喬 磊

(遼寧鬧德海供水有限責(zé)任公司，遼寧 阜新 123000)

1 概述

阜新是一座因煤而立、因煤而興的資源型城市，也是我國(guó)最早建設(shè)發(fā)展的國(guó)家能源基地之一。隨著煤炭資源的逐漸萎縮，被國(guó)務(wù)院確定為全國(guó)第一個(gè)資源型城市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型試點(diǎn)市。作為資源枯竭型城市，阜新近些年大力發(fā)展農(nóng)業(yè)，現(xiàn)已成為我國(guó)重要的商品糧生產(chǎn)基地，也是遼寧和全國(guó)糧食增產(chǎn)的重點(diǎn)地區(qū)之一。由于天然降水和糧食作物需水不匹配，阜新的灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)地下水具有較高的依賴程度，因此地下水成為保障該地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和基本農(nóng)田建設(shè)不可或缺的條件。但由于阜新市地下水超采日益嚴(yán)重，該市灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題引發(fā)社會(huì)的關(guān)注[1]。在此背景下，客觀量化評(píng)估灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力已成為十分必要的課題。

目前，地下水資源的研究主要集中在地下水資源承載力和脆弱性方面[2- 5]，而關(guān)于灌溉農(nóng)業(yè)地下水保障能力的研究相對(duì)較少。鑒于此，本文旨在評(píng)價(jià)阜新市地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)的保障能力，評(píng)估結(jié)果可綜合反映該地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉對(duì)地下水的依賴程度與地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)用水的保障程度，從而為該地區(qū)的農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供參考。此外，本文應(yīng)用GIS技術(shù)處理空間數(shù)據(jù)、計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)，為該市地下水資源管理的可視化、精細(xì)化、信息化發(fā)展[6]提供參考。

2 方法

2.1 水文水資源概況

阜新市地處北溫帶半干旱半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，降水時(shí)空分布不均，冬季嚴(yán)寒少雪，夏季炎熱多雨，多年平均蒸發(fā)量1789.8mm，多年平均降水量480mm，降水多集中在7、8、9月份，占全年降水量的68.1%；年平均徑流深47.4mm，年降水總量49.70億m3，經(jīng)常有干旱、冰雹、大風(fēng)、暴雨、霜凍等不利天氣，自然災(zāi)害頻繁。該地區(qū)河流屬于遼河和大凌河兩個(gè)流域。其中，遼河流域有繞陽(yáng)河、柳河、養(yǎng)息牧河與秀水河4條水系，境內(nèi)流域面積7252km2，占全地區(qū)總面積的70%；大凌河流域有細(xì)河與牤牛河2條水系，境內(nèi)流域面積3103km2，占全地區(qū)總面積的30%。全區(qū)5km以上河流313條，其中流域面積大于300km2的河流有13條(1000km2以上的中型河流5條)，多為季節(jié)性河流，具有河道比降大、多泥沙的特點(diǎn)。

阜新市水資源與水資源利用概況分別見(jiàn)表1、2。全市人均占有水資源量434m3，是遼寧省人均占有水資源量的1/2，全國(guó)人均占有水源量的1/5；畝均水資源量149m3，不足全省的1/3，是全國(guó)的1/12，在遼寧14個(gè)地市中排最后一位。此外，由于地下水資源超采嚴(yán)重，造成一些地區(qū)地下水位持續(xù)下降，水資源開(kāi)發(fā)利用程度偏高，農(nóng)業(yè)灌溉用水受到極大限制。阜新市水資源匱乏，資源性、工程性和水質(zhì)性3種缺水形式并存，資源性缺水突出[7]。

表1 阜新市水資源空間分布概況 單位：萬(wàn)m3

表2 阜新市水資源利用概況 單位：萬(wàn)m3

2.2 灌溉農(nóng)業(yè)地下水保障能力評(píng)估方法

張光輝等人[8]提出了灌溉農(nóng)業(yè)地下水保障能力評(píng)估的ABC模型，并成功將該方法應(yīng)用在黃淮海平原地區(qū)的相關(guān)研究中，結(jié)果表明：該方法可客觀闡明大區(qū)域的灌溉農(nóng)業(yè)用水對(duì)地下水依賴狀況、地下水保障能力分布特性與成因。本文將該模型嵌入到GIS平臺(tái)中，并以其為基礎(chǔ)評(píng)估阜新市區(qū)、清河門區(qū)、彰武縣、阜新蒙古族自治縣(以下簡(jiǎn)稱“阜蒙縣”)農(nóng)業(yè)用水對(duì)地下水的依賴程度、地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)用水保障程度和灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力。目前，該方法幾乎沒(méi)有被應(yīng)用到地市及縣域地下水保障能力評(píng)估中。

灌溉農(nóng)業(yè)地下水保障能力評(píng)估的ABC模型可概括為：

(1)

式中，C—灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力，它是指在現(xiàn)狀開(kāi)采條件下可用于灌溉農(nóng)業(yè)的地下水開(kāi)采資源能夠確保當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)用水需求的能力，是表征地下水對(duì)當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)用水保障能力的綜合指標(biāo)。C值的評(píng)價(jià)結(jié)果可分為5級(jí)：安全保障(>0.5)、較安全保障(0.0～0.5)、基本保障(-0.5～0.0)、難以保障(-1.0～-0.5)和無(wú)法保障(<-1.0);B—地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)用水的保障程度，它是指評(píng)價(jià)區(qū)可用于灌溉的地下水開(kāi)采資源量占當(dāng)?shù)毓喔扔盟康谋嚷?；其中地下水開(kāi)采資源量表示評(píng)價(jià)區(qū)可持續(xù)開(kāi)發(fā)利用、且不引起不良生態(tài)環(huán)境和地下水位持續(xù)下降或地面沉降等環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的下水量。A—農(nóng)業(yè)開(kāi)采量占當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水量的比率；其中農(nóng)業(yè)開(kāi)采量指灌溉農(nóng)業(yè)用水過(guò)程中取用地下水的水量。

用于灌溉的地下水開(kāi)采資源量一般沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，張光輝等人[8]根據(jù)農(nóng)業(yè)用水量占當(dāng)?shù)乜傆盟康谋壤秊橹笜?biāo)，確定地下水開(kāi)采資源的基值分區(qū)，例如當(dāng)農(nóng)業(yè)用水量占當(dāng)?shù)乜傆盟勘嚷式橛?0%～70%的地區(qū)，以當(dāng)?shù)亻_(kāi)采資源量的60%作為基值。該方法為灌溉地下水資源量的估算打下了基礎(chǔ)，但主觀性和不確定性強(qiáng)，因此本文提出采用以下計(jì)算公式：

(2)

式中，GI—用于灌溉的地下水開(kāi)采資源量；UI—農(nóng)田灌溉用水量；UT—總用水量；RG—地下水可利用量。

該公式隱含著“地下水可利用量根據(jù)各類型用水需求之間的用水量比例進(jìn)行分配”的假設(shè)，在阜新市的實(shí)際地下水資源分配中，農(nóng)業(yè)灌溉用水相對(duì)較受重視。因該公式傾向于保守，因此實(shí)際值應(yīng)略高于本公式的計(jì)算值，這樣有利于評(píng)估結(jié)果的安全。

文中主要數(shù)據(jù)來(lái)源于阜新市的水資源公報(bào)、統(tǒng)計(jì)年鑒和水利發(fā)展“十三五”規(guī)劃等報(bào)告與材料，將數(shù)據(jù)資料按照縣域(或市區(qū))尺度進(jìn)行匯總，輸入到GIS平臺(tái)。所采用的GIS平臺(tái)為ArcGIS10.4，其中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入到ArcCatalog，并建立相應(yīng)的geodatabase數(shù)據(jù)庫(kù)；數(shù)據(jù)分析與可視化處理在ArcMap中進(jìn)行，數(shù)據(jù)主要基于公式(1)和(2)，采用ModelBuilder工具建模計(jì)算，最終得到分析結(jié)果。

3 結(jié)果

3.1 灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)地下水依賴程度

市各行政分區(qū)(阜新市區(qū)、清河門區(qū)、彰武縣、阜蒙縣)的農(nóng)業(yè)開(kāi)采量分別為99.68萬(wàn)m3、175.8萬(wàn)m3、7342.31萬(wàn)m3和6378.02萬(wàn)m3，各地的農(nóng)業(yè)灌溉用水量為171.7萬(wàn)m3、175.8萬(wàn)m3、9526.0萬(wàn)m3和8729.0萬(wàn)m3。采用ModelBuilder工具建模分析各分區(qū)農(nóng)業(yè)開(kāi)采量占當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉用水量的比率，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，位于市南部的清河門區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)地下水的依賴程度最高，實(shí)際上，目前該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉幾乎全部采用地下水；市區(qū)的依賴度最低，主要因?yàn)樵摰貐^(qū)的農(nóng)田灌溉量較小。在空間分布方面，市中部地區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)地下水依賴程度較低，至南和至北逐漸升高。

圖1 阜新市灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)地下水依賴程度

3.2 地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)用水保障程度

基于公式(2)并采用ModelBuilder工具建模分析市各行政分區(qū)(阜新市區(qū)、清河門區(qū)、彰武縣、阜蒙縣)可用于灌溉的地下水開(kāi)采資源量，結(jié)果分別為17.43萬(wàn)m3、29.17萬(wàn)m3、21935.39萬(wàn)m3、和6735.49萬(wàn)m3。根據(jù)可用于灌溉的地下水開(kāi)采資源量占當(dāng)?shù)毓喔扔盟康谋嚷蕘?lái)確定各分區(qū)地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)用水保障程度，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，位于市北部的彰武縣地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)用水保障程度最高，指標(biāo)值>1，說(shuō)明其地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)的供應(yīng)值大于需求值；位于中部和南部的阜新市區(qū)與清河門區(qū)保障程度較低，主要因?yàn)樵谶@些地區(qū)農(nóng)田灌溉以外的用水需求量較大。在空間分布方面，阜新市地下水對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)用水保障程度由北至南呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

圖2 阜新市地下水對(duì)農(nóng)業(yè)用水保障程度

3.3 灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力評(píng)估

基于公式(1)并采用ModelBuilder工具建模分析阜新市各行政分區(qū)(阜新市區(qū)、清河門區(qū)、彰武縣、阜蒙縣)灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力指標(biāo)值分別為-4.72、-5.03、0.67、0.05，如圖3所示。

圖3 阜新市灌溉農(nóng)業(yè)的地下水保障能力

由圖3可見(jiàn)，阜新市區(qū)的C值<-1.0，即當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)的地下水保障能力為“無(wú)法保障”狀態(tài)，該地區(qū)地下水不具備抵御降水偏枯并保障灌溉農(nóng)業(yè)用水的能力，因此應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化其產(chǎn)業(yè)布局，轉(zhuǎn)移耗水作物的種植行業(yè)；清河門區(qū)的C值最低，說(shuō)明當(dāng)?shù)毓喔绒r(nóng)業(yè)的地下水保障能力最差，主要因?yàn)樵摰剞r(nóng)業(yè)灌溉極度依賴地下水資源，且同時(shí)可用于灌溉的地下水資源又比較稀缺，因此該地區(qū)的農(nóng)業(yè)灌溉將受水資源的嚴(yán)重制約，在農(nóng)業(yè)方面不具備大的發(fā)展?jié)摿?；彰武縣的C值>0.5，該地區(qū)地下水開(kāi)采資源的保障能力大于灌溉農(nóng)業(yè)對(duì)地下水的依賴程度，處于“安全保障”狀態(tài)，因此可以認(rèn)為該地區(qū)地下水具備較強(qiáng)的抵御干旱條件、保障農(nóng)業(yè)灌溉的能力，具有較大的農(nóng)業(yè)發(fā)展?jié)摿Γ桓访煽hC值介于0.0～0.5之間，處于“較安全保障”狀態(tài)，具備保障農(nóng)業(yè)灌溉用水的能力，但潛力不大，因此在農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模方面應(yīng)基本維持現(xiàn)狀，并采用發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)、調(diào)整種植結(jié)構(gòu)等措施對(duì)其地下水保障能力進(jìn)行提升。

4 結(jié)論

阜新市區(qū)與清河門區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)地下水保障能力處于“無(wú)法保障”狀態(tài)，應(yīng)該進(jìn)一步優(yōu)化其產(chǎn)業(yè)布局，轉(zhuǎn)移耗水作物的種植行業(yè)；阜蒙縣處于“較安全保障”狀態(tài)，在農(nóng)業(yè)發(fā)展規(guī)模方面應(yīng)大體維持現(xiàn)狀；彰武縣處于“安全保障”狀態(tài)，農(nóng)業(yè)發(fā)展尚具備較大潛力。

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