劉海若，白美健，劉群昌，劉洪玲

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2.山東省濱州市簸箕李引黃灌溉管理局，251700，濱州）

華北井灌區(qū)地下水水位變化現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)措施建議

劉海若1，白美健1，劉群昌1，劉洪玲2

（1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，100048，北京；2.山東省濱州市簸箕李引黃灌溉管理局，251700，濱州）

地下水是華北井灌區(qū)的重要水源。圍繞華北井灌區(qū)地下水水位變化特征，國(guó)內(nèi)學(xué)者開展了大量研究工作。在查閱相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，歸納分析了華北井灌區(qū)地下水水位時(shí)空變化規(guī)律及降水、農(nóng)田灌溉對(duì)其產(chǎn)生的影響。針對(duì)華北井灌區(qū)地下水利用現(xiàn)狀中存在的問題，提出了遏制地下水水位持續(xù)下降的對(duì)策和建議，包括充分利用汛期降雨回補(bǔ)地下水、合理確定作物種植強(qiáng)度和種植結(jié)構(gòu)、因地制宜選擇節(jié)水灌溉模式、建立地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為最嚴(yán)格水資源管理制度的實(shí)施提供技術(shù)支撐。

華北井灌區(qū)；地下水水位變化；時(shí)空分布；應(yīng)對(duì)措施

華北井灌區(qū)是我國(guó)重要的糧食和蔬菜生產(chǎn)基地，農(nóng)業(yè)灌溉以地下水為主，水資源極度短缺?，F(xiàn)有灌溉機(jī)電井374.3萬(wàn)眼，井灌面積1.6億畝（1畝=1/15 hm2，下同），占全國(guó)井灌面積的58.6%。由于地下水長(zhǎng)期無(wú)序開發(fā)，華北地區(qū)已成為世界上最大的地下水漏斗區(qū)。地下水水位持續(xù)下降，引發(fā)了地面沉降裂縫、咸水界面下移入侵深層淡水、機(jī)井報(bào)廢加快、生態(tài)退化和地下水污染等一系列環(huán)境和地質(zhì)問題，嚴(yán)重威脅著華北以及全國(guó)的糧食安全。如何在保障地下水水位不再下降并逐漸修復(fù)的基礎(chǔ)上穩(wěn)定糧食產(chǎn)量，是當(dāng)前水利行業(yè)科技發(fā)展面臨的一大難題。為此，基于以往實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和研究結(jié)果，在歸納分析華北井灌區(qū)地下水水位時(shí)空變化現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前該地區(qū)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀和農(nóng)田土地經(jīng)營(yíng)模式及農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)等變化狀況，提出遏制地下水水位下降的相應(yīng)措施。

一、地下水水位時(shí)空變化特征分析

根據(jù)地貌特征，華北平原可分為山前沖積傾斜平原（沖洪積扇、洪積扇及內(nèi)部階地等）、中部沖積平原（沖積平原）和東部沖積濱海平原（沖積平原、海積平原）。由于濱海平原多為咸水分布，地下水利用率低，工農(nóng)業(yè)取用地下水多集中在山前平原和中部平原。故選取山前平原的北京市、河北省石家莊市，及中部平原的山東省德州市的地下水歷史數(shù)據(jù)來(lái)分析其地下水水位時(shí)空變化特征。

1.年際變化

如圖1（a）所示，1981—2010年，北京市地下水埋深由8m增加到25.33m，總體呈增加趨勢(shì)。1999年之前地下水埋深變化相對(duì)平緩，呈緩慢波動(dòng)增加趨勢(shì)，變化范圍在8～15m，增加值為6.4m。1999年后，北京市地下水埋深急劇增大，由14.4m增加到25.33m，平均每年增加0.91m，增幅為10.93 m。主要因?yàn)?999年前北京地區(qū)工農(nóng)業(yè)和城市用水呈緩慢增加趨勢(shì)，年際降雨量波動(dòng)對(duì)地下水埋深產(chǎn)生較大影響，而1999年后由于城市迅速發(fā)展，設(shè)施農(nóng)業(yè)不斷增加，使得城市與農(nóng)業(yè)用水急劇增加，同時(shí)降水量大幅度減少，進(jìn)入連續(xù)干旱期，取增補(bǔ)減的狀況使得地下水埋深急劇加大，年際降雨變化已不足以引起地下水水位波動(dòng)，無(wú)節(jié)制的開采是導(dǎo)致地下水水位急劇下降的主因。

圖1（b）表明，石家莊市地下水埋深從1980年的10.1m，增加到2010年的32.87m，增幅達(dá)到22.77m。30年間增加趨勢(shì)存在波動(dòng)，其中1986— 1990年和1995—2000年，變化最為平緩，而1990—1995年和2000—2006年增加趨勢(shì)最為明顯，在這兩個(gè)時(shí)段埋深平均每年下降1.76m。與北京相比，石家莊地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉為地表水與地下水聯(lián)合利用方式，30年間盡管城市和工農(nóng)業(yè)用水急劇增加，地下水開采量隨之增大，但因地表水灌溉對(duì)地下水有一定的補(bǔ)給作用，且補(bǔ)給量受豐枯年份和水庫(kù)供水量影響顯著，所以地下水水位變化趨勢(shì)會(huì)存在波動(dòng)。相比而言，石家莊地下水水位總的下降幅度遠(yuǎn)大于北京，這與較高的作物種植強(qiáng)度密切相關(guān)。

圖1　城市地下水埋深年際變化

圖1（c）表明，德州市1980—2010年間地下水埋深在3～5.5m之間浮動(dòng)，整體處于增加趨勢(shì)；1980—1996年間埋深變化相對(duì)平緩，波動(dòng)范圍為3～4m，由于受到降水和灌溉的補(bǔ)給，埋深出現(xiàn)年間浮動(dòng)；1997—2007年間埋深增大較快，由1997年的3m增加到2007年的5.3m，平均每年增加0.23m，其主要原因是進(jìn)入21世紀(jì)后，社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，工農(nóng)業(yè)用水量急劇增加，地下水開采量不斷增大，降水和灌溉補(bǔ)給遠(yuǎn)小于開采量。

從以上3個(gè)城市地下水埋深變化來(lái)看，近30年間地下水埋深都呈增加趨勢(shì)，且進(jìn)入21世紀(jì)后，增加趨勢(shì)更為明顯。其中位于山前平原的北京和石家莊由于受人類活動(dòng)影響明顯，降水對(duì)地下水的補(bǔ)給沒有顯著影響，但山前的側(cè)向補(bǔ)給，會(huì)使個(gè)別地區(qū)地下水埋深出現(xiàn)小幅波動(dòng)。21世紀(jì)以后，隨著城市發(fā)展、人口增加，灌溉用水量增大，地下水開采量急劇增加，整個(gè)山前平原地下水埋深處于增加狀態(tài)，甚至在北京、石家莊等地出現(xiàn)了地面沉降、地下水漏斗等災(zāi)害。中部平原德州市受降水和灌溉的補(bǔ)給明顯，地下水年際波動(dòng)不大，但2000年以后，為滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求，地下水開采量也隨之增大，地下水水位出現(xiàn)了明顯下降。

圖2　城市地下水埋深年內(nèi)變化

2.年內(nèi)變化

已有研究結(jié)果表明（見圖2），華北平原地下水水位年內(nèi)呈季節(jié)性變化，春季地下水埋深開始增大，最大埋深出現(xiàn)在春夏之交，夏季地下水埋深開始回升，最小埋深出現(xiàn)在夏秋之交，冬季地下水埋深開始增大。其中北京年內(nèi)平均變幅為3.5m，呈明顯的單峰分布，5、6月份最大，1、2月份和11月份最??；石家莊年內(nèi)平均變幅2.2m，1、2月份最小，灌溉季節(jié)開始后急劇增加，6、7月份最大，隨后緩慢降低；德州年內(nèi)平均變幅為0.42m，1、2、3月份最小，隨后急劇增加，5、6月份最大，之后緩慢降低。出現(xiàn)上述規(guī)律的主要原因?yàn)槿A北地區(qū)受季風(fēng)氣候影響，地下水水位變化受降水和灌溉周期影響較大，春季和冬季要進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，地下水開采量較大，地下水埋深增大，而夏季降水較多，地下水得以補(bǔ)給，地下水埋深開始回升；山前平原由于地下水開采引起的地下水埋深較大，包氣帶增厚，降水和灌溉對(duì)地下水的補(bǔ)給出現(xiàn)滯后作用，補(bǔ)給周期延長(zhǎng)，因此地下水波動(dòng)幅度較大；中部平原由砂石組成，孔隙大，滲透、徑流、排泄條件好，降水和灌溉補(bǔ)給作用明顯，地下水波動(dòng)較小。

3.空間變化

已有研究表明（見圖3），山前平原地下水開采深度范圍較大，20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)，最淺開采深度從1 m增大到4m，最大開采深度從10m增大到40m，整個(gè)山前平原地下水水位處于下降狀態(tài)，主要因?yàn)樯角捌皆瓰槌擎?zhèn)集中區(qū)，工農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)，地下水開采量大，降水對(duì)地下水的補(bǔ)給影響已非常有限，人類活動(dòng)成為地下水水位變化的主要因素；中部平原地下水埋深從20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)變化不大，最淺開采深度從0m增大到2m，最大開采深度從5m增大到15 m，其開采主要用于農(nóng)業(yè)灌溉，盡管降水和灌溉有一定的補(bǔ)給效應(yīng)，但由于開采量大于補(bǔ)給量，地下水埋深整體還是處于增大趨勢(shì)，但幅度小于山前平原；濱海平原地下水埋深從20世紀(jì)60年代到21世紀(jì)幾乎沒變化，20世紀(jì)60年代的開采深度范圍為1～5m，21世紀(jì)的埋深范圍為0～2m，主要原因?yàn)闉I海平原多為咸水分布，地下水利用程度低，基本無(wú)開采，主要受自然因素的控制，地下水水位變化無(wú)明顯規(guī)律。

二、降水及農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)地下水水位變化影響分析

地下水水位變化的主要影響因素可分為氣候和人類活動(dòng)，其中氣候因素中主要是降水，人類活動(dòng)主要是地下水開采，農(nóng)業(yè)用水在地下水開采量中占較大比例，農(nóng)業(yè)灌溉用水量受作物種植結(jié)構(gòu)、種植面積、節(jié)水灌溉方式和灌溉管理水平等影響明顯。

1.降水

華北平原地表水資源短缺，降水作為地下水的主要補(bǔ)給源，通過兩方面影響地下水水位的變化，一方面是作為補(bǔ)給源，直接影響地下水水位變化；另一方面則是人類活動(dòng)影響地下水水位變化，即枯水年時(shí)，農(nóng)業(yè)用水開采量大，地下水水位下降較大；豐水年時(shí)，農(nóng)業(yè)用水開采量小，地下水水位下降幅度小。已有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)年降水量每增加100mm時(shí)，華北平原農(nóng)田地下水年開采量減少19.1～19.2mm（11.6億～11.7億m3），能夠大大緩解地下水水位的下降。

2.農(nóng)業(yè)灌溉

井灌區(qū)典型縣的研究結(jié)果表明，農(nóng)業(yè)用水量變化對(duì)地下水水位變化影響最為顯著。河北欒城縣地下水對(duì)不同開采量的響應(yīng)分析表明：在現(xiàn)狀農(nóng)業(yè)開采量1.01億m3基礎(chǔ)上分別減少14%、29%和增加29%的情況下，地下水水位分別上升0.33m、0.64m和下降0.45m。河北晉州—藁城—欒城農(nóng)業(yè)區(qū)用水量對(duì)地下水水位變化影響研究表明，農(nóng)業(yè)用水量是引起地下水水位持續(xù)下降的最大誘因，該地區(qū)農(nóng)業(yè)用水減少118.75mm時(shí)，地下水水位下降趨勢(shì)才可得到緩解。因此減少農(nóng)業(yè)用水量是遏制地下水水位持續(xù)下降的有效措施。

圖3　華北不同地區(qū)地下水埋深變化

三、遏制地下水水位持續(xù)下降的應(yīng)對(duì)措施與建議

作為糧食主產(chǎn)區(qū)和地下水嚴(yán)重超采區(qū)，華北地區(qū)水資源短缺所引發(fā)的一系列社會(huì)和生態(tài)問題已危及地下水資源的可持續(xù)利用和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展?；谌A北井灌區(qū)地下水水位時(shí)空變化規(guī)律及主要影響因素，結(jié)合國(guó)務(wù)院發(fā)布的《關(guān)于實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度的意見》和對(duì)該地區(qū)節(jié)水壓采的要求，以華北井灌區(qū)“節(jié)水、穩(wěn)產(chǎn)、壓采”為目標(biāo)，提出以下應(yīng)對(duì)措施：

1.充分利用汛期降雨入滲回補(bǔ)地下水

華北地區(qū)冬小麥全生育期內(nèi)需水約500mm，主要集中在3、4、5月份，而降雨主要集中在7—9月份，故可在汛期采取適宜的地面入滲回補(bǔ)措施攔蓄當(dāng)?shù)亟涤?，如利用河床、人工溝渠、天然洼地、農(nóng)田等進(jìn)行回補(bǔ)，可有效提升地下水水位。

2.根據(jù)水資源承載能力合理確定作物種植強(qiáng)度和種植結(jié)構(gòu)

隨著人口的增長(zhǎng)，為滿足糧食生產(chǎn)需求和飲食結(jié)構(gòu)變化需要，華北平原近些年來(lái)作物種植強(qiáng)度（單位耕地面積上農(nóng)作物播種面積數(shù)量）不斷增加，其中滹滏平原從20世紀(jì)50年代到21世紀(jì)糧食種植強(qiáng)度增加20.73%，蔬菜種植強(qiáng)度增加105.99%，蔬菜播種面積在20世紀(jì)90年代后急劇增加，張西峰等研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)糧食作物轉(zhuǎn)型為經(jīng)濟(jì)作物時(shí)，耗水量增加2倍以上。播種強(qiáng)度和蔬菜播種面積占比的增加，使得農(nóng)業(yè)用水開采量隨之增加，地下水水位下降幅度隨之增大。因此，作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整需要考慮當(dāng)?shù)厮Y源的承載能力。

3.因地制宜選擇節(jié)水灌溉模式

高效節(jié)水灌溉技術(shù)的實(shí)施大大降低了單位面積或者每千克糧食生產(chǎn)的用水量，提高了水分利用效率。基于河北省平原糧食產(chǎn)量及耗水量研究發(fā)現(xiàn)，1977年以前每多生產(chǎn)1 000 t小麥和玉米，實(shí)際需多開采地下水0.14億m3，而實(shí)施節(jié)水灌溉技術(shù)之后，每增產(chǎn)1000 t小麥和玉米，只需多開采地下水0.04億m3，大大緩解了地下水水位的下降。

在地下水深層超采區(qū)，田間節(jié)水優(yōu)先采用噴灌，地塊分散時(shí)采用高標(biāo)準(zhǔn)低壓管道輸水灌溉技術(shù)（合理的管道輸水工程＋完善的田間配水工程+改進(jìn)的地面灌溉技術(shù)+精準(zhǔn)的控制管理技術(shù)）；設(shè)施農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)作物采用微灌；對(duì)主要作物采用非充分灌溉技術(shù)。在地下水淺層超采區(qū)，田間節(jié)水以采用高標(biāo)準(zhǔn)低壓管道輸水灌溉技術(shù)為主；對(duì)于規(guī)?；?jīng)營(yíng)、設(shè)施農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)作物推薦采用噴灌和微灌技術(shù)。整個(gè)地區(qū)推薦采用管理節(jié)水和農(nóng)藝節(jié)水措施。

4.建立全面的地下水自動(dòng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

計(jì)量是嚴(yán)控的基礎(chǔ)和依據(jù)，只有加強(qiáng)取水、用水和排水的監(jiān)測(cè)，尤其是對(duì)超采區(qū)的監(jiān)測(cè)，充分掌握地下水實(shí)際使用情況，才能更好地落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度和華北地區(qū)節(jié)水壓采方案。

四、結(jié)語(yǔ)

探究華北井灌區(qū)地下水水位時(shí)空變化特征，分析地下水水位影響因素，對(duì)實(shí)現(xiàn)地下水精細(xì)化管理，嚴(yán)格地下水保護(hù)具有重要意義。為有效遏制地下水水位持續(xù)下降，應(yīng)充分掌握華北井灌區(qū)地下水水位年內(nèi)、年際變化和空間分布特征，充分考慮降水、農(nóng)業(yè)灌溉等對(duì)地下水水位的影響；充分利用汛期集雨，根據(jù)區(qū)域水源承載力調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)，因地制宜選擇合適的節(jié)水灌溉方式，加強(qiáng)地下水水位監(jiān)測(cè)；嚴(yán)格執(zhí)行開采總量和地下水水位雙項(xiàng)把控，嚴(yán)守地下水水位紅線，制定合理的地下水禁采、限采方案，完善地下水管理制度，為落實(shí)最嚴(yán)格水資源管理制度奠定基礎(chǔ)?！?/p>

［1］翟遠(yuǎn)征，王金生.北京市平原區(qū)地下水動(dòng)態(tài)要素的時(shí)間變化及其啟示［J］.水利學(xué)報(bào)，2012（9）.

［2］劉中培，王富強(qiáng)，于福榮.石家莊平原區(qū)淺層地下水位變化研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2012（5）.

［3］孫振江，王懷福.德州市地下水開采對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響及對(duì)策［J］.地下水，2009（4）.

［4］姜媛，田芳，羅勇，等.北京典型地區(qū)分層地面沉降與地下水位變化關(guān)系［J］.南水北調(diào)與水利科技，2015（1）.

［5］祁興芬，劉福剛.德州市地下水資源開發(fā)利用及保護(hù)［J］.資源環(huán)境與工程，2007（6）.

［6］賈化周，王信，董守玉，等.地下水位主要干擾因素的識(shí)別與地震信息的提?。跩］.地震地質(zhì)，1983（4）.

［7］王仕琴，宋獻(xiàn)方，王勤學(xué)，等.華北平原淺層地下水水位動(dòng)態(tài)變化［J］.地理學(xué)報(bào)，2008（5）.

［8］賈金生，劉昌明.華北平原地下水動(dòng)態(tài)及其對(duì)不同開采量響應(yīng)的計(jì)算——以河北省欒城縣為例［J］.地理學(xué)報(bào)，2002（2）.

［9］張光輝，費(fèi)宇紅，劉春華，等.華北滹滏平原地下水位下降與灌溉農(nóng)業(yè)關(guān)系［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2013（2）.

［10］萬(wàn)思成，李瓊芳，虞美秀，等.北京市平原地區(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響因素分析［J］.水電能源科學(xué)，2013（12）.

［11］崔新書，李吉秀，王風(fēng)春.石家莊地區(qū)地下水位下降原因及治理措施［J］.地下水，1986（4）.

［12］董殿偉，林沛，晏嬰，等.北京平原地下水水位監(jiān)測(cè)網(wǎng)優(yōu)化［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007（1）.

［13］費(fèi)宇紅，張兆吉，張鳳娥，等.華北平原地下水位動(dòng)態(tài)變化影響因素分析［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（5）.

［14］胡玉昆，王玉坤.地下水位對(duì)農(nóng)業(yè)用水量變化響應(yīng)的模擬研究［J］.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2009（2）.

責(zé)任編輯張金慧

Current situation and countermeasures of groundwater level alteration in well-irrigated districts in North China

//Liu Hairuo，BaiMeijian，Liu Qunchang，Liu Hongling

Groundwater is themain water source for well-irrigated districts in North China.Scholars have conducted a lot of research on characteristics of groundwater level alteration.Referring to relevant study results，summary and analysis are made on laws of spatial-temporal variation of groundwater level as well as impact of precipitation and farmland irrigation on its change.The existing problems on groundwater utilization are also discussed.Countermeasures and suggestions are proposed so as to slow down continuous decline of groundwater level，optimize crop planting intensity and pattern，apply proper irrigation mode for water saving，build automatic monitoring network system and provide technical support for the implementation of stringentwater resourcesmanagement system.

well-irrigated districts in North China；groundwater level alternation；spatial and temporal distribution；countermeasures

S27+TV213.6

B

1000-1123（2016）09-0025-04

2016-02-01

劉海若，在讀碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)用水管理研究?；痦?xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51509269）。