混灌区地下水埋深随地下水开采量变化。

关键词：地表水耗水；地下水埋深；耕地面积变化；节水灌溉；黑河中游

中图分类号：Ｐ６４１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０８．０１９

引用格式：张震域，唐娜，吴彦昭，等．黑河中游耕地变化与节水灌溉对地表耗水与地下水的影响［Ｊ］．人民黄河，２０２４，４６（８）：１０４－１０９．

近年来，我国耕地开发向西部转移，在全国耕地面积持续减少的情况下，西北干旱区黑河流域中游耕地面积具有逆向变化的特点［１］ ，１９８５—２０２２ 年黑河中游耕地面积以１ ５００ ｈｍ２ ／ ａ 的速度扩张［２］ 。黑河中游集中了黑河流域９０％以上的人口和耕地［３］ ，是我国第一个节水型社会建设试点地区。黑河中游灌区灌溉是该地区用水主体，长期占有９０％以上的用水份额［４］ ，对区域水资源管理非常重要。黑河流域于２０００ 年开始实施水量统一调度，限制地表水引取，随着中游扩耕与节水灌溉政策的逐步实施，地表水耗水与地下水埋深发生了变化。研究该区域地表水耗水、地下水动态变化，对灌区水资源合理分配、黑河中游农业可持续发展具有重要意义。

诸多学者从不同角度对不同区域地表水、地下水动态变化及分布进行了研究。闫佰忠等［５］ 以年降水量、地下水开采量、人口、ＧＤＰ 等数据为基础，探究了石家庄滹沱河山前冲洪积扇地下水动态演变特征及其影响机制；杨舒雅等［６］ 采用地统计学理论分析了深度节水改造后沈乌灌区地下水动态变化，研究表明节水后区域地下水埋深增大；张小清等［７］ 通过分析塔里木河不同时段的耗水情况，提出了该地区的水量分配策略；李江等［８］ 基于景观单元对黑河中游地下水位变化进行了研究；米丽娜等［９］ 通过１９８５—２０１３ 年黑河中游地下水位动态变化研究，指出黑河中游地下水系统处于严重负均衡状态；刘芬等［１０］ 分析张掖盆地地表水－地下水系统同位素特征发现，绿洲农田灌溉严重影响地下水与河水之间的转换，导致地下水补给地表水增加；冯嘉兴等［１１］ 探究了黑河地下水环境变化及其成因，指出出山径流量与人类活动是地下水变化的重要影响因子。

有关学者分析了土地利用［１２－１３］ 、流域调水［１４］ 等对黑河中游径流的影响，不同灌溉方式［１５］ 、社会经济和人类活动［１６］ 、水利工程运行［１７］ 等对黑河中游地下水埋深的影响。本文基于统计分析等方法， 利用１９８５—２０２２ 年黑河中游地表径流、地下水埋深、耕地面积等数据，结合节水措施实地调研结果，研究黑河中游地表水耗水和地下水埋深时空变化规律，以期为黑河水资源优化配置和黑河中游农业可持续发展提供技术支撑。

１ 研究区概况

本研究区域位于甘肃河西走廊中部黑河流域中游，行政区划包括张掖市甘州区、临泽县和高台县。研究区南部为祁连山区，海拔１ ８００～２ ３００ ｍ；北部为黑河沿岸龙首、合黎山地，海拔１ ４００～１ ５００ ｍ。黑河中游属温带大陆性干旱气候区，多年平均降水量约１４０ｍｍ，多年平均水面蒸发量约２ ０５０ ｍｍ。黑河中游灌区主要沿黑河干流和支流梨园河分布，本次主要分析黑河和梨园河涉及的灌溉区域，共有１３ 个大中型灌区，见图１。黑河中游灌区灌溉方式较为复杂，有井灌区、河灌区和井河混灌区等多种灌溉方式，如：盈科灌区南部为河灌区，北部为井河混灌区；大满灌区以河灌为主，井灌为辅；鸭暖灌区、平川灌区在高效节水实施前采用衬砌渠道地表水漫灌方式，高效节水实施后，在地表水引水量不足的情况下采用地下水滴灌方式补充灌溉。地下水较地表水易于净化，除了取地表水便利的区域，大多数高效节水灌溉水源为地下水。黑河中游地区地下水的主要排泄途径是扇缘泉水溢出、潜水蒸发及向黑河排泄，主要补给源为河水渗漏、山前侧向补给、平原区降水补给以及灌溉入渗补给等。

２ 数据来源与研究方法

基于Ｙａｎｇ 等［２］ 构建的年度中国土地覆盖数据集（ＣＬＣＤ），利用ＡｒｃＧＩＳ Ｐｒｏ 提取研究区１９８５—２０２２ 年逐年耕地面积数据，并将提取结果进行统计、汇总。水文数据包括１９８５—２０２２ 年莺落峡、正义峡水文站地表径流量月数据和４９ 眼地下水观测井的地下水埋深月数据，均来自甘肃省水文站。

耕地灌溉节水情况来源于《甘肃省水资源公报》《张掖市高标准农田建设规划（２０２１—２０３０ 年）》和文献资料［１８－１９］ ，并通过实地调查、与农户访谈等方式获得灌溉水源、灌溉方式、节水实施时间等信息。至２００９ 年《黑河流域近期治理规划》（以下简称《近期治理》）项目逐步完成，黑河中游主要实施项目为渠系衬砌和少量高效节水，限于当时灌溉技术不成熟和群众观念落后，大部分高效节水项目无法运行。２０１１ 年后，随着黑河中游河西走廊高效节水灌溉示范区建设全面启动，高效节水得到了长足发展，２０１２—２０１８ 年黑河中游地区建设高效节水灌溉面积５．７８ 万ｈｍ２，其中滴灌占比６７．７７％，其余为管灌和喷灌。２０１９ 年农业农村部组织实施高标准农田建设，进行平田整地和规模化节水灌溉。

采用Ｅｘｃｅｌ 和Ａｒｃｇｉｓ Ｐｒｏ 软件进行遥感数据提取分析和地表径流、地下水埋深数据整理分析，利用Ａｒｃ⁃ＧＩＳ Ｐｒｏ 软件地统计模块的反距离插值法（ＩＤＷ）绘制地下水埋深空间分布图。

为全面分析黑河中游耕地面积变化、节水灌溉发展对地表水耗水、地下水的影响，综合黑河水量统一调度时间和灌区灌溉水平发展情况划定分析时段，共划分为１９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年３个时段： １９８５—１９９９ 年为黑河水量统一调度前；２０００—２０１０ 年为《近期治理》工程实施完成阶段，其中２０００ 年开始实施黑河水量统一调度，２００１ 年开始实施流域《近期治理》工程，至２００９ 年逐步实施完成；２０１１—２０２２ 年为逐步实施高效节水阶段。

３ 结果与分析

３．１ 黑河中游灌区耕地面积变化情况

１９８５ 年以来黑河中游１３ 个灌区耕地面积总体处于增加趋势，由１９８５ 年的１７．１９８ 万ｈｍ２ 增加到２０２２年的２２．８８７ 万ｈｍ２，增幅为３３．０８％。黑河中游各个县区灌溉面积大多增大，其中：耕地面积增加最多的为甘州区，１９８５—２０２２ 年增加耕地约２．５０５ 万ｈｍ２，增幅２５．５８％，主要集中在大满灌区，离河道较远的荒草地、未利用地也逐渐被开垦为耕地；其次为临泽县，增加耕地约１．６２５ 万ｈｍ２，增幅３８．２％，主要集中在鸭暖灌区和梨园河灌区；高台县耕地面积增加最少，为１．５７８ 万ｈｍ２，增幅５０．４２％，主要集中在友联灌区；中游只有盈科灌区灌溉面积有所减少，是城市和湿地扩展挤占耕地所致。

与１９８５ 年相比，１９９９ 年耕地面积增幅为２．５７％，１９８５—１９９９ 年处于黑河水量统一调度和《近期治理》实施前，灌区灌溉采用漫灌方式，耕地面积缓慢增加，增速为２９３ ｈｍ２ ／ ａ；２０００—２０１０ 年耕地面积增幅为１２．９２％，该时段《近期治理》工程逐渐完成，灌区渠系进行了大规模衬砌，灌溉条件提升，黑河中游荒草地、未利用地不断被开发为耕地，灌溉面积显著增加，增速为２ ２０７ ｈｍ２ ／ ａ； ２０１１—２０２２ 年耕地面积增幅为１１．１％，该时段随着中游节水型社会建设和高效节水农业逐步发展，灌溉技术和农业生产力明显提升，大片荒草地、未利用地被开垦为耕地，耕地面积明显增加，增速为１ ９０７ ｈｍ２ ／ ａ。

３．２ 黑河中游地表水耗水量变化情况

除梨园河外，黑河中游基本无区间地表径流加入，梨园河为梨园河灌区、沙河灌区供水，部分水量入黑河干流。莺落峡、正义峡水文站之间的径流量差值基本可以反映研究区地表水耗水量。１９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年黑河中游年均地表水耗水量分别为７．７３ 亿、７．６２ 亿、７．１６ 亿ｍ３。总量上，黑河中游地表水耗水量自水量统一调度后略有下降，见图２。

黑河中游地区地表水耗水量占莺落峡径流量比例呈现明显下降趋势。１９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年黑河中游地区地表水耗水量占莺落峡径流量比例的均值分别为４８．１９％、４４．０７％、３５．４３％。２０１４—２０２０ 年莺落峡径流量均超过２０ 亿ｍ３，中游地表水耗水量占莺落峡径流量比例不到４０％，２０１８—２０２２ 年平均地表水耗水量占莺落峡径流量的３２．２９％。

年均地表水耗水量并没有随扩耕而增大。黑河中游地区２０２２ 年耕地面积较２０００ 年增幅２８．８１％，而２０２２ 年黑河中游区间地表水耗水量较２０００ 年减小２．９９亿ｍ３，降幅为３７．２６％。随着灌溉面积的增加，区间地表水耗水量有所减少的原因在于：一是实施《近期治理》工程、高效节水灌溉措施，提高了研究区农业水资源利用效率；二是黑河水量统一调度限制了黑河中游地区地表水引水量。另外，新增耕地配套渠系投资较大，除少量在现有渠道末端新增的耕地外，大部分新增耕地主要依靠增加地下水灌溉，与黑河干流地表水关系较小。

３．３ 地下水埋深变化分析

３．３．１ 地下水埋深动态变化情况

以耕地面积变化较明显的灌区为基础，考虑地下水观测井与河道的距离及数据序列的完整性，选取黑河中游５、１５、１７、２２、２４、３３、４８ 号共７ 眼地下水观测井分析黑河中游地下水埋深的变化情况，见图３。

分阶段来看， １９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年地下水埋深增速分别为０．１４、０．０４、０．２６ｍ／ ａ。２０１１—２０２２ 年地下水埋深均值较１９８５—１９９９年增大８８．０１％，最大埋深增大１５．４３ ｍ，最小埋深增大０．４１ ｍ，地下水埋深随中游扩耕和节水灌溉措施的实施而增大。２０００—２０１０ 年黑河中游地下水埋深出现两种变化趋势：耕地扩张区域的大满灌区东南部和友联灌区中部地下水埋深持续增大，增大均值为３．０６ ｍ，原因是扩耕和中游限制引水导致大量开采地下水灌溉；黑河干流沿岸区域、离湿地较近区域地下水埋深减小，减小约１ ｍ，这与米丽娜等［９］ 的研究结果一致。

随距河岸距离的增加，地下水埋深增大。１９８５—２０２２ 年，距离河道远且近年周边耕地扩张的２２ 号观测井地下水埋深显著增大；距离河道较远且在原有耕地范围的５ 号观测井地下水埋深明显增大；３３ 号观测井位于河汊内原有耕地范围内，地下水埋深变幅最小。２０１７ 年之后，５、１５、１７、２４、３３、４８ 号观测井地下水埋深突增，可能是近几年实施大规模平田整地、高标准农田建设所致。

研究区典型年份地下水埋深分布见图４，甘州区大满灌区东南边缘灌域地下水埋深较大，达６５ ｍ；高台县友联灌区（井灌较多）在扩耕和节水灌溉的双重影响下产生地下水降落漏斗，２０２２ 年漏斗中心地下水埋深较２０１１ 年增大了１５ ｍ 左右；临泽县板桥、平川灌区处于河道转向地带，主要采用河水灌溉，灌溉水补给地下水，地下水埋深普遍较小。扩耕面积最大的甘州区，除盈科灌区北部（泉水溢出带、混灌区）外，其余扩耕地区和采取河水滴灌区域地下水埋深增大，原因是实施高效节水灌溉措施后，地表水补给地下水减少，以及因限制地表引水而大量开采地下水所致。大满灌区１９８９ 年地表水引水量为１．９５ 亿ｍ３，２０２１ 年为１．２０亿ｍ３，减少了０．７５ 亿ｍ３，相应地，地下水开采量由０．０３亿ｍ３ 增加到０．８７ 亿ｍ３，增加了０．８４ 亿ｍ３。盈科灌区南部２０００ 年、２０２１ 年地表水引水量分别为２．１７亿、０．４７ 亿ｍ３，减小幅度为７８．３４％；地下水开采量分别为１．０３ 亿、０．５２ 亿ｍ３，减小幅度为４９．５１％，在大量耕地被建设用地挤占和灌区引水量减小的背景下，盈科灌区自２０００ 年以后１３ ｍ 以上地下水埋深区域却显著增加，这可能是地表水补给地下水量减小所致。

３．３．２ 不同灌溉方式下地下水埋深变化情况

１）河灌区地下水埋深变化。选择５、８、１３、１６、１８号等１６ 眼位于河灌区的观测井，分析河灌区地下水埋深变化。河灌区年内地下水埋深变幅不大，年内地下水埋深变幅最大为０．３５ ｍ。１９８５—２０２２ 年河灌区年均地下水埋深整体呈增大趋势，见图５（ａ）。１９９９—２０１０ 年地下水埋深增速为０．０３ ｍ／ ａ，２０１１—２０２２ 年地下水埋深增速为０．０５ ｍ／ ａ。３３ 号观测井为河灌区的典型井，离扩耕区较远，周边耕地２０１６ 年之前为地表水漫灌，之后为地表水滴灌。２０１６ 年之前地下水埋深变幅不大，呈稳定状态，１９８５—２０１６ 年地下水埋深增速小于０．０１ ｍ／ ａ；２０１６—２０２２ 年地下水埋深增速为０．２０ｍ／ ａ，高效节水后地表水补给地下水量减少，地下水埋深增大。典型年３３ 号观测井地下水埋深见图５（ｂ）。

２）井灌区地下水埋深变化。选择６、９、１４、１７、１９号等１３ 眼位于井灌区的观测井，分析井灌区年内地下水埋深变化。井灌区年内地下水埋深变幅较大，年内变幅均值为１．４７ ｍ，年内地下水埋深最大值的均值为９．２９ ｍ，出现在灌溉用水高峰期８ 月；地下水埋深最小值的均值为７．８２ ｍ，出现在非灌溉期及冬灌结束的２月。１９８５—２０２２ 年井灌区地下水埋深整体呈增大趋势，见图６（ａ）。目前依然存在开采地下水灌溉的漫灌区，主要分布在离河道较远的区域。９ 号观测井为井灌区的典型井，处于非扩耕区域，２０１０ 年开始采取地下水滴灌，主要种植蔬菜且全年多轮次灌溉，１９８５—１９９９ 年周边耕地为地下水漫灌，抽取水量大，该阶段地下水埋深增大；２０００ 年后随着《近期治理》和高效节水实施，地下水开采量减少，地下水埋深有所减小，见图６（ｂ）。

３）混灌区地下水埋深变化。选择１０、１１、４１ 号３眼位于混灌区的观测井，分析混灌区地下水埋深变化。１０、１１ 号观测井处于黑河中游中段，距离河道均约１．５ｋｍ，周边耕地采取以地表水灌溉为主、地下水灌溉为辅的灌溉方式，年内地下水埋深基本处于稳定状态，１９８５ 年、１９９９ 年、２０１０ 年、２０２２ 年年内地下水埋深变幅均值分别为０．８１、０．２０、０．２９、０．４４ ｍ；１９８５—２０２２ 年３０ 多ａ 地下水埋深均值增大０．８１ ｍ，见图７（ａ）。４１号观测井处于原有耕地区与扩耕区过渡带，距离河道约２１ ｋｍ，年内地下水埋深基本处于稳定状态；１９８５—２０２２ 年地下水埋深持续增大，１９８５—１９９９ 年地下水埋深增速为０．４１ ｍ／ ａ，２０００ 年后黑河中游地区限制地表引水及扩耕后，在地表水供水不足的情况下，加大地下水开采量补充灌溉，１９９９—２０１０ 年地下水埋深增速为０．８５ ｍ／ ａ，见图７（ｂ）。

４ 结论

耕地面积和灌溉方式变化会引起灌溉用水量变化，进而影响灌区地表水耗水量和地下水埋深。自２０００ 年黑河水资源统一管理和水量统一调度后，黑河中游灌溉面积持续扩大，扩耕范围主要位于绿洲边缘与荒草地、未利用地交界区域。在耕地变化、高效节水及水量统一调度多重影响下，黑河中游地表水耗水量略有下降。黑河中游地下水埋深总体呈增大趋势，地下水埋深变化具有明显阶段性，扩耕较大的大满灌区东南部与东北部及友联灌区中部地下水埋深明显增大；不同灌溉方式对地下水埋深也有较大影响，河灌区地下水埋深随地表水入渗补给量变化，井灌区和混灌区地下水埋深随地下水开采量变化。

参考文献：

［１］ 刘纪远，宁佳，匡文慧，等．２０１０—２０１５ 年中国土地利用变化

的时空格局与新特征［Ｊ］．地理学报，２０１８，７３（５）：７８９－８０２．

［２］ ＹＡＮＧ Ｊｉｅ，ＨＵＡＮＧ Ｘｉｎ．Ｔｈｅ ３０ ｍ Ａｎｎｕａｌ Ｌａｎｄ Ｃｏｖｅｒ Ｄａｔａｓｅｔ

ａｎｄ Ｉｔｓ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｉｎ Ｃｈｉｎａ ｆｒｏｍ １９９０ ｔｏ ２０１９ ［Ｊ］． Ｅａｒｔｈ

Ｓｙｓｔｅｍ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄａｔａ，２０２１，１３（８）：３９０７－３９２５．

［３］ ＬＩＵ Ｘｉｎｇｒａｎ，ＳＨＥＮ Ｙａｎｊｕｎ．Ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ

Ｃｌｉｍａｔｅ Ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ Ｈｕｍａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ａｃｔｉｖｉｔｉｅｓ ｏｎ Ｏａｓｉｓ

Ｗａｔｅｒ Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ａｎ Ａｒｉｄ Ｒｅｇｉｏｎ：Ａ Ｃａｓｅ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ

Ｈｅｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ，Ｃｈｉｎａ［Ｊ］．Ｅａｒｔｈ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，２０１８，

９（１）：２１１－２２５．

［４］ ＬＩ Ｊｉａｎｇ，ＭＡＯ Ｘｉａｏｍｉｎ，ＳＨＡＮＧ Ｓｏｎｇｈａｏ，ｅｔ ａｌ． Ｍｏｄｅｌｉｎｇ

Ｒｅｇｉｏｎａｌ Ｓｏｉｌ Ｗａｔｅｒ Ｂａｌａｎｃｅ ｉｎ Ｆａｒｍｌａｎｄ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｄｄｌｅ Ｒｅａ⁃

ｃｈｅｓ ｏｆ Ｈｅｉｈｅ Ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ［Ｊ］．Ｗａｔｅｒ，２０１７，９（１１）：８４７．

［５］ 闫佰忠，盖俊百，王昕洲，等．石家庄滹沱河山前冲洪积扇

地下水位动态演变特征及影响机制［Ｊ］．吉林大学学报

（地球科学版），２０２３，５３（６）：１８８０－１８９１．

［６］ 杨舒雅，史海滨，苗庆丰，等．沈乌灌域深度节水改造前后

地下水环境时空变化规律［Ｊ］．水土保持学报，２０２３，３７

（６）：１７０－１７９．

［７］ 张小清，桂东伟，李丽君．塔里木河干流水资源分配现状

及其利用问题［Ｊ］．干旱区地理，２０１８，４１（２）：２４８－２５４．

［８］ 李江，郝新梅，范琳琳，等．黑河中游绿洲地下水位空间变

异性研究［Ｊ］．水力发电学报，２０１５，３４（１１）：１０６－１１５．

［９］ 米丽娜，肖洪浪，朱文婧，等．１９８５—２０１３ 年黑河中游流域

地下水位动态变化特征［Ｊ］．冰川冻土，２０１５，３７（２）：

４６１－４６９．

［１０］ 刘芬，王水献，蓝永超，等．黑河流域张掖盆地地表水－地

下水系统同位素特征及转化关系［Ｊ］．南水北调与水利

科技，２０１４，１２（２）：９２－９６．

［１１］ 冯嘉兴，蒙琪，王茜．黑河干流中游地区近４０ 年来地下

水环境变化特征及其成因［Ｊ］．西北地质，２０２３，５６（４）：

２４３－２５３．

［１２］ 孟宝，张勃，张华，等．黑河中游张掖市土地利用／ 覆盖变

化的水文水资源效应分析［Ｊ］． 干旱区资源与环境，

２００６，２０（３）：９４－９９．

［１３］ 王雅，蒙吉军．基于ＩｎＶＥＳＴ 模型的黑河中游土地利用变

化水文效应时空分析［Ｊ］．北京大学学报（自然科学版），

２０１５，５１（６）：１１５７－１１６５．

［１４］ 胡广录，陶虎，焦娇，等．黑河中游正义峡径流变化趋势

及归因分析［Ｊ］．干旱区研究，２０２３，４０（９）：１４１４－１４２４．

［１５］ 崔虎群，李文鹏，康卫东，等．黑河中游不同灌溉方式下

地下水入渗补给特征研究［Ｊ］． 水文地质工程地质，

２０２２，４９（３）：２２－２８．

［１６］ 蔡树香，蔡文元．张掖市甘州区地下水变化特征分析

［Ｊ］．地下水，２０２２，４４（４）：７６－７７，８２．

［１７］ 曹娜，童少青，符韵梅．黄藏寺水利枢纽对张掖盆地地下

水影响研究［Ｊ］．人民黄河，２０１７，３９（６）：６３－６７，７１．

［１８］ 马文斌，唐德善，朱春江．黑河调水及节水改造工程对中

游地区地下水位的影响：以张掖市甘州区为例［Ｊ］．干旱

区资源与环境，２００７，２１（１１）：１３－１６．

［１９］ 罗玉丽，李清杰，张霞．黑河干流中游灌区节水改造效果

分析［Ｊ］．节水灌溉，２００５（６）：４０－４２．

【责任编辑 吕艳梅】