涇惠渠灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)與灌溉農(nóng)業(yè)的關(guān)系

王建瑩，張盼盼，劉　燕

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院， 陜西 西安 710054)

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涇惠渠灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)與灌溉農(nóng)業(yè)的關(guān)系

王建瑩1，張盼盼1，劉燕2

(1.長(zhǎng)安大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710054； 2.長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院， 陜西 西安 710054)

摘要：基于大量實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用相關(guān)關(guān)系分析近50年來(lái)灌區(qū)地下水位動(dòng)態(tài)和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化的關(guān)系等，研究地下水位對(duì)灌溉農(nóng)業(yè)和氣候條件變化的響應(yīng)。研究表明：涇惠渠灌區(qū)實(shí)際灌溉面積從1958—1982年約8.2萬(wàn)hm2減少到1983—2000年約4.87萬(wàn)hm2，同時(shí)糧食作物種植比例逐漸從70%上升到95%，近20年來(lái)，蔬菜種植面積不斷增加，當(dāng)前已經(jīng)達(dá)到作物種植面積的25%左右；1983年之前，隨作物種植面積的增加地下水位變化不大，1983年之后灌區(qū)蔬菜播種面積劇增，蔬菜種植面積每增加1萬(wàn)hm2，地下水位降幅為3.5 m；同時(shí)地下水位下降還受蒸發(fā)強(qiáng)度、工業(yè)用水等因素的影響。

關(guān)鍵詞：涇惠渠灌區(qū)；地下水位；農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，水資源短缺已經(jīng)成為全球性問(wèn)題，我國(guó)特別是西北干旱半干旱地區(qū)灌區(qū)的水資源短缺問(wèn)題更為突出[1]。灌區(qū)屬半濕潤(rùn)易旱氣候區(qū)，降水較少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，地表徑流匱乏，維持地下水資源的良性循環(huán)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和生態(tài)可持續(xù)發(fā)展有著極其重要的意義[2]。

灌區(qū)是水資源系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)作物系統(tǒng)等子系統(tǒng)相互耦合的復(fù)雜的水文生態(tài)系統(tǒng)，不合理的開(kāi)發(fā)利用水資源對(duì)區(qū)域水文生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)業(yè)灌溉和水資源的不合理利用[3-4]，涇惠渠灌區(qū)地下水超采嚴(yán)重，地下水位急劇下降，嚴(yán)重影響灌區(qū)的水資源良性循環(huán)，持續(xù)威脅灌區(qū)的生產(chǎn)生活用水和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，節(jié)水與養(yǎng)水成為干旱半干旱地區(qū)的灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的必由之路[5]。沈去凡[6]等研究認(rèn)為地下水位下降引起灌溉成本增加，促使農(nóng)民種植收益更高、風(fēng)險(xiǎn)更大的經(jīng)濟(jì)作物，增加了農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)給糧食安全帶來(lái)隱患；牛松濤[7]等研究表明區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)與農(nóng)業(yè)發(fā)展密切相關(guān)，水位與農(nóng)業(yè)灌溉需水量變化趨勢(shì)相反；張光輝等[8]研究表明，糧食和蔬菜種植面積與地下水位密切相關(guān)。針對(duì)涇惠渠灌區(qū)，賀屹[9]提出涇惠渠灌區(qū)地下水已處在嚴(yán)重的負(fù)均衡狀態(tài)；劉燕[10]認(rèn)為，灌區(qū)渠井灌溉比例失調(diào)導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降。

已有研究多是從灌區(qū)地表、地下水資源的利用量進(jìn)行分析，對(duì)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)變化分析較少，特別是灌溉農(nóng)業(yè)和地下水的長(zhǎng)期影響與響應(yīng)機(jī)制研究較少。利用長(zhǎng)系列資料分析探討農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)對(duì)地下水位動(dòng)態(tài)的影響機(jī)制，對(duì)于認(rèn)識(shí)農(nóng)業(yè)用水規(guī)律和促進(jìn)灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[11-12]。

1研究區(qū)概況及數(shù)據(jù)來(lái)源

1.1研究區(qū)概況

涇惠渠是繼鄭國(guó)渠及歷代引涇河灌溉工程之后，由我國(guó)近代著名水利學(xué)家李儀祉先生主持修建的現(xiàn)代化大型灌溉工程。涇惠渠灌區(qū)是關(guān)中乃至西北地區(qū)的重要灌區(qū)之一[13]。多年來(lái)灌區(qū)年均糧食產(chǎn)量近80萬(wàn)t，是陜西省糧食主產(chǎn)區(qū)之一，占陜西省糧食總產(chǎn)量的6.5%左右；2012年灌區(qū)蔬菜種植面積達(dá)4.67萬(wàn)hm2，是咸陽(yáng)、西安兩市農(nóng)副產(chǎn)品的主要供給地。

涇惠渠灌區(qū)北依仲山和黃土臺(tái)原，西、南、東三面有涇河、渭河、石川河環(huán)繞，清峪河自西向東穿過(guò)，灌區(qū)總面積約為1 180 km2，有效灌溉面積約900 km2。灌區(qū)屬半濕潤(rùn)易旱氣候區(qū)，區(qū)內(nèi)多年平均降雨量約545 mm，蒸發(fā)量約1 210 mm。灌區(qū)主要從涇河引水灌溉，近年來(lái)涇河年徑流量不斷減少，從1954—1990年的18.46億m3減少到1991—2006年的12.05億m3，減少35%左右。灌區(qū)淺層地下水資源較為豐富，是地下水開(kāi)采利用的主要對(duì)象，降雨和灌溉是影響灌區(qū)淺層地下水補(bǔ)給的主要因素，約占總補(bǔ)給量的85%，其中灌溉入滲占52.6%，降雨入滲占32.4%[4]，因此渠灌面積和地下水開(kāi)采量是影響地下水動(dòng)態(tài)的關(guān)鍵。

涇惠渠建成之后，由于大水漫灌，造成地下水位嚴(yán)重上升，引發(fā)了大面積次生鹽漬化。圖1為灌區(qū)地下水埋深小于3 m的地區(qū)占灌區(qū)面積比例，20世紀(jì)50年代中期，灌區(qū)地下水埋深小于3 m的地區(qū)占灌區(qū)的20%左右，到1963年達(dá)到了近70%，鹽漬化十分嚴(yán)重。為了解決這一問(wèn)題，從1964年開(kāi)始灌區(qū)普遍發(fā)展打井，井渠雙灌，治理次生鹽漬化[1]，到1971年前后，灌區(qū)地下水埋深小于3 m的地區(qū)調(diào)節(jié)回到20%左右，其中埋深小于2 m的地區(qū)僅占2%左右。到20世紀(jì)80年代中期，灌區(qū)地下水埋深小于3 m的地區(qū)再次擴(kuò)大，1984年達(dá)到灌區(qū)的近50%，此后所占比例開(kāi)始下降。灌區(qū)井渠灌溉面積比例基本可以分為三個(gè)階段，1958—1965年井渠比不足0.1，1966—1972年井渠比為0.27，1973—1982年為0.71，井渠灌溉比例基本維持在允許水平[15]，之后由于渠灌面積減少井灌面積增加，灌區(qū)井渠灌溉比例逐漸失調(diào)，2000—2012年井渠灌溉比例約為1.5，地下水嚴(yán)重超采，地下水位連年下降。

圖1地下水埋深小于3 m的地區(qū)占灌區(qū)比例

Fig.1Area of groundwater with buried depth less than 3 m

圖2為涇惠渠灌區(qū)地下水平均埋深變化特征，1985年以前，灌區(qū)地下水平均埋深在4 m左右，此后埋深逐漸增加，到1990年為7 m，1995年為11 m，2012年達(dá)到近15 m，2012年比1985年下降了約11 m。其中1985—1995年間是灌區(qū)地下水位下降最劇烈的時(shí)期，平均每年下降0.7 m。

圖2灌區(qū)地下水埋深變化

Fig.2Variations of groundwater depth

1.2數(shù)據(jù)來(lái)源

數(shù)據(jù)主要來(lái)源于長(zhǎng)安大學(xué)水與發(fā)展研究院積累的多年實(shí)測(cè)資料及涇惠渠志、陜西省統(tǒng)計(jì)年鑒和陜西省志，部分近期資料來(lái)源于合作單位涇惠渠管理局。

2作物種植結(jié)構(gòu)變化特征

與灌區(qū)地下水位下降同時(shí)變化的是灌區(qū)的渠灌面積和農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)。新中國(guó)成立以來(lái)涇惠渠灌區(qū)渠灌面積可以分為三個(gè)階段：第一階段是1950—1957年，實(shí)際灌溉面積平均約4萬(wàn)hm2；第二階段是1958—1982年，實(shí)際灌溉面積平均約8.2萬(wàn)hm2；第三階段是1983—2000年，實(shí)際灌溉面積平均約4.87萬(wàn)hm2。圖3為涇惠渠灌區(qū)渠灌面積的變化情況，可以明顯看出灌區(qū)渠灌面積變化的三個(gè)階段。

圖3　灌區(qū)歷年渠灌面積變化

圖4灌區(qū)不同作物種植面積變化

Fig.4Different crops planting areas

灌區(qū)的農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)變化大致也經(jīng)歷了三個(gè)階段(圖4)：解放初期灌區(qū)棉花種植面積較大，約占總面積的50%；20世紀(jì)80年代后，小麥和玉米種植比例逐漸從70%上升到95%，灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)過(guò)渡到以小麥、玉米等糧食作物為主；近年來(lái)種植結(jié)構(gòu)又調(diào)整為以蔬菜和糧食作物為主。表1為涇惠渠灌區(qū)作物種植面積統(tǒng)計(jì)情況。

由表1可以看出，棉花種植面積先增加后減少，在1961—1970年達(dá)到最大，種植面積年均3.26萬(wàn)hm2，之后逐年減少，到1991—2000年只有0.82萬(wàn)hm2，減少75%，2001年之后，棉花種植面積不足灌區(qū)面積的5%，不統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。糧食作物在灌區(qū)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)中占重要地位，灌溉初期有近3.33萬(wàn)hm2，20世紀(jì)80年代后至今逐漸穩(wěn)定在13.33萬(wàn)hm2左右。蔬菜種植面積在20世紀(jì)70年代中期開(kāi)始發(fā)展，到1981—1990年發(fā)展到近0.67萬(wàn)hm2，1991—2000年平均達(dá)到近2萬(wàn)hm2，2001—2012年均超過(guò)4萬(wàn)hm2，基本代替了灌區(qū)建設(shè)初期棉花在灌區(qū)的種植地位，并且隨著城鎮(zhèn)化和生活水平的提高有繼續(xù)增加的趨勢(shì)。

表1　涇惠渠灌區(qū)作物種植面積/104hm2

3地下水位與作物種植動(dòng)態(tài)關(guān)系

隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整，農(nóng)業(yè)用水對(duì)水質(zhì)和水量的要求也在改變。1983年之前農(nóng)業(yè)作物以棉花和糧食為主，主要以地表水灌溉為主，隨著作物種植面積的增加，渠灌面積也不斷增大，地表水灌溉量持續(xù)增加；1983年之后則更多地利用地下水灌溉。

圖5為1983年之前作物種植面積與實(shí)際渠灌面積關(guān)系。可以看出，實(shí)際渠灌面積隨著作物種植面積的增加而增加，兩者呈正比關(guān)系。具體統(tǒng)計(jì)關(guān)系見(jiàn)公式(1)：

Fc=1.4417Fi+1.5397，R2=0.858

(1)

其中，F(xiàn)c為作物種植面積(104hm2)；Fi為實(shí)際渠灌面積(104hm2)。

圖51983年前作物種植面積與實(shí)際渠灌面積的關(guān)系

Fig.5Relationship between crop planting area and the

real canal irrigation area before 1983

計(jì)算表明，1983年之前，作物種植面積每增加1萬(wàn)公頃，實(shí)際渠灌面積增加近0.7萬(wàn)hm2。

雖然隨著作物種植面積的增加作物蒸發(fā)蒸騰量不斷加大，由于渠灌主要引用地表客水資源，增加了灌區(qū)地下水補(bǔ)給量，因此，雖然蒸發(fā)蒸騰量較大但地下水位仍然能保持基本穩(wěn)定(見(jiàn)圖2)。

1984年農(nóng)業(yè)內(nèi)部結(jié)構(gòu)調(diào)整，棉花種植面積急劇下降；蔬菜種植面積快速增加(見(jiàn)表1)。由于灌區(qū)蔬菜普遍采用地下水灌溉，蔬菜種植面積的急劇增加，加大了地下水的開(kāi)采力度。

圖6為1983—2000年蔬菜種植面積和地下水平均埋深的關(guān)系。

統(tǒng)計(jì)公式：

d=0.2484Fv+32037，R2=0.9124

(2)

其中，F(xiàn)v為蔬菜種植面積(104hm2)；d為地下水平均埋深(m)。

圖6灌區(qū)地下水平均埋深與蔬菜種植面積的關(guān)系

Fig.6Relationship between groundwater depth

and vegetable planting area

地下水埋深隨著蔬菜種植面積的增加而增加，計(jì)算表明，蔬菜種植面積每增加1萬(wàn)公頃，地下水埋深下降3.5 m。

4結(jié)果與分析

灌區(qū)地下水位不斷下降是地下水排泄量大于補(bǔ)給量造成的。灌區(qū)補(bǔ)給來(lái)源主要有降水和灌溉，排泄途徑主要是農(nóng)業(yè)開(kāi)采利用和蒸發(fā)。

從涇惠渠灌區(qū)年降水量曲線可以看出，灌區(qū)降水有下降趨勢(shì)，但并不顯著(圖7A)，其對(duì)灌區(qū)近年來(lái)地下水位的急劇下降影響不大；從灌區(qū)渠灌面積曲線可以看出，近年來(lái)灌區(qū)渠灌面積一直處于較低水平，實(shí)際灌溉面積約為4.87萬(wàn)hm2(圖3)，地表水灌溉利用量減少，對(duì)灌區(qū)地下水的補(bǔ)給嚴(yán)重不足。

灌區(qū)年蒸發(fā)量見(jiàn)圖7B?？梢钥闯龉鄥^(qū)年蒸發(fā)量在1983—1999年呈現(xiàn)出明顯的增加趨勢(shì)，年蒸發(fā)量平均每年增加約35 mm，從1993年開(kāi)始，蒸發(fā)量急劇增加，從1993年的793 mm增加到1999年的1 407 mm，增加了約77%。由圖看出，蒸發(fā)量的變化與地下水埋深下降波動(dòng)一致(圖7B)，在此期間灌區(qū)地下水埋深下降8.42 m。

灌區(qū)地下水開(kāi)采量急劇增加，1981年為6 400萬(wàn)m3，1990年達(dá)到10 800萬(wàn)m3，2001則達(dá)到23 000萬(wàn)m3，井渠灌溉比例失調(diào)，這是灌區(qū)地下水位下降的主要原因，但其深層次的原因是灌區(qū)作物種植結(jié)構(gòu)調(diào)整，特別是灌區(qū)蔬菜種植面積的大幅度增加，不但直接增加了地下水開(kāi)采量，降低了地下水位，也增加了作物蒸發(fā)蒸騰量，增加了水的無(wú)效消耗，使得灌區(qū)處于支出大于收入的不均衡狀態(tài)。

圖7灌區(qū)降水量與蒸發(fā)量變化

Fig.7Changes of precipitation and evaporation

除農(nóng)業(yè)灌溉用水之外，隨著西安-咸陽(yáng)一體化建設(shè)的快速發(fā)展，灌區(qū)工業(yè)、服務(wù)業(yè)用水也不斷增加。灌區(qū)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值(GDP)從1978年不足3億元增加到2012年的600多億元，增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于全國(guó)平均水平，這是以區(qū)域水資源消耗為代價(jià)的，按照萬(wàn)元GDP用水量100 t估算，2012年灌區(qū)用水量達(dá)到6億m3，嚴(yán)重消耗灌區(qū)有限的地下水資源。以位于涇渭新區(qū)附近的船張觀測(cè)點(diǎn)為例，1978年地下水埋深為17.13 m，1980年為18.4 m，1991年達(dá)到了27.1 m，2012年達(dá)到了39.3 m，下降十分劇烈，1978—2012年平均每年下降0.89 m。

5結(jié)論

涇惠渠灌區(qū)地理位置優(yōu)越，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但灌區(qū)地下水資源超采也十分嚴(yán)重，地下水位下降劇烈，特別是1983年以來(lái)地下水位下降的幅度呈現(xiàn)加劇態(tài)勢(shì)。

地下水超采是導(dǎo)致地下水位下降的主要因素，而區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)的變化則是地下水超采的直接原因。1983年作物種植結(jié)構(gòu)改變前，灌區(qū)地下水位變化不大；1983年之后灌區(qū)種植結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，蔬菜種植面積劇增，作為農(nóng)業(yè)灌溉目的的地下水量不斷增加，地下水超采嚴(yán)重，每增加1萬(wàn)公頃蔬菜，地下水位降幅為3.5 m。

灌區(qū)年蒸發(fā)量不斷增加和工業(yè)生產(chǎn)取用水量的增加也是影響灌區(qū)地下水位下降的重要因素。

針對(duì)涇惠渠灌區(qū)地下水資源超采和地下水位的持續(xù)下降問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)積極調(diào)整農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化農(nóng)業(yè)節(jié)水特別蔬菜生產(chǎn)的節(jié)水，降低水資源的無(wú)效消耗，促進(jìn)水資源的良性循環(huán)。

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Relationship between groundwater level and irrigated agriculture in

Jinghuiqu irrigation area of China

WANG Jian-ying1, ZHANG Pan-pan1, LIU Yan2

(1.Chang'anUniversitySchoolofEnvironmentalScienceandEnginering,Xi'an,Shaanxi710054,China;

2.ResearchInstituteofWaterandDevelopmentChang'anUniversity,Xi'an,Shaanxi710054,China)

Abstract：Based on actual measurements and meteorological data, by the basic theory of correlation analysis, the paper researched relationship between groundwater dynamic regime and the change of agriculture planting structure and the response of groundwater tables to irrigation farming and climate change in more than 50 years. Jinghuiqu Irrigation design irrigated area decreased from about 82 000 hm2in 1958 to 1982 to about 48 700 hm2in 1983 to 2000, while the proportion of food crops gradually increased from 70 percent to 95 percent, in the past 20 years,vegetable cultivated area are increasing, and has reached about 25% of the crop area currently; prior to 1983, groundwater level changed little with increased, after 1983 vegetable cultivated area had a drastic increase and a 3.5 m decrease in groundwater level for every 10 000 hm2increase in the crop cultivated area. At the same time water-table declines also affected by evaporation intensity, industrial water and other factors.

Keywords:Jinghuiqu irrigation area; groundwater level; agriculture planting structure

中圖分類號(hào)：P641.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

作者簡(jiǎn)介：王建瑩(1986—)，男，山東單縣人，博士研究生，主要從事水文水資源方面研究。 E-mail: jianying20053096@163.com。

基金項(xiàng)目：教育部 國(guó)家外專局高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(111)項(xiàng)目(B08039)；干旱半干旱地區(qū)多種農(nóng)業(yè)水資源合理配置及有效利用戰(zhàn)略研究(201407x2002)；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2011JQ5013)；中央高校基金(CHD2011JC046)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(00092014G1291076)

收稿日期：2015-01-31

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.01.38

文章編號(hào)：1000-7601(2016)01-0247-05