河北省平原區(qū)農(nóng)業(yè)開采地下水特點(diǎn)

王海寧，張石春，畢遠(yuǎn)山

（1.河北省水文水資源勘測(cè)局，石家莊050031；2.石家莊市水利局，石家莊050031）

1 引言

河北省平原區(qū)西起太行山東麓，東至渤海，南臨豫魯，北連京津，地處海河流域的中下游，為古黃河及海河多年沖積、淤積而成，地形坡度平緩，是華北平原的重要組成部分，是中國(guó)糧食和蔬菜的主要產(chǎn)區(qū)之一。平原區(qū)生產(chǎn)總值占全省的81%，人口、耕地75%以上分布于此；水澆地面積占耕地面積的80%以上，是華北平原區(qū)糧食作物的主要種植區(qū)，主要種植小麥、玉米和少量經(jīng)濟(jì)作物，全年糧食產(chǎn)量2600萬t。

河北省平原區(qū)降水時(shí)空分布不均，降水與作物需水在時(shí)間上不一致，使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展多依賴于灌溉。由于河北省地表水資源先天不足，農(nóng)業(yè)灌溉用水以地下水為主，農(nóng)業(yè)開采量占全區(qū)總開量的70%以上。自2003年開始，河北省水文水資源勘測(cè)局在平原區(qū)加密地下水開采量監(jiān)測(cè)井布設(shè)，至2010年積累了連續(xù)8年的監(jiān)測(cè)資料，由此分析河北省平原區(qū)農(nóng)業(yè)地下水開采量指標(biāo)特點(diǎn)及影響因素，對(duì)地下水開采量統(tǒng)計(jì)資料可靠性分析和實(shí)行最嚴(yán)格的水資源管理等宏觀決策具有重要意義。

2 水資源開發(fā)利用概況

2.1 水資源概況

河北省平原區(qū)屬半干旱、半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，具有春季干旱多風(fēng)、夏季炎熱多雨、秋季天高氣爽、冬季寒冷少雪的特點(diǎn)。多年平均降水量537.5mm，75%頻率降水量441.8mm。

受氣象、地形和地貌因素的綜合影響，河北省平原區(qū)年降水量時(shí)空分布不均勻。在地區(qū)分布上，保定北部、廊坊、滄州東部的降水量較大，一般在550mm以上，冀中平原區(qū)的無極、辛集、新河一帶的降水量較小，一般不足500mm。在時(shí)間分配上，區(qū)內(nèi)降水量年際年內(nèi)變化較大，豐水年份降水量是枯水年份的2～3倍；從20世紀(jì)50～90年代，再到21世紀(jì)初，降水量基本處于遞減的趨勢(shì)。尤其是1997～2010年出現(xiàn)了連續(xù)枯水年組，是近60年以來持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的連續(xù)枯水年。降水量年內(nèi)分配非常集中，70%～80%的年降水量集中在6～9月份，春季降水量?jī)H占全年的10%左右，冬季則更少，只占3%。

河北省平原區(qū)不同頻率降水量年內(nèi)分配見表1。

表1 不同頻率月平均降水量年內(nèi)分配單位:mm

區(qū)內(nèi)多年平均蒸發(fā)量1000～1400mm，為全省蒸發(fā)量的高值區(qū)。年內(nèi)5～6月蒸發(fā)量最大，約占全年的1/3；1～2月蒸發(fā)量最小，僅占全年的5%左右。地區(qū)分布規(guī)律為南部大于北部。

區(qū)內(nèi)多年平均水資源總量78.5億m3。平原區(qū)地表徑流主要來源于汛期較大的暴雨，非汛期由于降水量小，極難產(chǎn)生徑流。區(qū)內(nèi)多年平均地下水資源量（礦化度≤2g/L）為70.98億m3/a。山前沖洪積扇平原區(qū)含水層的補(bǔ)給和儲(chǔ)存條件都比較優(yōu)越，為全區(qū)地下水資源的主要分布區(qū)。其中燕山山前平原區(qū)、滹沱河山前洪積扇平原區(qū)地下水資源量模數(shù)達(dá)到15萬～20萬m3/km2，大清河、子牙河、漳河山前洪積扇平原區(qū)地下水資源量模數(shù)10萬～15萬m3/km2；中東部平原區(qū)地下水主要由降水入滲補(bǔ)給，資源模數(shù)較低，一般為10萬～15萬m3/km2，個(gè)別地區(qū)5萬～10萬m3/km2；濱海平原區(qū)幾乎無淺層地下淡水資源量分布。

2.2 開發(fā)利用概況

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全省有86%的機(jī)電井分布在平原區(qū)，其中15%為深層機(jī)電井。

全區(qū)2001～2010年平均地下水開采量135億m3/a，淺層地下水開采量占71.1%，深層地下水開采量占28.9%。其中，農(nóng)田灌溉用地下水99.7億m3/a，約占地下水開采量的77%，生活用水占12%，工業(yè)用水占11%左右。

平原區(qū)井灌面積占全省灌溉面積的72.4%，山前平原區(qū)幾乎全部為井灌區(qū)。平原區(qū)地下水的開采強(qiáng)度較高，平均為15萬m3/a·km2，山前平原區(qū)可達(dá)到30萬m3/a·km2以上。全區(qū)地下水開發(fā)利用率達(dá)1.39，局部地區(qū)甚至達(dá)到1.5以上，無序的開采形成了地下水嚴(yán)重超采區(qū)，引發(fā)了一系列的地下水環(huán)境問題［1］。

3 地下水開采特點(diǎn)分析

河北省水資源緊缺，水資源危機(jī)產(chǎn)生于人類社會(huì)對(duì)水資源的利用過程。水資源的開發(fā)利用和管理的目的是對(duì)社會(huì)水循環(huán)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)控，使之與區(qū)域自然水文循環(huán)相適應(yīng)，保證水資源的可持續(xù)利用。水資源監(jiān)測(cè)是水資源管理的重要一環(huán)。

3.1 開采量監(jiān)測(cè)

目前地下水開采量監(jiān)測(cè)站網(wǎng)涉及35個(gè)平原縣（市），監(jiān)測(cè)層位包括了淺層水和深層水。整理2003年以來的平原區(qū)開采量監(jiān)測(cè)井資料，選定其中開采量監(jiān)測(cè)資料較完整、作物種植具有一定代表性且變化不太劇烈的監(jiān)測(cè)井18眼，作為開采量分析的代表站。這些開采井分布在河北省平原區(qū)的9個(gè)市16個(gè)縣（區(qū)），單井控制灌溉面積幾十畝到幾百畝。河北省平原區(qū)地下水開采量監(jiān)測(cè)站分布見表2。

表2 地下水開采量監(jiān)測(cè)站分布

河北省平原區(qū)主要種植冬小麥—夏玉米一年兩熟糧食作物，間有少量雜糧和其他作物。如濱海平原區(qū)種植少量水稻；山前和中部平原區(qū)種植少量棉花、蔬菜和果木等等。

3.2 開采量指標(biāo)特性分析

3.2.1 年灌水次數(shù)

據(jù)實(shí)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)，在小麥生長(zhǎng)季節(jié)，邯鄲市、邢臺(tái)市一般春季灌水2次，冬季灌水1次；石家莊市、保定市小麥春季灌水3次，冬季1次，有時(shí)澆播前灌水1次；廊坊市、秦皇島市春季灌水2～3次，冬季有時(shí)灌水1次；唐山市春季一般灌水2次，冬季有時(shí)灌水1次。

玉米生長(zhǎng)期，灌水次數(shù)多為1次，個(gè)別年份2或3次，也有全年無灌水的。

年灌水次數(shù)比較穩(wěn)定，年灌水次數(shù)反映了作物種植類型，一般單純小麥、玉米種植區(qū)年最大灌水次數(shù)不超過6次，超過6次的至少有3種作物，灌水次數(shù)越多，則表示種植作物種類越多。代表站灌水次數(shù)及定額分析見表3。

表3 代表站灌水次數(shù)及定額

3.2.2 灌水定額

代表站年平均灌水定額58m3，年際變化較穩(wěn)定。灌水定額與作物種類關(guān)系密切，也可以說作物種類直接影響灌水定額。如滄縣齊家務(wù)觀測(cè)井的灌溉地塊，是典型的小麥—玉米種植型結(jié)構(gòu)；每年的灌溉水量相對(duì)變化較小，最大與最小灌溉定額之比為1.08。年平均灌水定額變化最大的是石家莊南卓頭站和邯鄲蓮花口站，其中南卓頭灌水定額最大74m3，最小33m3，相差2.26倍；蓮花口灌水定額最大74m3，最小35m3，相差2.14倍。種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是導(dǎo)致灌水定額變化較大的原因。由單純的種植小麥、玉米糧食作物，到改種大批果樹，其生長(zhǎng)期需水量發(fā)生變化，灌溉水量亦發(fā)生變化。如：南卓頭2008年以前種植小麥、玉米間有少量雜糧，灌水定額70m3，2008年開始除少量小麥、玉米外，以果樹為主，灌水定額33m3。

3.3 開采量與降水量關(guān)系

3.3.1 區(qū)域降水量

從20世紀(jì)50～90年代，再到21世紀(jì)初，平原區(qū)降水量基本處于遞減的趨勢(shì)。相對(duì)50年代，80，90年代降水分別減少96.4，72.6mm。2001～2010年平均年降水量484.8mm，以偏枯水為主。其中僅2003年為偏豐年，2004、2008、2009年為平水年，2005、2007、2010偏枯水年，2001、2002、2006年為枯水年。在2003～2010年平均降水509.8mm，8年僅1個(gè)偏豐年。

為了探討開采量和其對(duì)應(yīng)的降水量之間的聯(lián)系，在每站附近選1～2個(gè)雨量代表站，代表開采井控制區(qū)的降水情況。代表站2003～2010年平均降水量517.5mm，與平原區(qū)降水一致?？菁窘邓?31.8mm，占年量的25.5%。

平原區(qū)降水空間分布不均勻，各區(qū)域的豐枯情況并不一致。144站年資料中，偏豐水年36站年，平、枯水年各54站年，2003～2010年降水以平、枯為主。降水高值區(qū)多分布在濱海平原區(qū)，低值區(qū)多分布在中部平原區(qū)，但個(gè)別年份也有變化，如2008年中部平原區(qū)的北中山降水最大，2009年濱海平原的趙家港降水最小。

3.3.2 代表站開采量

18個(gè)代表站中的13個(gè)站的年最大開采量發(fā)生在2005、2006、2010年偏枯水年份，占代表站的72.2%。有9個(gè)站的年最小開采量發(fā)生在偏豐水年份，占代表站的一半。也有代表站的年最小開采量發(fā)生在偏枯水年份，如邯鄲的蓮花口、臨洺關(guān)；保定的冉莊、大溝及唐山的司各莊。這與降水量的時(shí)程分配有關(guān)。

開采量年際變化小的是邯鄲臨洺關(guān)、保定大溝站，極值比分別是1.8、1.7；年際變化最大的是廊坊芒店站，極值比6.4。芒店站2007年開采量最小，該年為平水年，3、5月降水高于常年值，相應(yīng)的3月沒有開采量，5月開采量也低于常年值。

枯季平均開采量占全年開采量的70%，最多占78%，為南卓頭站；最少占49.9%，為蓮花口站，該站主要種植蔬菜。

綜合分析可以看出，影響開采量的主要因素是作物種類和枯季降水。地下水開采量與作物及其生長(zhǎng)期的降水關(guān)系密切，降水量增大，農(nóng)作物耗水從降水中獲得的供給增大，農(nóng)田灌溉水量減少，農(nóng)業(yè)地下水開采量也隨之減少，遇枯水年份，作物耗水主要靠地下水灌溉支持，農(nóng)業(yè)地下水開采量較大。開采量年際變化及對(duì)應(yīng)河北省平原區(qū)降水量豐枯等級(jí)見表4。

表4 開采量年際變化及對(duì)應(yīng)平原區(qū)降水量豐枯等級(jí)

3.3.3 枯季開采量與降水量關(guān)系

開采量監(jiān)測(cè)地塊多種植小麥、玉米。冬小麥播種期在每年10～11月，生長(zhǎng)期在次年3～5月。這期間正逢一年中的枯水季節(jié)，降水量不能滿足作物的生長(zhǎng)需求，需要進(jìn)行灌溉補(bǔ)水。因此，枯季降水量決定年開采量大小。

通過單站分析發(fā)現(xiàn)，枯季降水尤其是3、5月降水影響了年開采量。本文以南卓頭站為例，具體分析降水量與開采量之間變化關(guān)系見圖1。

圖1 南卓頭站枯季降水量與開采量

由圖1可知，開采量和降水量基本呈現(xiàn)反向一致性，當(dāng)降水量大時(shí)，開采量??；當(dāng)降水量減少時(shí)，開采量增加；開采量變化比降水量更劇烈，但也存在年份降水量接近，開采量有差別的情況。

2003年為降水偏豐年，年降水量593.2mm；枯季的降水也最多，為235.4mm；且4、5、10、11月份降雨也相對(duì)均勻，該年枯季開采量最小與降水量排位反向一致；2004年為偏豐年，年降水量628.6mm，大于2003年，但枯季降水僅106.6mm，遠(yuǎn)小于2003年，對(duì)應(yīng)的枯季開采量明顯大于2003年，枯季降水對(duì)開采量影響顯著。2005、2006年為枯水年，年枯季降水相同，降水量76mm，其開采量明顯增大，2005年開采量最大，2006年次之；2007年為平水年，2008年為豐水年，2009年為偏豐水年，但枯季降水接近，其開采量接近；2007年開采量稍大于2008、2009年，主要是2008年4月份、2009年10月份降水量多，這兩月相應(yīng)開采量減少。2010年降水量明顯減少，開采量較2008、2009年雖然增多，但與降水接近的2005年相比，開采量明顯減少，從降水量分布看，2010年3月份有一次降水，而2006年沒有，2010年3月份開采量小于2005年3月份。另外，2010年種植作物與2006年相比也發(fā)生了變化，小麥種植減少，林果種植面積增大，也影響了開采量。

分析可見，農(nóng)業(yè)開采量不僅受年降水量的影響，更與降水量季節(jié)分配有關(guān)，枯季降水對(duì)開采量的影響更直接。更細(xì)一步說，枯季月降水量甚至是次降水量的分配直接影響著開采量。

4 結(jié)語

（1）河北省平原區(qū)農(nóng)田灌溉開采量占平原區(qū)總開采量的77%，平原區(qū)井灌面積占全省灌溉面積72.4%，山前平原區(qū)幾乎全部為井灌區(qū)。

（2）開采量和作物結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。以小麥、玉米作為主要種植作物的區(qū)域，年灌溉次數(shù)不多于6次，少的僅灌溉3次；作物種植復(fù)雜的區(qū)域灌水次數(shù)也多。代表站平均灌水定額58m3，灌水定額雖有一定變化，但種植作物比較穩(wěn)定的代表站定額基本固定。

（3）代表站灌溉次數(shù)接近DB13/T1161—2009《河北省用水定額》，但灌水定額普遍偏大，存在一定節(jié)水潛力。

（4）平原區(qū)地下水開采量7成集中在枯季。以小麥為主的種植區(qū)域，3、4月份降水量直接影響全年開采量。

（5）枯季開采量和天然降水反向變化趨勢(shì)一致，這為平原區(qū)開采量統(tǒng)計(jì)管理提供了思路，在水資源緊缺地區(qū)，進(jìn)一步加大平原區(qū)地下水開采量監(jiān)測(cè)井的規(guī)模，開采量監(jiān)測(cè)結(jié)果可以作為統(tǒng)計(jì)開采量的校核依據(jù)，或可以此為依據(jù)建立開采量預(yù)測(cè)模型。

（6）加強(qiáng)開采區(qū)不同作物及其灌溉面積的監(jiān)測(cè)，完善地下水開采量監(jiān)測(cè)方法，努力提高監(jiān)測(cè)精度，為水資源管理提供依據(jù)。

［1］張石春，張建平.河北省平原區(qū)近30年來地下水動(dòng)態(tài)變化及可持續(xù)利用對(duì)策［J］.海河水利，2005（2）.

［2］河北省水利廳.河北省水資源評(píng)價(jià)［R］.2004.

［3］段愛旺，孫景生，劉鈺，等.北方地區(qū)主要農(nóng)作物灌溉用水定額［M］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

［4］河北省水利科學(xué)研究院.河北省主要作物土壤水資源利用現(xiàn)狀與預(yù)測(cè)技術(shù)報(bào)告［R］.2009.

［5］河北省水文水資源勘測(cè)局.河北省水資源公報(bào)［R］.2010.

［6］程伍群，張艷紅.水資源危機(jī)產(chǎn)生與管理［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2010.

［7］張光輝，費(fèi)宇紅，劉克巖，等.華北平原農(nóng)田區(qū)地下水開采量對(duì)降水變化相應(yīng)［J］.水科學(xué)進(jìn)展，2006（1）.

［8］河北省水利廳.河北省水利統(tǒng)計(jì)年鑒［R］.2010.

［9］河北省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，河北省水利廳.用水定額［R］.2009.