華北井灌區地下水水位變化現狀及應對措施建議

劉海若，白美健，劉群昌，劉洪玲

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

華北井灌區地下水水位變化現狀及應對措施建議

劉海若1，白美健1，劉群昌1，劉洪玲2

（1.中國水利水電科學研究院，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的重要水源。圍繞華北井灌區地下水水位變化特征，國內學者開展了大量研究工作。在查閱相關研究成果的基礎上，歸納分析了華北井灌區地下水水位時空變化規律及降水、農田灌溉對其產生的影響。針對華北井灌區地下水利用現狀中存在的問題，提出了遏制地下水水位持續下降的對策和建議，包括充分利用汛期降雨回補地下水、合理確定作物種植強度和種植結構、因地制宜選擇節水灌溉模式、建立地下水自動監測網絡系統，為最嚴格水資源管理制度的實施提供技術支撐。

華北井灌區；地下水水位變化；時空分布；應對措施

華北井灌區是我國重要的糧食和蔬菜生產基地，農業灌溉以地下水為主，水資源極度短缺。現有灌溉機電井374.3萬眼，井灌面積1.6億畝（1畝=1/15 hm2，下同），占全國井灌面積的58.6%。由于地下水長期無序開發，華北地區已成為世界上最大的地下水漏斗區。地下水水位持續下降，引發了地面沉降裂縫、咸水界面下移入侵深層淡水、機井報廢加快、生態退化和地下水污染等一系列環境和地質問題，嚴重威脅著華北以及全國的糧食安全。如何在保障地下水水位不再下降并逐漸修復的基礎上穩定糧食產量，是當前水利行業科技發展面臨的一大難題。為此，基于以往實測數據和研究結果，在歸納分析華北井灌區地下水水位時空變化現狀的基礎上，結合當前該地區社會、經濟發展現狀和農田土地經營模式及農業種植結構等變化狀況，提出遏制地下水水位下降的相應措施。

一、地下水水位時空變化特征分析

根據地貌特征，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，工農業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據來分析其地下水水位時空變化特征。

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。1999年之前地下水埋深變化相對平緩，呈緩慢波動增加趨勢，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。主要因為1999年前北京地區工農業和城市用水呈緩慢增加趨勢，年際降雨量波動對地下水埋深產生較大影響，而1999年后由于城市迅速發展，設施農業不斷增加，使得城市與農業用水急劇增加，同時降水量大幅度減少，進入連續干旱期，取增補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，無節制的開采是導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，增幅達到22.77m。30年間增加趨勢存在波動，其中1986— 1990年和1995—2000年，變化最為平緩，而1990—1995年和2000—2006年增加趨勢最為明顯，在這兩個時段埋深平均每年下降1.76m。與北京相比，石家莊地區農業灌溉為地表水與地下水聯合利用方式，30年間盡管城市和工農業用水急劇增加，地下水開采量隨之增大，但因地表水灌溉對地下水有一定的補給作用，且補給量受豐枯年份和水庫供水量影響顯著，所以地下水水位變化趨勢會存在波動。相比而言，石家莊地下水水位總的下降幅度遠大于北京，這與較高的作物種植強度密切相關。

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，整體處于增加趨勢；1980—1996年間埋深變化相對平緩，波動范圍為3～4m，由于受到降水和灌溉的補給，埋深出現年間浮動；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，其主要原因是進入21世紀后，社會經濟迅速發展，工農業用水量急劇增加，地下水開采量不斷增大，降水和灌溉補給遠小于開采量。

從以上3個城市地下水埋深變化來看，近30年間地下水埋深都呈增加趨勢，且進入21世紀后，增加趨勢更為明顯。其中位于山前平原的北京和石家莊由于受人類活動影響明顯，降水對地下水的補給沒有顯著影響，但山前的側向補給，會使個別地區地下水埋深出現小幅波動。21世紀以后，隨著城市發展、人口增加，灌溉用水量增大，地下水開采量急劇增加，整個山前平原地下水埋深處于增加狀態，甚至在北京、石家莊等地出現了地面沉降、地下水漏斗等災害。中部平原德州市受降水和灌溉的補給明顯，地下水年際波動不大，但2000年以后，為滿足農業生產需求，地下水開采量也隨之增大，地下水水位出現了明顯下降。

圖2　城市地下水埋深年內變化

2.年內變化

已有研究結果表明（見圖2），華北平原地下水水位年內呈季節性變化，春季地下水埋深開始增大，最大埋深出現在春夏之交，夏季地下水埋深開始回升，最小埋深出現在夏秋之交，冬季地下水埋深開始增大。其中北京年內平均變幅為3.5m，呈明顯的單峰分布，5、6月份最大，1、2月份和11月份最小；石家莊年內平均變幅2.2m，1、2月份最小，灌溉季節開始后急劇增加，6、7月份最大，隨后緩慢降低；德州年內平均變幅為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。出現上述規律的主要原因為華北地區受季風氣候影響，地下水水位變化受降水和灌溉周期影響較大，春季和冬季要進行農業灌溉，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，降水和灌溉對地下水的補給出現滯后作用，補給周期延長，因此地下水波動幅度較大；中部平原由砂石組成，孔隙大，滲透、徑流、排泄條件好，降水和灌溉補給作用明顯，地下水波動較小。

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60年代到21世紀，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，整個山前平原地下水水位處于下降狀態，主要因為山前平原為城鎮集中區，工農業發達，地下水開采量大，降水對地下水的補給影響已非常有限，人類活動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60年代到21世紀變化不大，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，其開采主要用于農業灌溉，盡管降水和灌溉有一定的補給效應，但由于開采量大于補給量，地下水埋深整體還是處于增大趨勢，但幅度小于山前平原；濱海平原地下水埋深從20世紀60年代到21世紀幾乎沒變化，20世紀60年代的開采深度范圍為1～5m，21世紀的埋深范圍為0～2m，主要原因為濱海平原多為咸水分布，地下水利用程度低，基本無開采，主要受自然因素的控制，地下水水位變化無明顯規律。

二、降水及農業灌溉對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，其中氣候因素中主要是降水，人類活動主要是地下水開采，農業用水在地下水開采量中占較大比例，農業灌溉用水量受作物種植結構、種植面積、節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給源，通過兩方面影響地下水水位的變化，一方面是作為補給源，直接影響地下水水位變化；另一方面則是人類活動影響地下水水位變化，即枯水年時，農業用水開采量大，地下水水位下降較大；豐水年時，農業用水開采量小，地下水水位下降幅度小。已有研究發現，當年降水量每增加100mm時，華北平原農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.農業灌溉

井灌區典型縣的研究結果表明，農業用水量變化對地下水水位變化影響最為顯著。河北欒城縣地下水對不同開采量的響應分析表明：在現狀農業開采量1.01億m3基礎上分別減少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—欒城農業區用水量對地下水水位變化影響研究表明，農業用水量是引起地下水水位持續下降的最大誘因，該地區農業用水減少118.75mm時，地下水水位下降趨勢才可得到緩解。因此減少農業用水量是遏制地下水水位持續下降的有效措施。

圖3　華北不同地區地下水埋深變化

三、遏制地下水水位持續下降的應對措施與建議

作為糧食主產區和地下水嚴重超采區，華北地區水資源短缺所引發的一系列社會和生態問題已危及地下水資源的可持續利用和農業可持續發展。基于華北井灌區地下水水位時空變化規律及主要影響因素，結合國務院發布的《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》和對該地區節水壓采的要求，以華北井灌區“節水、穩產、壓采”為目標，提出以下應對措施：

1.充分利用汛期降雨入滲回補地下水

華北地區冬小麥全生育期內需水約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措施攔蓄當地降雨，如利用河床、人工溝渠、天然洼地、農田等進行回補，可有效提升地下水水位。

2.根據水資源承載能力合理確定作物種植強度和種植結構

隨著人口的增長，為滿足糧食生產需求和飲食結構變化需要，華北平原近些年來作物種植強度（單位耕地面積上農作物播種面積數量）不斷增加，其中滹滏平原從20世紀50年代到21世紀糧食種植強度增加20.73%，蔬菜種植強度增加105.99%，蔬菜播種面積在20世紀90年代后急劇增加，張西峰等研究發現，當糧食作物轉型為經濟作物時，耗水量增加2倍以上。播種強度和蔬菜播種面積占比的增加，使得農業用水開采量隨之增加，地下水水位下降幅度隨之增大。因此，作物種植結構的調整需要考慮當地水資源的承載能力。

3.因地制宜選擇節水灌溉模式

高效節水灌溉技術的實施大大降低了單位面積或者每千克糧食生產的用水量，提高了水分利用效率。基于河北省平原糧食產量及耗水量研究發現，1977年以前每多生產1 000 t小麥和玉米，實際需多開采地下水0.14億m3，而實施節水灌溉技術之后，每增產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，田間節水優先采用噴灌，地塊分散時采用高標準低壓管道輸水灌溉技術（合理的管道輸水工程＋完善的田間配水工程+改進的地面灌溉技術+精準的控制管理技術）；設施農業和經濟作物采用微灌；對主要作物采用非充分灌溉技術。在地下水淺層超采區，田間節水以采用高標準低壓管道輸水灌溉技術為主；對于規模化經營、設施農業、經濟作物推薦采用噴灌和微灌技術。整個地區推薦采用管理節水和農藝節水措施。

4.建立全面的地下水自動監測網絡系統

計量是嚴控的基礎和依據，只有加強取水、用水和排水的監測，尤其是對超采區的監測，充分掌握地下水實際使用情況，才能更好地落實最嚴格水資源管理制度和華北地區節水壓采方案。

四、結語

探究華北井灌區地下水水位時空變化特征，分析地下水水位影響因素，對實現地下水精細化管理，嚴格地下水保護具有重要意義。為有效遏制地下水水位持續下降，應充分掌握華北井灌區地下水水位年內、年際變化和空間分布特征，充分考慮降水、農業灌溉等對地下水水位的影響；充分利用汛期集雨，根據區域水源承載力調整作物種植結構，因地制宜選擇合適的節水灌溉方式，加強地下水水位監測；嚴格執行開采總量和地下水水位雙項把控，嚴守地下水水位紅線，制定合理的地下水禁采、限采方案，完善地下水管理制度，為落實最嚴格水資源管理制度奠定基礎。■

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責任編輯張金慧

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，主要從事農業用水管理研究。基金項目：國家自然科學基金項目（51509269）。