張光輝　王茜+田言亮　嚴明疆+王威

摘要：冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水是當?shù)剞r(nóng)田灌溉的主要水源，已處于超采狀態(tài)。依據(jù)冀中山前平原不同農(nóng)業(yè)區(qū)長觀孔淺層地下水位動態(tài)監(jiān)測資料，對淺層地下水位響應(yīng)連年降水偏枯的變化規(guī)律進行了研究。結(jié)果表明：降水連年偏枯（少雨）時段的春灌期大規(guī)模集中開采淺層地下水，是冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位不斷下降的主要動因；春灌期農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位降幅與前一年和當年1月到6月降水量密切相關(guān)；當年降水量小于當?shù)囟嗄昶骄邓浚?284 mm）時，隨著降水量減小，農(nóng)業(yè)用水開采對淺層地下水位下降的影響增大；當年降水量大于當?shù)囟嗄昶骄邓坑绕浯笥?20 mm時，農(nóng)業(yè)用水開采對淺層地下水位下降的影響顯著減弱；合理調(diào)控農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水開采強度是緩解冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水超采情勢的重要舉措。

關(guān)鍵詞：淺層地下水；灌溉；超采；地下水位；干旱；春灌期；山前平原；農(nóng)業(yè)區(qū)

中圖分類號：P641.8；S273.4文獻標志碼：A

0引言

氣候干旱即降水連年偏枯（少雨），是加劇農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水開采強度（單位時間單位面積的開采量）的驅(qū)動力[12]。冀中山前平原是中國冬小麥、夏玉米作物的主要種植區(qū)和華北平原淺層地下水超采的主要分布區(qū)[34]。20世紀70年代以來，該平原降水偏枯的年份居多，尤其是連年少雨時有發(fā)生。自1991年以來至少發(fā)生過3期連續(xù)3年及以上的降水偏枯時段，加劇了該平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水超采程度，導(dǎo)致該區(qū)淺層地下水位不斷下降。因此，進一步認識冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位對連年少雨的響應(yīng)特征與可調(diào)控性，對于提高農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水可持續(xù)利用能力和緩解超采具有重要意義。

有關(guān)淺層地下水與農(nóng)業(yè)用水及降水之間關(guān)系的研究較多[57]。嚴明疆等研究了作物生長季節(jié)降水量及農(nóng)業(yè)用水開采量對淺層地下水變化的影響[8]；袁野等認為降水量對農(nóng)業(yè)用水開采量影響顯著，進而導(dǎo)致淺層地下水位明顯下降，農(nóng)業(yè)用水開采量變化對淺層地下水位影響的程度遠大于降水量變化的影響程度[9]；汪麗芳等研究發(fā)現(xiàn)每年3月以后隨著灌溉用水量的增加，淺層地下水位明顯下降 [10]；劉中培等研究認為，華北平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位下降不僅與灌溉農(nóng)業(yè)密切相關(guān)，而且與降水量年際變化有一定關(guān)系[11]；李新波等認為，集約化農(nóng)業(yè)活動對淺層地下水位下降的影響呈增大態(tài)勢[12]；王電龍等認為，氣候變化是石家莊平原區(qū)淺層地下水位不斷下降的重要影響因素[13]；袁再健等研究認為，河北平原農(nóng)田耗水對淺層地下水動態(tài)變化有明顯影響[14]；張光輝等認為，淺層地下水位下降不僅與灌溉農(nóng)業(yè)密切相關(guān)，還與降水量變化有關(guān)[1518]；劉燕等分別研究了農(nóng)業(yè)和生態(tài)區(qū)水資源承載力相關(guān)問題[1922]；彭致功等研究了農(nóng)業(yè)節(jié)水措施對淺層地下水的涵養(yǎng)作用[23]；周維博等對井渠灌區(qū)淺層地下水動態(tài)預(yù)報及灌溉入滲對淺層地下水的影響進行了研究[2425]；徐旭等模擬了區(qū)域尺度農(nóng)田水鹽動態(tài)[26]。但是，有關(guān)連年少雨對農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水超采的影響特征研究有所欠缺，需加強研究。本文依據(jù)冀中山前平原不同農(nóng)業(yè)區(qū)的長觀孔淺層地下水位動態(tài)監(jiān)測資料，側(cè)重研究了農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位對連年降水偏枯的響應(yīng)變化特征與機制。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于河北中部的太行山東麓山前平原，地處河北省保定—石家莊—邢臺—衡水一帶，面積123×104 km2。區(qū)內(nèi)第四系主要為沖洪積地層，第Ⅰ、Ⅱ含水層組（淺層地下水）以中粗砂、砂卵礫石層為主，含水層厚度30～70 m，底板埋深小于120 m，滲透系數(shù)為80～300 m·d-1。包氣帶厚度介于15～45 m之間，由粉細砂組成。區(qū)域淺層地下水流向為NW—SW向。區(qū)內(nèi)糧食作物播種面積占農(nóng)作物總播種面積的8127%，其中以小麥為主的夏糧作物面積占6823%。每年冬小麥灌溉用水量占全年農(nóng)業(yè)灌溉用水量的5148%，夏玉米灌溉用水量占2505%[1]。

研究區(qū)1956～2012年多年平均降水量為5284 mm，降水主要集中在每年的6月到9月，冬小麥生育期內(nèi)降水量不足全年的20%。自20世紀80年代以來，區(qū)內(nèi)絕大部分河流長期干涸，地表水資源十分匱乏，淺層地下水是當?shù)毓┧闹饕獊碓础＝?年來，該區(qū)淺層地下水開采量占當?shù)乜偣┧康?1.35%；在淺層地下水開采量中，農(nóng)業(yè)用水占當?shù)乜傞_采量的83.65%[1]。

研究區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模開采淺層地下水始于1972年，當年該平原區(qū)降水量為280.3 mm。1972年之前，該區(qū)平均開采機井密度不足每平方千米3眼，826%的區(qū)域淺層地下水位埋深小于10 m；現(xiàn)今平均機井密度為每平方千米13眼，最高達每平方千米22眼，淺層地下水位呈現(xiàn)區(qū)域性不斷下降趨勢（圖1）。

2材料與方法

選擇以小麥、玉米等糧食作物為主的區(qū)域作為重點研究區(qū)，考慮不同淺層地下水位埋深的影響，收集了1970年以來區(qū)內(nèi)國家級、省級農(nóng)田區(qū)長觀孔的淺層地下水位動態(tài)監(jiān)測資料以及1991年以來日監(jiān)測資料和同期降水等氣象資料。在典型農(nóng)業(yè)區(qū)建立9眼監(jiān)測孔，進行小時級的淺層地下水位動態(tài)智能長觀孔監(jiān)測，每3 h監(jiān)測一次，包括淺層地下水位、水溫和電導(dǎo)率等；在農(nóng)業(yè)集中灌溉期間還監(jiān)測灌溉用水的起止時間和淺層地下水開采量。

以農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位長觀孔監(jiān)測資料為基礎(chǔ)，應(yīng)用時間序列異變特征和趨勢分析方法，研究地下水位變化趨勢。利用1991年以來每5日監(jiān)測一次的動態(tài)資料，識別和分析降水連年偏枯時段、春灌期間及之后的淺層地下水位變化特征，重點分析灌溉期淺層地下水位降幅特征?；谛r級淺層地下水位監(jiān)測資料，以日為基本時間單元，研究春灌期淺層地下水位降幅對降水量變化的響應(yīng)特征，并用于驗證。

3近40年來淺層地下水位變化特征

從圖1（a）可以看出，自20世紀70年代以來，冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位呈現(xiàn)不斷下降趨勢，年均降幅083 m。只有1988～1990年（年降水量為6357～693.8 mm）和1995～1996年（年降水量為707.6～969.1 mm）出現(xiàn)流域性暴雨泛洪，上游水庫大量泄洪，區(qū)內(nèi)淺層地下水位出現(xiàn)普遍的大幅度上升，淺層地下水超采情勢從而得以緩解。圖1（b）表明，研究區(qū)淺層地下水位大幅下降主要發(fā)生在每年的春季小麥等作物大規(guī)模集中灌溉時期，其間淺層地下水位降幅明顯大于灌溉之后每年8月至次年2月的淺層地下水位升幅，進而導(dǎo)致研究區(qū)淺層地下水位呈現(xiàn)不斷下降趨勢。

4春灌期淺層地下水位降幅特征及與降水量之間的關(guān)系

4.1淺層地下水位變化特征

2008～2012年的每年3月15日至6月30日春灌期間，隨著1月至6月降水量的變化，河北柏鄉(xiāng)、趙縣和定興農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位響應(yīng)變化的日均降幅大于1.0 cm，都呈現(xiàn)春灌加劇農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水超采的特征。只有在降水明顯偏豐條件下，日均水位降幅才會小于1.0 cm。分布在不同農(nóng)業(yè)區(qū)的9眼監(jiān)測孔小時級淺層地下水位動態(tài)監(jiān)測結(jié)果與上述規(guī)律吻合；在2013年春灌期間，淺層地下水位都呈現(xiàn)每天厘米級的下降特征（表1、2）。

表1基于長觀孔監(jiān)測資料的2008～2012年春灌期淺層地下水位變化特征

Tab.1Variable Characteristics of Shallow Groundwater Level During Spring Irrigation Periods of 20082012 Based on Monitoring Data from Longtime Observation Hole

淺層地下水位特征值柏鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)區(qū)趙縣農(nóng)業(yè)區(qū)定興農(nóng)業(yè)區(qū)

2008年2009年2010年2011年2012年2008年2009年2010年2011年2012年2008年2009年2010年2011年2012年

水位/m初值68.8963.9465.7871.9072.8543.8044.1045.2048.0049.6012.4012.7012.1015.4016.85

終值69.6266.8871.5073.8173.9144.4046.5049.0049.9051.6014.1613.8515.5016.4017.15

時段水位差/m-0.73-2.94-5.72-1.91-1.06-0.56-2.43-3.79-1.95-1.99-1.76-1.15-3.40-1.00-0.30

時段日均水位降幅/（cm·d-1）0.692.775.401.801.000.532.293.581.841.881.661.083.210.940.28

1月至6月降水量/mm228.8111.849.393.3183.5210.1118.979.9121.2154.3336.5126.360.4131.9254.7

表2基于小時級長觀孔監(jiān)測資料的2013年春灌期

淺層地下水位變化特征

Tab.2Variable Characteristics of Shallow Groundwater

Level During Spring Irrigation Period of 2013 Based

on Monitoring Data at Onehour Interval from Longtime Observation Hole

淺層地下水位特征值新樂農(nóng)業(yè)區(qū)無極農(nóng)業(yè)區(qū)藁城農(nóng)業(yè)區(qū)正定農(nóng)業(yè)區(qū)

水位/m初值24.2224.6531.6847.23

終值25.7026.7333.7449.06

時段水位差/m-1.48-2.08-2.06-1.83

時段日均水位降幅/（cm·d-1）1.862.462.521.64

注：初值取自每年3月15日監(jiān)測數(shù)據(jù)，終值為每年6月30日監(jiān)測數(shù)據(jù)；2013年1月至6月研究區(qū)降水量為112.6 mm；研究區(qū)淺層地下水位初值平均為31.95 m，終值平均為33.81 m，時段水位差平均值為-1.86 m，時段日均水位降幅平均值為2.12 m。

4.2降水連年偏枯時段淺層地下水位變化特征

圖2是采用每年春灌之后的最低淺層地下水位和當年降水量資料編繪的，反映春灌及前一年降水量對農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位的影響特征。1991年以來曾出現(xiàn)過3期至少連續(xù)3年的降水偏枯期。降水偏枯期指年降水量小于1956～2012年多年平均降水量的時期。3個降水偏枯期分別為1991～1994年、1997～1999年和2002～2007年。這3個時期的農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位年降幅分別為1.66、3.14、1.23 m，明顯大于同一監(jiān)測孔在降水偏豐或平水期間（如2008～2011年）的淺層地下水位降幅（0.56 m）。

圖2連年降水偏枯時段春灌期最低淺層地下水位變化特征

Fig.2Variable Characteristics of the Lowest Shallow

Groundwater Level During Spring Irrigation Periods

of the Continuous Years with Less Rainfall

1970～2011年，研究區(qū)多年平均淺層地下水位降幅為每年0.83 m（圖2）。1991～1994年、1995～1997年和2002～2007年春灌期淺層地下水位平均降幅（春灌期初始淺層地下水位與灌溉后最低淺層地下水位之差的多年平均值）分別為262、355、128 m，是1970～2011年多年平均降幅的1.48～3.78倍，而降水偏豐的2008～2011年春灌期淺層地下水位降幅（0.98 m）與1970～2011年多年平均降幅趨近。這再次表明，降水偏枯條件下春灌期農(nóng)業(yè)大規(guī)模集中開采淺層地下水，是冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位加劇下降和超采的主要動因。

4.3淺層地下水位降幅與降水量之間的關(guān)系

降水連年偏枯，尤其是秋、冬、春季持續(xù)干旱，加之研究區(qū)地表水資源十分匱乏，淺層地下水是該區(qū)灌溉用水的主要水源，因此，淺層地下水開采強度必然隨氣候干旱的加劇而增大，淺層地下水位隨之大幅下降。從圖2中3個時段（1991～1994年、1997～1999年和2002～2007年）的每年春灌期之后最低淺層地下水位埋深變化趨勢來看，水位下降幅度與前一年和當年降水量有一定相關(guān)性。相對多年平均降水量，1991～1994年年均降水量減少94.5 mm，對應(yīng)時段的年均淺層地下水位降幅262 m；1997～1999年年均降水量減少158.7 mm，對應(yīng)時段的年均淺層地下水位降幅355 m；2002～2007年年均降水量減少871 mm，對應(yīng)時段的年均淺層地下水位降幅128 m。而2008～2011年年均降水量增加76.8 mm，對應(yīng)時段的年均淺層地下水位降幅減小為098 m。由此可見，降水量減少愈多，每年春灌期農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位下降幅度愈大。

從圖1可知，研究區(qū)淺層地下水已處于嚴重超采狀態(tài)，除非發(fā)生類似1996年8月的流域性特大暴雨洪水，淺層地下水位才會較大幅度上升。一般年份淺層地下水位都呈不斷下降狀態(tài)，1970～2011年淺層地下水位多年平均降幅為每年0.83 m[圖1（a）]。春灌期降水較少，農(nóng)業(yè)灌溉的開采量較大，每年淺層地下水位下降過程主要發(fā)生在該時期；春灌之后進入雨季，降水量和淺層地下水補給量都顯著增大，農(nóng)業(yè)用水開采量急劇減少，淺層地下水位上升，但是一般年份的淺層地下水位上升幅度都小于當年春灌期淺層地下水位下降幅度[圖1（b）]，從而呈現(xiàn)出淺層地下水位年際不斷下降的現(xiàn)象。在遭遇連年降水偏枯時段，例如1997年和1998年降水量分別比該區(qū)多年平均降水量少278.6 mm和181.1 mm，以至于次年春灌期淺層地下水位降幅明顯增大（圖2、3）。

圖3春灌期淺層地下水位降幅與年降水量之間的關(guān)系

Fig.3Relationship Between Decline Amplitude of

Shallow Groundwater Level and Annual Precipitation

During Spring Irrigation Periods

從圖3可知：當年降水量小于1956～2012年多年平均降水量（5284 mm）時，隨著降水量減小，農(nóng)業(yè)區(qū)春灌期淺層地下水位降幅增大；當年降水量大于多年平均降水量尤其是大于620 mm時，降水量變化對農(nóng)業(yè)區(qū)春灌期淺層地下水位降幅的影響明顯減小，尤其是每年1月至6月降水量的增加對區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)用水開采量的影響減少得更為明顯。每年1月至6月降水量顯著減少，也會加劇春灌期淺層地下水位下降的幅度（表1、2）。

5淺層地下水位下降動因與可調(diào)控性

5.1下降動因

冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水已處于超采狀態(tài)，20世紀70年代以來淺層地下水位呈現(xiàn)不斷下降趨勢，只是在每年春灌期之后，隨著降水量增多，淺層地下水位才會緩慢回升，至次年2月和3月升至最高水位，但低于春灌期之前的初始水位（圖1）。在以淺層地下水作為灌溉主要水源的40年中，只有1988年8月和1996年8月發(fā)生流域性暴雨洪水，至來年雨季，區(qū)內(nèi)淺層地下水位曾出現(xiàn)過顯著上升過程[圖1（a）]。由此可見，春灌期開采淺層地下水是加劇冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位不斷下降的主要動因。在圖1中，每年淺層地下水位下降幅度等于春灌期淺層地下水位降幅與春灌期之后雨季水位升幅的代數(shù)和，多年平均為0.83 m。如果1月至6月降水較多，或者7月至9月降水量顯著大于多年平均降水量，則由于春灌期農(nóng)業(yè)用水開采量明顯減少，或雨季及之后淺層地下水系統(tǒng)獲得的補給量明顯增大，該年份淺層地下水位下降幅度小于083 m，甚至明顯上升；如果1月至6月降水明顯偏少，或者7月至9月降水量顯著小于多年平均降水量，則由于春灌期農(nóng)業(yè)用水開采量明顯增大，或雨季及之后淺層地下水系統(tǒng)獲得的補給量明顯減少，該年份淺層地下水位下降幅度大于0.83 m。

從某一年的全年淺層地下水水量均衡角度來看，春灌期研究區(qū)降水量不足全年的20%，加之區(qū)內(nèi)主要河道長期干涸，冬小麥等作物灌溉用水只能大規(guī)模集中開采淺層地下水，造成春灌期單位面積淺層地下水排泄量（W1）為年內(nèi)日均最大值，遠大于多年平均日開采強度。同時，因干旱少雨，單位面積淺層地下水獲得的補給量（W2）為年內(nèi)最小值，甚至無補給，遠小于多年平均日補給量。源W2、匯W1從兩方面疊加影響，造成冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位系統(tǒng)為水量負均衡，結(jié)果必然是春灌期淺層地下水位降幅遠大于當年平均或多年平均水位降幅。另外，每年1月至6月研究區(qū)降水越少，氣候越干旱，農(nóng)田土壤墑情水分虧缺愈嚴重，導(dǎo)致春灌期單位面積淺層地下水排泄量增大的幅度越大，春灌期淺層地下水位降幅越大；每年1月至6月研究區(qū)降水越多，農(nóng)田土壤墑情水分虧缺愈輕，促使春灌期單位面積淺層地下水排泄量減小的幅度越大，春灌期淺層地下水位降幅越小。

5.2可調(diào)控性

氣候干旱、農(nóng)業(yè)用水開采量過大是冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水位不斷下降的主要因素。氣候干旱是人類無法調(diào)控的，農(nóng)業(yè)用水開采量則具有可調(diào)控性。對于因農(nóng)業(yè)用水開采量過大造成淺層地下水長期處于嚴重超采狀態(tài)的地區(qū)，調(diào)減高耗水作物種植面積，優(yōu)化耗水作物空間布局，降低農(nóng)業(yè)灌溉用水的淺層地下水開采強度，將是緩解農(nóng)業(yè)超采淺層地下水情勢的重要舉措。

對于農(nóng)業(yè)灌溉用水比較粗放，節(jié)水潛力較大的農(nóng)業(yè)區(qū)，應(yīng)合理應(yīng)用農(nóng)藝、生物和管理節(jié)水技術(shù)，在每年春灌期結(jié)合農(nóng)業(yè)氣象預(yù)報，科學(xué)適度延遲春灌，推廣高效節(jié)水灌溉，盡可能充分利用每年4月和5月的降水，降低淺層地下水開采強度，同時加強秋、冬季土壤墑情涵養(yǎng)和雨季雨洪地下水調(diào)蓄利用。

6結(jié)語

（1）冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)連年少雨干旱時有發(fā)生，春灌期開采淺層地下水已成為加劇淺層地下水位不斷下降的主要動因，尤其在降水連年偏枯時段的春灌期，農(nóng)業(yè)用水大規(guī)模集中開采加劇了淺層地下水超采情勢。

（2）當年降水量小于當?shù)囟嗄昶骄邓浚?284 mm）時，隨著降水量減少，春灌期農(nóng)業(yè)用水開采對冀中山前平原淺層地下水位下降的影響增大；當年降水量大于多年平均降水量尤其大于620 mm時，春灌期農(nóng)業(yè)用水開采對淺層地下水位下降的影響顯著減弱。

（3）通過合理調(diào)控農(nóng)業(yè)灌溉用水，降低淺層地下水開采強度，有利于緩解冀中山前平原農(nóng)業(yè)區(qū)淺層地下水超采情勢，提升淺層地下水資源的可持續(xù)利用。

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