引黃灌區地下水動態變化影響因素及種植結構優化分析
——人民勝利渠灌區為例

Magzum Nurolla，張　彥，張嘉星，齊學斌

(中國農業科學院農田灌溉研究所，河南 新鄉 453002)

隨著社會經濟水平的提高，農業水資源供需矛盾凸顯，特別是在典型的引黃灌區[1,2]。為了保障典型灌區農業可持續發展，避免灌區出現地下水下降漏斗以及地下水環境惡化等問題，近年來有關學者對灌區地下水動態變化影響因素方面開展了一定的研究。郝芳華等[3]、Zhou等[4]通過農田灌溉水下滲試驗分別對河套灌區和青海典型灌區地下水在不同灌期等情況下的動態變化規律進行了探討；張暉[5]對昌馬灌區進行分區并分析了各區地下水動態類型；張琳等[6]、張斌等[7]分析了灌區地下水動態特征并利用GM(1,1)模型預測了水位埋深；李曉芳等[8]和張葉等[9]、王通等[1]分別采用水均衡法和灰色關聯分析法研究了瑪納斯河流域典型灌區和邢家渡灌區地下水動態變化特征及驅動因素對地下水的影響；徐存東等[10]分析了灌區地下水時空變化規律并探索了干旱揚黃灌區不同地下水運動帶的地下水動態特性；冷中笑等[11]、張霞等[12]分別建立了基于小波變換和BP神經網絡的地下水埋深動態預測小波神經網絡模型和基于支持向量機和改進的BP神經網絡模型的灌區地下水動態預測方法；杜偉等[13]運用了統計水文學方法分析了近30 年灌區變化環境因素及地下水開采量的變化趨勢；楊路華等[14]根據內蒙古河套灌區實際情況提出了地下水插花開采形式并分析了引黃水量、地下水開采量及地下水位的關系；王建瑩等[15]、譚秀翠等[16]結合等水位線圖法、ArcGIS和RS技術分別分析了涇惠渠灌區和石津灌區地下水動態時空變化規律。雖然以上研究在灌區地下水動態變化方面做了一定的工作，但在分析灌區地下水動態變化的基礎上對灌區種植結構優化分析方面涉及較少，本文以人民勝利渠灌區為研究對象，結合ArcGIS和Matlab軟件分析了灌區地下水動態變化規律并對地下水埋深與降雨量、引黃水量和井灌水量的關系進行了定量研究，同時通過建立灌區優化模型分析了灌區各分區種植結構調整后對引黃水量和井灌水量的需求，為人民勝利渠灌區今后的發展提供了一定的依據。

1　研究區域、數據來源及模型建立

1.1　研究區概況

人民勝利渠灌區位于河南省黃河北岸，包含了7縣1市郊，位于東經113°31′～114°25′，北緯30°00′～35°30′。灌區長約100 km，寬5～25 km，總土地面積為1 486.84 km2，目前灌區有效灌溉面積已達到5.65 萬hm2[17,18]。人民勝利渠灌區屬于暖溫帶大陸性季風氣候，降雨量年內分布不均，且年際變化較大，多年平均降雨量600 mm左右[19]。人民勝利渠灌區是自西南向東北傾斜的一個條形地帶，灌區地勢較平坦，平均坡降約1/4 000，灌區地下水流向則與地面坡向相同，都是西南方向到東北方向[20]。

根據灌區觀測井點、地貌類型及灌區地下水的埋深現狀，將灌區劃分為6個區(圖1)；1區為灌區上游，地貌類型為黃河灘地且地勢較高，灌溉方式主要是渠灌；灌區中游屬于井渠結合地區，上段地勢較高，下段地勢平緩，中游2區和中游4區主要是古黃河背河洼地，中游3區和中游5區主要是古黃河灘地；下游6區是古黃河灘地，采用井渠結合的灌溉方式，以井灌為主，渠水補源。古黃河灘地地勢較高，地面、地下水徑流條件較好；古黃河背河地區地勢低平，地面高程較古黃漫灘區低3～4 m，徑流條件較差[21,22]。

圖1　人民勝利渠灌區計算單元分區Fig.1 People's victory canal irrigation district calculation unit partition

1.2　數據來源

1952-2013年人民勝利渠灌區228個觀測井的平均地下水埋深監測數據，1952-2013年封丘、朱付村、官山、輝縣、汲縣、獲嘉、合河、大賓和大車集9個雨量站的平均降雨量資料，2006-2013年人民勝利渠灌區的引黃水量，2008-2013年人民勝利渠灌區的井灌水量；其中地下水埋深、引黃水量和井灌水量數據資料由河南省人民勝利渠管理局提供，9個雨量站降雨量資料由新鄉市水文水資源勘測局提供。

1.3　優化模型的建立

(1)目標函數。

(1)

式中：Z為灌區總的經濟效益，元；i為灌區子區域；j為作物種類，其中j=1時為小麥和玉米，j=2時為水稻；Aij為各區的作物種植面積，m2；yj和Pj分別為作物的單產和單價，kg/m2和元/kg；C1為引黃灌溉單價，元/m3；C2為抽取地下水單價，元/m3；Qqti為t時段子區域i的引黃水量，m3；Qgti為t時段子區域i的地下水抽取量，m3。

(2)約束條件。

灌溉需水量約束：

(2)

總渠水約束：

(3)

地下水資源約束：

(4)

種植面積約束：

(5)

變量非負約束：

Aij>0,Qqti>0,Qgti>0

(6)

式中：ntj為t時段內第j種作物的灌水定額，m3/m2；Pti為t時段子區域i的降雨量，m3；Qq為總的引黃水量，m3；μi為子區域i的給水度；si為子區域i的控制面積，m2；hti為t時段內第i子區域的地下水埋深的增加值，m。根據河南省人民勝利渠灌區節水改造研究成果報告，灌溉水利用效率α1為0.55，降雨有效利用系數α2為0.1，渠灌田間入滲補給系數β1為0.35，井灌回歸系數β2為0.1，降雨入滲補給系數β3為0.18。

2　結果與分析

2.1　灌區地下水時空動態變化規律

根據1952-2013年人民勝利渠灌區平均地下水埋深監測數據(圖2)可知，整體上地下水埋深呈現先減小后增加的趨勢，且近年來地下水埋深增加顯著；從2004年到2013年10年間灌區的地下水埋深增加了近2 m，2013年達到了7.22 m。因此灌區如果持續過度的開采地下水，地下水位持續下降引起灌區大范圍地下水降落漏斗，灌區的生態環境將會進一步惡化。根據灌區2012年各分區平均地下水埋深ArcGIS圖(圖3)可知，整體上灌區地下水埋深從西到東逐漸增加，各分區地下水埋深差異性較大，中游3區和下游6區地下水埋深較大，中游3區已經形成了地下水下降漏斗；而上游1區和中游2區部分地區地下水埋深相對較小。

圖2　灌區平均地下水埋深變化趨勢圖Fig.2 Variation of groundwater depth in irrigation district

圖3　2012年灌區地下水埋深分布圖Fig.3 Distribution of groundwater depth in irrigation district in 2012

中游3區地下水埋深與時間變化關系為y=0.223x-437.2，中游3區的線性傾斜率為0.223 m/a(圖4)；而下游6區的線性傾斜率最大為0.358 m/a，說明下游6區的地下水埋深變化最大。根據統計2013年灌區各區的平均地下水埋深(圖5)可知，在6個區域中地下水埋深最大的是中游3區和下游6區。另外根據ArcGIS的分區統計功能計算各個區從2007-2013年的地下水平均埋深(圖6)，中游2～5區和下游6區的地下水埋深呈現出明顯的增加趨勢，而上游1區變化不顯著；同時中游3區已經形成了嚴重的地下水漏斗，近年來該區域地下水埋深快速的增加，說明其地下水開采程度較高且外來的地下水補給不夠，因此該區域地下水資源匱乏將導致地下水環境問題以及影響地下水系統的生態平衡，削弱地下水系統的自凈能力，使地下水的污染問題更加突出[23]。

圖4　灌區3區地下水埋深隨時間變化圖Fig.4 Variation of groundwater depth in irrigation area 3

圖5　2013年灌區各區地下水埋深平均值Fig.5 Average groundwater depth of each district in 2013

圖6　人民勝利渠灌區地下水埋深時空變化圖Fig.6 Temporal and spatial variation of groundwater depth in people's victory canal irrigation district

2.2　灌區地下水動態變化影響因子分析

根據灌區從1952-2013年62年的雨量站的平均降雨資料可知，灌區多年平均降雨量為574.53 mm，灌區60多年來降雨量整體呈下降趨勢(圖7)。地下水埋深與降雨量的關系式為y=-0.002 2x+4.645 1，二者呈負相關關系，地下水埋深隨著降雨量的增大而減小，其線性傾向率為-0.002 2 m/mm(圖8)；分析可知灌區降雨量序列下降趨勢較為顯著，因此降雨量的減少也是灌區平均地下水埋深增大的原因之一。

地下水埋深與引黃水量有顯著相關關系，顯著性水平為0.028 7，可知引黃水量的多少及其空間配置直接影響了灌區各區的地下水埋深；灌區多年平均引黃水量為4.57 億m3，2000年以后引黃水量明顯減少，平均為2.57 億m3，減少了43.7%；根據2006-2013年引黃水量與地下水埋深關系(圖9)可知，近年來引黃水量下降趨勢明顯，而農業需水量變化不大，故灌區部分地區地下水的開采量更大；地下水埋深與引黃水量的關系式為y=-0.4x+7.810 1，二者呈負相關關系，隨著引黃水量的減少，地下水埋深也隨著增大，其線性傾向率為-0.4 m/億m3。灌區地表水灌溉入滲是地下水補給的主要來源之一[24]，隨著灌區地表灌溉引水量的減少，地下水補給量也隨之減少，進而導致灌區地下水位的下降。地下水埋深與井灌水量的關系式為y=2.305x+0.716，二者呈正相關關系，隨著井灌水量的增大，地下水埋深也隨著增大，其線性傾向率為2.305 m/億m3(圖10)；隨著灌區井灌水量的增加，灌區地下水位的下降的幅度越高。

圖7　降雨量與年份關系圖Fig.7 Relationship between rainfall and year

圖8　地下水埋深與降雨量關系圖Fig.8 Relationship between groundwater depth and rainfall

圖9　地下水埋深與引黃水量關系圖Fig.9 Relationship between groundwater depth and Yellow River water

圖10　井灌水量與地下水埋深關系圖Fig.10 Relationship between groundwater depth and well irrigation water

2.3　灌區優化模型結果分析

根據建立的優化模型，運用Matlab線性規劃法和模式搜索法分別求出每月每個區的最優的引黃水量、井灌水量和各個區的旱作物和水稻的種植面積。對用兩種算法求出的各個區每個月的引黃水量及井灌水量做了統計，從圖11和圖12可以看出兩種算法求出的結果基本一致。本文采用線性規劃優化算法對水資源和作物種植結構的優化配置，結果表明優化模型可以使有限的引黃水量和井灌水量產生最大的經濟效益，并同時保持灌區地下水系統的平衡，改善灌區地下水漏斗現狀和地下水位嚴重下降的趨勢。

圖11　兩種方法引黃水量的比較Fig.11 Yellow river water comparison of two methods

圖12　兩種方法井灌水量的比較Fig.12 Groundwater comparison of two methods

用優化算法對作物的種植結構進行調整分析，結果如表1所示。

人民勝利渠灌區主要種植作物為水稻、小麥和玉米，其中水稻耗水量要大于小麥和玉米耗水量。為了優化灌區各分區作物種植結構進一步的減少水量消耗，通過優化模型得到灌區各分區種植結構及灌水量優化結果，可知上游1區的地下水開發潛力最大，可以增加小麥及玉米的種植面積18 065.89 萬m2，削減水稻的種植面積14 160.18 萬m2，需引黃水量和井灌水量分別為3 449.87和1 983.72 萬m3；中游2區、中游4區和中游5區尚有開發潛力，可分別增加種植面積為4 793.77、12 139.27、8 711.97 萬m2，需引黃水量分別為2 373.27、3 754.32和5 866.85 萬m3，井灌水量分別為1 235.09、1 948.78和3 035.2 萬m3；中游3區需削減種植面積477.84 萬m2，削減水稻種植面積101.95 萬m2，需引黃水量和井灌水量分別為2 163.76和1 246.48 萬m3；下游6區需削減種植面積569.56 萬m2，需引黃水量和井灌水量分別為4 336.32和2 300.4 萬m3。總體上，為有效利用灌區水資源，灌區要減少耗水量較大的作物，增加耗水量較小的作物，即減少水稻的種植面積，增加小麥玉米的種植面積。

表1　灌區各分區作物種植結構及灌水量優化結果Tab.1 The result of optimizing between crop planting structure and irrigation water amount in each irrigation district

3　結　論

(1)人民勝利渠灌區平均地下水埋深整體呈先減小后增加的趨勢且近年來地下水埋深增加的速度越來越快，2013年達到了7.22 m；中游3區和下游6區地下水超采嚴重且中游3區已經形成了地下水下降漏斗。

(2)灌區地下水埋深與降雨量、引黃水量和井灌水量有顯著的相關關系，地下水埋深隨著降雨量和引黃水量的增大而減小，說明二者對地下水水位下降有一定的緩解作用；地下水埋深隨著井灌水量的增大而增大，說明井灌水量的增大進一步加強了地下水水位的下降。

(3)建立的灌區優化模型對水資源和作物種植結構進行優化配置，確定了各分區種植結構調整的具體方案，減少了井灌水量，為緩解灌區地下水水位下降提供了技術支撐。

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參考文獻：

[1]王通，徐征和，張立志，等．邢家渡灌區地下水動態特征及驅動因素研究[J]．人民黃河，2017，39(8)：49-54．

[2]杜玉嬌．莫索灣灌區地下水水位動態變化及數值模擬研究[D]．新疆：石河子大學，2013．

[3]郝芳華，孫銘澤，張璇，等．河套灌區土壤水和地下水動態變化及水平衡研究[J]．環境科學學報，2003，33(3)：771-779．

[4]Zhou H W, Lv W X, Tang H B, et al.Effect of Irrigation on Groundwater Dynamic Change in the Typical Irrigated Area of Qinghai Province[J].Agricultural Science & Technology, 2016,17(7):1 718-1 722.

[5]張暉．昌馬灌區地下水動態變化及規律的研究[J]．西部探礦工程，2001，(S1):33．

[6]張琳，劉彩虹，卞建民．大安灌區地下水動態特征及灌區實施后的生態環境響應[J]．節水灌溉，2012,(4)：43-45,50．

[7]張斌，劉俊民，張博煒，等．灰色神經網絡在地下水動態預測中的應用[J]．中國農村水利水電，2013,(1)：5-6,10．

[8]李曉芳，閆琴，張少博，等．新疆瑪納斯河灌區地下水特征研究[J]．中國農村水利水電，2017,(3)：213-216．

[9]張葉，劉兵，何新林，等．干旱灌區地下水位動態變化及驅動因素分析[J]．節水灌溉，2017,(6)：63-67．

[10]徐存東，劉輝，聶俊坤，等．干旱區揚水灌溉對區域地下水動態特征的影響分析[J]．水利水電技術，2015，46(9)：123-128．

[11]冷中笑，海米提·依米提，高前兆．和田綠洲洛浦灌區地下水動態變化規律分析與模擬[J]．干旱區資源與環境，2009，23(3)：130-133．

[12]張霞，李占斌，張振文，等．兩種預測模型在地下水動態中的比較與應用[J]．生態學報，2012，32(21)：6 788-6 794．

[13]杜偉，魏曉妹，李萍，等．變化環境下灌區地下水動態演變趨勢及驅動因素[J]．排灌機械工程學報，2013，31(11)：993-999．

[14]楊路華，沈榮開，曹秀玲．內蒙古河套灌區地下水合理利用的方案分析[J]．農業工程學報，2003，19(5)：56-59．

[15]王建瑩，劉燕，姚阿漫．涇惠渠灌區地下水位動態分析[J]．灌溉排水學報，2015，34(2)：67-70．

[16]譚秀翠，楊金忠．石津灌區地下水潛在補給量時空分布及影響因素分析[J]．水利學報，2012，43(2)：143-152．

[17]周文靜．人民勝利渠灌區地下水時空動態變化分析及模擬研究[D]．鄭州：鄭州大學，2016．

[18]張嘉星，齊學斌，Magzum Nurolla，等．人民勝利渠灌區適宜井渠用水比研究[J]．灌溉排水學報，2017，36(2)：58-63．

[19]李洪生．談人民勝利渠灌區水資源的合理利用[J] ．河南水利與南水北調，2013,(14):14-15．

[20]王燕．基于虛擬水貿易的引黃灌區種植結構優化調整模型[D]．鄭州：鄭州大學，2014．

[21]溫季，李修印，王立正，等．人民勝利渠灌區節水改造技術研究[M]．鄭州：黃河水利出版社，2002．

[22]李平，齊學斌，Magzum Nurolla，等．渠井用水比對灌區降水響應及其環境效應分析[J]．農業工程學報，2015，31(11)：123-128．

[23]王永東．淺談地下水漏斗區的治理與恢復[J]．地下水，2015,(1)：138-139．

[24]劉燕．涇惠渠灌區地下水位動態變化特征及成因分析[J]．人民長江，2010，41(8)：100-107．