阜新市灌溉農業的地下水保障能力評估

喬 磊

(遼寧鬧德海供水有限責任公司，遼寧 阜新 123000)

1 概述

阜新是一座因煤而立、因煤而興的資源型城市，也是我國最早建設發展的國家能源基地之一。隨著煤炭資源的逐漸萎縮，被國務院確定為全國第一個資源型城市經濟轉型試點市。作為資源枯竭型城市，阜新近些年大力發展農業，現已成為我國重要的商品糧生產基地，也是遼寧和全國糧食增產的重點地區之一。由于天然降水和糧食作物需水不匹配，阜新的灌溉農業對地下水具有較高的依賴程度，因此地下水成為保障該地區農業生產和基本農田建設不可或缺的條件。但由于阜新市地下水超采日益嚴重，該市灌溉農業可持續發展問題引發社會的關注[1]。在此背景下，客觀量化評估灌溉農業的地下水保障能力已成為十分必要的課題。

目前，地下水資源的研究主要集中在地下水資源承載力和脆弱性方面[2- 5]，而關于灌溉農業地下水保障能力的研究相對較少。鑒于此，本文旨在評價阜新市地下水對灌溉農業的保障能力，評估結果可綜合反映該地區農業灌溉對地下水的依賴程度與地下水對灌溉農業用水的保障程度，從而為該地區的農業可持續發展提供參考。此外，本文應用GIS技術處理空間數據、計算評價指標，為該市地下水資源管理的可視化、精細化、信息化發展[6]提供參考。

2 方法

2.1 水文水資源概況

阜新市地處北溫帶半干旱半濕潤大陸性季風氣候區，四季分明，降水時空分布不均，冬季嚴寒少雪，夏季炎熱多雨，多年平均蒸發量1789.8mm，多年平均降水量480mm，降水多集中在7、8、9月份，占全年降水量的68.1%；年平均徑流深47.4mm，年降水總量49.70億m3，經常有干旱、冰雹、大風、暴雨、霜凍等不利天氣，自然災害頻繁。該地區河流屬于遼河和大凌河兩個流域。其中，遼河流域有繞陽河、柳河、養息牧河與秀水河4條水系，境內流域面積7252km2，占全地區總面積的70%；大凌河流域有細河與牤牛河2條水系，境內流域面積3103km2，占全地區總面積的30%。全區5km以上河流313條，其中流域面積大于300km2的河流有13條(1000km2以上的中型河流5條)，多為季節性河流，具有河道比降大、多泥沙的特點。

阜新市水資源與水資源利用概況分別見表1、2。全市人均占有水資源量434m3，是遼寧省人均占有水資源量的1/2，全國人均占有水源量的1/5；畝均水資源量149m3，不足全省的1/3，是全國的1/12，在遼寧14個地市中排最后一位。此外，由于地下水資源超采嚴重，造成一些地區地下水位持續下降，水資源開發利用程度偏高，農業灌溉用水受到極大限制。阜新市水資源匱乏，資源性、工程性和水質性3種缺水形式并存，資源性缺水突出[7]。

表1 阜新市水資源空間分布概況 單位：萬m3

表2 阜新市水資源利用概況 單位：萬m3

2.2 灌溉農業地下水保障能力評估方法

張光輝等人[8]提出了灌溉農業地下水保障能力評估的ABC模型，并成功將該方法應用在黃淮海平原地區的相關研究中，結果表明：該方法可客觀闡明大區域的灌溉農業用水對地下水依賴狀況、地下水保障能力分布特性與成因。本文將該模型嵌入到GIS平臺中，并以其為基礎評估阜新市區、清河門區、彰武縣、阜新蒙古族自治縣(以下簡稱“阜蒙縣”)農業用水對地下水的依賴程度、地下水對灌溉農業用水保障程度和灌溉農業的地下水保障能力。目前，該方法幾乎沒有被應用到地市及縣域地下水保障能力評估中。

灌溉農業地下水保障能力評估的ABC模型可概括為：

(1)

式中，C—灌溉農業的地下水保障能力，它是指在現狀開采條件下可用于灌溉農業的地下水開采資源能夠確保當地灌溉農業用水需求的能力，是表征地下水對當地灌溉農業用水保障能力的綜合指標。C值的評價結果可分為5級：安全保障(>0.5)、較安全保障(0.0～0.5)、基本保障(-0.5～0.0)、難以保障(-1.0～-0.5)和無法保障(<-1.0);B—地下水對灌溉農業用水的保障程度，它是指評價區可用于灌溉的地下水開采資源量占當地灌溉用水量的比率；其中地下水開采資源量表示評價區可持續開發利用、且不引起不良生態環境和地下水位持續下降或地面沉降等環境地質問題的下水量。A—農業開采量占當地農業灌溉用水量的比率；其中農業開采量指灌溉農業用水過程中取用地下水的水量。

用于灌溉的地下水開采資源量一般沒有標準的統計數據，張光輝等人[8]根據農業用水量占當地總用水量的比例為指標，確定地下水開采資源的基值分區，例如當農業用水量占當地總用水量比率介于50%～70%的地區，以當地開采資源量的60%作為基值。該方法為灌溉地下水資源量的估算打下了基礎，但主觀性和不確定性強，因此本文提出采用以下計算公式：

(2)

式中，GI—用于灌溉的地下水開采資源量；UI—農田灌溉用水量；UT—總用水量；RG—地下水可利用量。

該公式隱含著“地下水可利用量根據各類型用水需求之間的用水量比例進行分配”的假設，在阜新市的實際地下水資源分配中，農業灌溉用水相對較受重視。因該公式傾向于保守，因此實際值應略高于本公式的計算值，這樣有利于評估結果的安全。

文中主要數據來源于阜新市的水資源公報、統計年鑒和水利發展“十三五”規劃等報告與材料，將數據資料按照縣域(或市區)尺度進行匯總，輸入到GIS平臺。所采用的GIS平臺為ArcGIS10.4，其中基礎數據輸入到ArcCatalog，并建立相應的geodatabase數據庫；數據分析與可視化處理在ArcMap中進行，數據主要基于公式(1)和(2)，采用ModelBuilder工具建模計算，最終得到分析結果。

3 結果

3.1 灌溉農業對地下水依賴程度

市各行政分區(阜新市區、清河門區、彰武縣、阜蒙縣)的農業開采量分別為99.68萬m3、175.8萬m3、7342.31萬m3和6378.02萬m3，各地的農業灌溉用水量為171.7萬m3、175.8萬m3、9526.0萬m3和8729.0萬m3。采用ModelBuilder工具建模分析各分區農業開采量占當地農業灌溉用水量的比率，結果如圖1所示。由圖1可知，位于市南部的清河門區灌溉農業對地下水的依賴程度最高，實際上，目前該地區的農業灌溉幾乎全部采用地下水；市區的依賴度最低，主要因為該地區的農田灌溉量較小。在空間分布方面，市中部地區灌溉農業對地下水依賴程度較低，至南和至北逐漸升高。

圖1 阜新市灌溉農業對地下水依賴程度

3.2 地下水對灌溉農業用水保障程度

基于公式(2)并采用ModelBuilder工具建模分析市各行政分區(阜新市區、清河門區、彰武縣、阜蒙縣)可用于灌溉的地下水開采資源量，結果分別為17.43萬m3、29.17萬m3、21935.39萬m3、和6735.49萬m3。根據可用于灌溉的地下水開采資源量占當地灌溉用水量的比率來確定各分區地下水對灌溉農業用水保障程度，結果如圖2所示。由圖2可知，位于市北部的彰武縣地下水對灌溉農業用水保障程度最高，指標值>1，說明其地下水對灌溉農業的供應值大于需求值；位于中部和南部的阜新市區與清河門區保障程度較低，主要因為在這些地區農田灌溉以外的用水需求量較大。在空間分布方面，阜新市地下水對灌溉農業用水保障程度由北至南呈現降低趨勢。

圖2 阜新市地下水對農業用水保障程度

3.3 灌溉農業的地下水保障能力評估

基于公式(1)并采用ModelBuilder工具建模分析阜新市各行政分區(阜新市區、清河門區、彰武縣、阜蒙縣)灌溉農業的地下水保障能力指標值分別為-4.72、-5.03、0.67、0.05，如圖3所示。

圖3 阜新市灌溉農業的地下水保障能力

由圖3可見，阜新市區的C值<-1.0，即當地灌溉農業的地下水保障能力為“無法保障”狀態，該地區地下水不具備抵御降水偏枯并保障灌溉農業用水的能力，因此應該進一步優化其產業布局，轉移耗水作物的種植行業；清河門區的C值最低，說明當地灌溉農業的地下水保障能力最差，主要因為該地農業灌溉極度依賴地下水資源，且同時可用于灌溉的地下水資源又比較稀缺，因此該地區的農業灌溉將受水資源的嚴重制約，在農業方面不具備大的發展潛力；彰武縣的C值>0.5，該地區地下水開采資源的保障能力大于灌溉農業對地下水的依賴程度，處于“安全保障”狀態，因此可以認為該地區地下水具備較強的抵御干旱條件、保障農業灌溉的能力，具有較大的農業發展潛力；阜蒙縣C值介于0.0～0.5之間，處于“較安全保障”狀態，具備保障農業灌溉用水的能力，但潛力不大，因此在農業發展規模方面應基本維持現狀，并采用發展節水農業、調整種植結構等措施對其地下水保障能力進行提升。

4 結論

阜新市區與清河門區的灌溉農業地下水保障能力處于“無法保障”狀態，應該進一步優化其產業布局，轉移耗水作物的種植行業；阜蒙縣處于“較安全保障”狀態，在農業發展規模方面應大體維持現狀；彰武縣處于“安全保障”狀態，農業發展尚具備較大潛力。

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