摘 要：為探究黑河中游耕地面積變化與節(jié)水灌溉影響下地表水耗水及地下水動(dòng)態(tài)演變特征，基于１９８５—２０２２ 年黑河鶯落峽、正義峽水文站實(shí)測(cè)徑流量月數(shù)據(jù)和中游地區(qū)４９ 眼地下水觀測(cè)井埋深月數(shù)據(jù)，結(jié)合對(duì)節(jié)水灌溉的實(shí)地調(diào)研結(jié)果，利用統(tǒng)計(jì)分析等方法，分析了地表水耗水和地下水埋深對(duì)耕地面積變化與節(jié)水灌溉的響應(yīng)。結(jié)果表明：耕地面積變化、節(jié)水灌溉和水量統(tǒng)一調(diào)度多重影響下，黑河中游地表水耗水量略有下降；黑河中游地下水埋深總體呈增大趨勢(shì)，擴(kuò)耕較大的大滿灌區(qū)東南部與東北部及友聯(lián)灌區(qū)中部地下水埋深明顯增大；不同灌溉方式對(duì)地下水埋深也有較大影響，河灌區(qū)地下水埋深隨地表水入滲補(bǔ)給量變化，井灌區(qū)和混灌區(qū)地下水埋深隨地下水開采量變化。

關(guān)鍵詞：地表水耗水；地下水埋深；耕地面積變化；節(jié)水灌溉；黑河中游

中圖分類號(hào)：Ｐ６４１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０８．０１９

引用格式：張震域，唐娜，吳彥昭，等．黑河中游耕地變化與節(jié)水灌溉對(duì)地表耗水與地下水的影響［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（８）：１０４－１０９．

近年來，我國(guó)耕地開發(fā)向西部轉(zhuǎn)移，在全國(guó)耕地面積持續(xù)減少的情況下，西北干旱區(qū)黑河流域中游耕地面積具有逆向變化的特點(diǎn)［１］ ，１９８５—２０２２ 年黑河中游耕地面積以１ ５００ ｈｍ２ ／ ａ 的速度擴(kuò)張［２］ 。黑河中游集中了黑河流域９０％以上的人口和耕地［３］ ，是我國(guó)第一個(gè)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)試點(diǎn)地區(qū)。黑河中游灌區(qū)灌溉是該地區(qū)用水主體，長(zhǎng)期占有９０％以上的用水份額［４］ ，對(duì)區(qū)域水資源管理非常重要。黑河流域于２０００ 年開始實(shí)施水量統(tǒng)一調(diào)度，限制地表水引取，隨著中游擴(kuò)耕與節(jié)水灌溉政策的逐步實(shí)施，地表水耗水與地下水埋深發(fā)生了變化。研究該區(qū)域地表水耗水、地下水動(dòng)態(tài)變化，對(duì)灌區(qū)水資源合理分配、黑河中游農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

諸多學(xué)者從不同角度對(duì)不同區(qū)域地表水、地下水動(dòng)態(tài)變化及分布進(jìn)行了研究。閆佰忠等［５］ 以年降水量、地下水開采量、人口、ＧＤＰ 等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，探究了石家莊滹沱河山前沖洪積扇地下水動(dòng)態(tài)演變特征及其影響機(jī)制；楊舒雅等［６］ 采用地統(tǒng)計(jì)學(xué)理論分析了深度節(jié)水改造后沈?yàn)豕鄥^(qū)地下水動(dòng)態(tài)變化，研究表明節(jié)水后區(qū)域地下水埋深增大；張小清等［７］ 通過分析塔里木河不同時(shí)段的耗水情況，提出了該地區(qū)的水量分配策略；李江等［８］ 基于景觀單元對(duì)黑河中游地下水位變化進(jìn)行了研究；米麗娜等［９］ 通過１９８５—２０１３ 年黑河中游地下水位動(dòng)態(tài)變化研究，指出黑河中游地下水系統(tǒng)處于嚴(yán)重負(fù)均衡狀態(tài)；劉芬等［１０］ 分析張掖盆地地表水－地下水系統(tǒng)同位素特征發(fā)現(xiàn)，綠洲農(nóng)田灌溉嚴(yán)重影響地下水與河水之間的轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致地下水補(bǔ)給地表水增加；馮嘉興等［１１］ 探究了黑河地下水環(huán)境變化及其成因，指出出山徑流量與人類活動(dòng)是地下水變化的重要影響因子。

有關(guān)學(xué)者分析了土地利用［１２－１３］ 、流域調(diào)水［１４］ 等對(duì)黑河中游徑流的影響，不同灌溉方式［１５］ 、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類活動(dòng)［１６］ 、水利工程運(yùn)行［１７］ 等對(duì)黑河中游地下水埋深的影響。本文基于統(tǒng)計(jì)分析等方法， 利用１９８５—２０２２ 年黑河中游地表徑流、地下水埋深、耕地面積等數(shù)據(jù)，結(jié)合節(jié)水措施實(shí)地調(diào)研結(jié)果，研究黑河中游地表水耗水和地下水埋深時(shí)空變化規(guī)律，以期為黑河水資源優(yōu)化配置和黑河中游農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支撐。

１ 研究區(qū)概況

本研究區(qū)域位于甘肅河西走廊中部黑河流域中游，行政區(qū)劃包括張掖市甘州區(qū)、臨澤縣和高臺(tái)縣。研究區(qū)南部為祁連山區(qū)，海拔１ ８００～２ ３００ ｍ；北部為黑河沿岸龍首、合黎山地，海拔１ ４００～１ ５００ ｍ。黑河中游屬溫帶大陸性干旱氣候區(qū)，多年平均降水量約１４０ｍｍ，多年平均水面蒸發(fā)量約２ ０５０ ｍｍ。黑河中游灌區(qū)主要沿黑河干流和支流梨園河分布，本次主要分析黑河和梨園河涉及的灌溉區(qū)域，共有１３ 個(gè)大中型灌區(qū)，見圖１。黑河中游灌區(qū)灌溉方式較為復(fù)雜，有井灌區(qū)、河灌區(qū)和井河混灌區(qū)等多種灌溉方式，如：盈科灌區(qū)南部為河灌區(qū)，北部為井河混灌區(qū)；大滿灌區(qū)以河灌為主，井灌為輔；鴨暖灌區(qū)、平川灌區(qū)在高效節(jié)水實(shí)施前采用襯砌渠道地表水漫灌方式，高效節(jié)水實(shí)施后，在地表水引水量不足的情況下采用地下水滴灌方式補(bǔ)充灌溉。地下水較地表水易于凈化，除了取地表水便利的區(qū)域，大多數(shù)高效節(jié)水灌溉水源為地下水。黑河中游地區(qū)地下水的主要排泄途徑是扇緣泉水溢出、潛水蒸發(fā)及向黑河排泄，主要補(bǔ)給源為河水滲漏、山前側(cè)向補(bǔ)給、平原區(qū)降水補(bǔ)給以及灌溉入滲補(bǔ)給等。

２ 數(shù)據(jù)來源與研究方法

基于Ｙａｎｇ 等［２］ 構(gòu)建的年度中國(guó)土地覆蓋數(shù)據(jù)集（ＣＬＣＤ），利用ＡｒｃＧＩＳ Ｐｒｏ 提取研究區(qū)１９８５—２０２２ 年逐年耕地面積數(shù)據(jù)，并將提取結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、匯總。水文數(shù)據(jù)包括１９８５—２０２２ 年鶯落峽、正義峽水文站地表徑流量月數(shù)據(jù)和４９ 眼地下水觀測(cè)井的地下水埋深月數(shù)據(jù)，均來自甘肅省水文站。

耕地灌溉節(jié)水情況來源于《甘肅省水資源公報(bào)》《張掖市高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)規(guī)劃（２０２１—２０３０ 年）》和文獻(xiàn)資料［１８－１９］ ，并通過實(shí)地調(diào)查、與農(nóng)戶訪談等方式獲得灌溉水源、灌溉方式、節(jié)水實(shí)施時(shí)間等信息。至２００９ 年《黑河流域近期治理規(guī)劃》（以下簡(jiǎn)稱《近期治理》）項(xiàng)目逐步完成，黑河中游主要實(shí)施項(xiàng)目為渠系襯砌和少量高效節(jié)水，限于當(dāng)時(shí)灌溉技術(shù)不成熟和群眾觀念落后，大部分高效節(jié)水項(xiàng)目無法運(yùn)行。２０１１ 年后，隨著黑河中游河西走廊高效節(jié)水灌溉示范區(qū)建設(shè)全面啟動(dòng)，高效節(jié)水得到了長(zhǎng)足發(fā)展，２０１２—２０１８ 年黑河中游地區(qū)建設(shè)高效節(jié)水灌溉面積５．７８ 萬ｈｍ２，其中滴灌占比６７．７７％，其余為管灌和噴灌。２０１９ 年農(nóng)業(yè)農(nóng)村部組織實(shí)施高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)，進(jìn)行平田整地和規(guī)?；?jié)水灌溉。

采用Ｅｘｃｅｌ 和Ａｒｃｇｉｓ Ｐｒｏ 軟件進(jìn)行遙感數(shù)據(jù)提取分析和地表徑流、地下水埋深數(shù)據(jù)整理分析，利用Ａｒｃ?ＧＩＳ Ｐｒｏ 軟件地統(tǒng)計(jì)模塊的反距離插值法（ＩＤＷ）繪制地下水埋深空間分布圖。

為全面分析黑河中游耕地面積變化、節(jié)水灌溉發(fā)展對(duì)地表水耗水、地下水的影響，綜合黑河水量統(tǒng)一調(diào)度時(shí)間和灌區(qū)灌溉水平發(fā)展情況劃定分析時(shí)段，共劃分為１９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年３個(gè)時(shí)段： １９８５—１９９９ 年為黑河水量統(tǒng)一調(diào)度前；２０００—２０１０ 年為《近期治理》工程實(shí)施完成階段，其中２０００ 年開始實(shí)施黑河水量統(tǒng)一調(diào)度，２００１ 年開始實(shí)施流域《近期治理》工程，至２００９ 年逐步實(shí)施完成；２０１１—２０２２ 年為逐步實(shí)施高效節(jié)水階段。

３ 結(jié)果與分析

３．１ 黑河中游灌區(qū)耕地面積變化情況

１９８５ 年以來黑河中游１３ 個(gè)灌區(qū)耕地面積總體處于增加趨勢(shì)，由１９８５ 年的１７．１９８ 萬ｈｍ２ 增加到２０２２年的２２．８８７ 萬ｈｍ２，增幅為３３．０８％。黑河中游各個(gè)縣區(qū)灌溉面積大多增大，其中：耕地面積增加最多的為甘州區(qū)，１９８５—２０２２ 年增加耕地約２．５０５ 萬ｈｍ２，增幅２５．５８％，主要集中在大滿灌區(qū)，離河道較遠(yuǎn)的荒草地、未利用地也逐漸被開墾為耕地；其次為臨澤縣，增加耕地約１．６２５ 萬ｈｍ２，增幅３８．２％，主要集中在鴨暖灌區(qū)和梨園河灌區(qū)；高臺(tái)縣耕地面積增加最少，為１．５７８ 萬ｈｍ２，增幅５０．４２％，主要集中在友聯(lián)灌區(qū)；中游只有盈科灌區(qū)灌溉面積有所減少，是城市和濕地?cái)U(kuò)展擠占耕地所致。

與１９８５ 年相比，１９９９ 年耕地面積增幅為２．５７％，１９８５—１９９９ 年處于黑河水量統(tǒng)一調(diào)度和《近期治理》實(shí)施前，灌區(qū)灌溉采用漫灌方式，耕地面積緩慢增加，增速為２９３ ｈｍ２ ／ ａ；２０００—２０１０ 年耕地面積增幅為１２．９２％，該時(shí)段《近期治理》工程逐漸完成，灌區(qū)渠系進(jìn)行了大規(guī)模襯砌，灌溉條件提升，黑河中游荒草地、未利用地不斷被開發(fā)為耕地，灌溉面積顯著增加，增速為２ ２０７ ｈｍ２ ／ ａ； ２０１１—２０２２ 年耕地面積增幅為１１．１％，該時(shí)段隨著中游節(jié)水型社會(huì)建設(shè)和高效節(jié)水農(nóng)業(yè)逐步發(fā)展，灌溉技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力明顯提升，大片荒草地、未利用地被開墾為耕地，耕地面積明顯增加，增速為１ ９０７ ｈｍ２ ／ ａ。

３．２ 黑河中游地表水耗水量變化情況

除梨園河外，黑河中游基本無區(qū)間地表徑流加入，梨園河為梨園河灌區(qū)、沙河灌區(qū)供水，部分水量入黑河干流。鶯落峽、正義峽水文站之間的徑流量差值基本可以反映研究區(qū)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別為７．７３ 億、７．６２ 億、７．１６ 億ｍ３?？偭可?，黑河中游地表水耗水量自水量統(tǒng)一調(diào)度后略有下降，見圖２。

黑河中游地區(qū)地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例呈現(xiàn)明顯下降趨勢(shì)。１９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年黑河中游地區(qū)地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例的均值分別為４８．１９％、４４．０７％、３５．４３％。２０１４—２０２０ 年鶯落峽徑流量均超過２０ 億ｍ３，中游地表水耗水量占鶯落峽徑流量比例不到４０％，２０１８—２０２２ 年平均地表水耗水量占鶯落峽徑流量的３２．２９％。

年均地表水耗水量并沒有隨擴(kuò)耕而增大。黑河中游地區(qū)２０２２ 年耕地面積較２０００ 年增幅２８．８１％，而２０２２ 年黑河中游區(qū)間地表水耗水量較２０００ 年減小２．９９億ｍ３，降幅為３７．２６％。隨著灌溉面積的增加，區(qū)間地表水耗水量有所減少的原因在于：一是實(shí)施《近期治理》工程、高效節(jié)水灌溉措施，提高了研究區(qū)農(nóng)業(yè)水資源利用效率；二是黑河水量統(tǒng)一調(diào)度限制了黑河中游地區(qū)地表水引水量。另外，新增耕地配套渠系投資較大，除少量在現(xiàn)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，與黑河干流地表水關(guān)系較小。

３．３ 地下水埋深變化分析

３．３．１ 地下水埋深動(dòng)態(tài)變化情況

以耕地面積變化較明顯的灌區(qū)為基礎(chǔ)，考慮地下水觀測(cè)井與河道的距離及數(shù)據(jù)序列的完整性，選取黑河中游５、１５、１７、２２、２４、３３、４８ 號(hào)共７ 眼地下水觀測(cè)井分析黑河中游地下水埋深的變化情況，見圖３。

分階段來看， １９８５—１９９９ 年、２０００—２０１０ 年、２０１１—２０２２ 年地下水埋深增速分別為０．１４、０．０４、０．２６ｍ／ ａ。２０１１—２０２２ 年地下水埋深均值較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，地下水埋深隨中游擴(kuò)耕和節(jié)水灌溉措施的實(shí)施而增大。２０００—２０１０ 年黑河中游地下水埋深出現(xiàn)兩種變化趨勢(shì)：耕地?cái)U(kuò)張區(qū)域的大滿灌區(qū)東南部和友聯(lián)灌區(qū)中部地下水埋深持續(xù)增大，增大均值為３．０６ ｍ，原因是擴(kuò)耕和中游限制引水導(dǎo)致大量開采地下水灌溉；黑河干流沿岸區(qū)域、離濕地較近區(qū)域地下水埋深減小，減小約１ ｍ，這與米麗娜等［９］ 的研究結(jié)果一致。

隨距河岸距離的增加，地下水埋深增大。１９８５—２０２２ 年，距離河道遠(yuǎn)且近年周邊耕地?cái)U(kuò)張的２２ 號(hào)觀測(cè)井地下水埋深顯著增大；距離河道較遠(yuǎn)且在原有耕地范圍的５ 號(hào)觀測(cè)井地下水埋深明顯增大；３３ 號(hào)觀測(cè)井位于河汊內(nèi)原有耕地范圍內(nèi)，地下水埋深變幅最小。２０１７ 年之后，５、１５、１７、２４、３３、４８ 號(hào)觀測(cè)井地下水埋深突增，可能是近幾年實(shí)施大規(guī)模平田整地、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田建設(shè)所致。

研究區(qū)典型年份地下水埋深分布見圖４，甘州區(qū)大滿灌區(qū)東南邊緣灌域地下水埋深較大，達(dá)６５ ｍ；高臺(tái)縣友聯(lián)灌區(qū)（井灌較多）在擴(kuò)耕和節(jié)水灌溉的雙重影響下產(chǎn)生地下水降落漏斗，２０２２ 年漏斗中心地下水埋深較２０１１ 年增大了１５ ｍ 左右；臨澤縣板橋、平川灌區(qū)處于河道轉(zhuǎn)向地帶，主要采用河水灌溉，灌溉水補(bǔ)給地下水，地下水埋深普遍較小。擴(kuò)耕面積最大的甘州區(qū)，除盈科灌區(qū)北部（泉水溢出帶、混灌區(qū)）外，其余擴(kuò)耕地區(qū)和采取河水滴灌區(qū)域地下水埋深增大，原因是實(shí)施高效節(jié)水灌溉措施后，地表水補(bǔ)給地下水減少，以及因限制地表引水而大量開采地下水所致。大滿灌區(qū)１９８９ 年地表水引水量為１．９５ 億ｍ３，２０２１ 年為１．２０億ｍ３，減少了０．７５ 億ｍ３，相應(yīng)地，地下水開采量由０．０３億ｍ３ 增加到０．８７ 億ｍ３，增加了０．８４ 億ｍ３。盈科灌區(qū)南部２０００ 年、２０２１ 年地表水引水量分別為２．１７億、０．４７ 億ｍ３，減小幅度為７８．３４％；地下水開采量分別為１．０３ 億、０．５２ 億ｍ３，減小幅度為４９．５１％，在大量耕地被建設(shè)用地?cái)D占和灌區(qū)引水量減小的背景下，盈科灌區(qū)自２０００ 年以后１３ ｍ 以上地下水埋深區(qū)域卻顯著增加，這可能是地表水補(bǔ)給地下水量減小所致。

３．３．２ 不同灌溉方式下地下水埋深變化情況

１）河灌區(qū)地下水埋深變化。選擇５、８、１３、１６、１８號(hào)等１６ 眼位于河灌區(qū)的觀測(cè)井，分析河灌區(qū)地下水埋深變化。河灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深變幅不大，年內(nèi)地下水埋深變幅最大為０．３５ ｍ。１９８５—２０２２ 年河灌區(qū)年均地下水埋深整體呈增大趨勢(shì)，見圖５（ａ）。１９９９—２０１０ 年地下水埋深增速為０．０３ ｍ／ ａ，２０１１—２０２２ 年地下水埋深增速為０．０５ ｍ／ ａ。３３ 號(hào)觀測(cè)井為河灌區(qū)的典型井，離擴(kuò)耕區(qū)較遠(yuǎn)，周邊耕地２０１６ 年之前為地表水漫灌，之后為地表水滴灌。２０１６ 年之前地下水埋深變幅不大，呈穩(wěn)定狀態(tài)，１９８５—２０１６ 年地下水埋深增速小于０．０１ ｍ／ ａ；２０１６—２０２２ 年地下水埋深增速為０．２０ｍ／ ａ，高效節(jié)水后地表水補(bǔ)給地下水量減少，地下水埋深增大。典型年３３ 號(hào)觀測(cè)井地下水埋深見圖５（ｂ）。

２）井灌區(qū)地下水埋深變化。選擇６、９、１４、１７、１９號(hào)等１３ 眼位于井灌區(qū)的觀測(cè)井，分析井灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深變化。井灌區(qū)年內(nèi)地下水埋深變幅較大，年內(nèi)變幅均值為１．４７ ｍ，年內(nèi)地下水埋深最大值的均值為９．２９ ｍ，出現(xiàn)在灌溉用水高峰期８ 月；地下水埋深最小值的均值為７．８２ ｍ，出現(xiàn)在非灌溉期及冬灌結(jié)束的２月。１９８５—２０２２ 年井灌區(qū)地下水埋深整體呈增大趨勢(shì)，見圖６（ａ）。目前依然存在開采地下水灌溉的漫灌區(qū)，主要分布在離河道較遠(yuǎn)的區(qū)域。９ 號(hào)觀測(cè)井為井灌區(qū)的典型井，處于非擴(kuò)耕區(qū)域，２０１０ 年開始采取地下水滴灌，主要種植蔬菜且全年多輪次灌溉，１９８５—１９９９ 年周邊耕地為地下水漫灌，抽取水量大，該階段地下水埋深增大；２０００ 年后隨著《近期治理》和高效節(jié)水實(shí)施，地下水開采量減少，地下水埋深有所減小，見圖６（ｂ）。

３）混灌區(qū)地下水埋深變化。選擇１０、１１、４１ 號(hào)３眼位于混灌區(qū)的觀測(cè)井，分析混灌區(qū)地下水埋深變化。１０、１１ 號(hào)觀測(cè)井處于黑河中游中段，距離河道均約１．５ｋｍ，周邊耕地采取以地表水灌溉為主、地下水灌溉為輔的灌溉方式，年內(nèi)地下水埋深基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，１９８５ 年、１９９９ 年、２０１０ 年、２０２２ 年年內(nèi)地下水埋深變幅均值分別為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，見圖７（ａ）。４１號(hào)觀測(cè)井處于原有耕地區(qū)與擴(kuò)耕區(qū)過渡帶，距離河道約２１ ｋｍ，年內(nèi)地下水埋深基本處于穩(wěn)定狀態(tài)；１９８５—２０２２ 年地下水埋深持續(xù)增大，１９８５—１９９９ 年地下水埋深增速為０．４１ ｍ／ ａ，２０００ 年后黑河中游地區(qū)限制地表引水及擴(kuò)耕后，在地表水供水不足的情況下，加大地下水開采量補(bǔ)充灌溉，１９９９—２０１０ 年地下水埋深增速為０．８５ ｍ／ ａ，見圖７（ｂ）。

４ 結(jié)論

耕地面積和灌溉方式變化會(huì)引起灌溉用水量變化，進(jìn)而影響灌區(qū)地表水耗水量和地下水埋深。自２０００ 年黑河水資源統(tǒng)一管理和水量統(tǒng)一調(diào)度后，黑河中游灌溉面積持續(xù)擴(kuò)大，擴(kuò)耕范圍主要位于綠洲邊緣與荒草地、未利用地交界區(qū)域。在耕地變化、高效節(jié)水及水量統(tǒng)一調(diào)度多重影響下，黑河中游地表水耗水量略有下降。黑河中游地下水埋深總體呈增大趨勢(shì)，地下水埋深變化具有明顯階段性，擴(kuò)耕較大的大滿灌區(qū)東南部與東北部及友聯(lián)灌區(qū)中部地下水埋深明顯增大；不同灌溉方式對(duì)地下水埋深也有較大影響，河灌區(qū)地下水埋深隨地表水入滲補(bǔ)給量變化，井灌區(qū)和混灌區(qū)地下水埋深隨地下水開采量變化。

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【責(zé)任編輯 呂艷梅】