衛寧灌區地下水埋深對農業節水的響應分析

劉寬 翟家齊 趙勇 董義陽 李海紅

摘 要：為揭示衛寧灌區地下水埋深對農業節水灌溉的響應規律，根據灌區2002—2017年地下水埋深、灌溉水量和種植結構資料，采用線性傾向估計法、累計距平法和灰色關聯度法進行研究。結果表明：近年來受農業節水的影響，衛寧灌區地下水埋深呈增大趨勢，2012年開始地下水埋深增大速率變大;受季節和農業灌溉的影響，地下水埋深年內呈周期性變化，分布呈W形，年內5—10月地下水埋深增幅最大，原因是該時期灌溉水量減少最大;空間上，地下水埋深呈由西向東逐漸增大的分布格局，灌區西部及東南部地下水埋深變化速率較大;衛寧灌區種植結構的調整、灌溉效率的提升以及灌溉水量的減少是地下水埋深增大的主要原因，灌區灌溉水量減少對灌區地下水埋深影響最大，其次是灌溉效率的提升，種植結構的調整對地下水埋深的影響相對較小。

關鍵詞：地下水埋深;農業節水;響應程度;衛寧灌區

中圖分類號：TV213.9;P641.8 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.016

引用格式：劉寬，翟家齊，趙勇，等.衛寧灌區地下水埋深對農業節水的響應分析[J].人民黃河，2021，43（7）：84-88，119.

Abstract： Based on the groundwater depth， irrigation water volume and planting structure data ofWeining irrigated area from 2002 to 2017， the linear tendency estimation method， cumulative anomaly method and grey correlation method were used to study the characteristics and degree of response of groundwater depth to agricultural water-saving irrigation in the area. The results show that in recent years， under the influence of agricultural water-saving， the groundwater depth in Weining irrigated area presents a trend of annual increase and the rate of increase in groundwater depth has been increased since 2012. Under the influence of seasons and agricultural irrigation， groundwater depth changes periodically during a year and the distribution is in W-shape. The groundwater depth increases mainly from May to October during a year， because the amount of irrigation water volume during this period decreases most significantly. Spatially， the groundwater level shows an increasing distribution pattern from west to east and the groundwater depth change rates in the west and southeast of the irrigated area are relatively larger. The adjustment of planting structure， the improvement of irrigation efficiency and the reduction of irrigation water volume in Weining irrigated area are the main reasons for the increase of groundwater depth. The results of grey correlation show that the reduction of irrigation water volume in irrigated areas has a significant influence to the groundwater depth， followed by the improvement of irrigation efficiency and the adjustment of planting structure has a relatively smaller influence to the groundwater depth.

Key words： groundwater depth; water saving in agriculture; degree of response; Weining irrigation area

地下水在生態環境和農業生產方面起到重要作用[1-3]，是自然植被和作物正常生長的關鍵因素[4]。近幾十年來我國地表水短缺問題嚴重，隨著經濟社會發展和人口的增長，水資源供需矛盾日益突出[5-6]，農業節水成為解決水資源短缺的有效途徑[7-8]。在我國西北地區，人類活動主要集中在灌溉綠洲區，灌區一般采用渠系灌溉方式，引水滲漏是地下水補給的主要途徑[9-10]，但隨著農業節水的推廣，灌區灌溉水量持續減少，地下水埋深增大成為普遍現象，如石羊河[11]、黑河[12]、塔里木河[13]和河套灌區[14-15]。地下水埋深增大改變了地下水的補給條件和整個灌區的水文循環過程[16-17]，對當地生態環境造成了較大的影響[18]，地下水埋深與農業節水灌溉之間的關系成為研究熱點[19-22]。位于寧夏平原的衛寧灌區節水力度不斷加大，地下水埋深發生了明顯改變，本文對衛寧灌區節水灌溉下地下水埋深的變化特征及對農業節水灌溉各要素的響應程度進行分析，以期揭示衛寧灌區地下水埋深對農業節水灌溉的響應規律，為促進灌區水資源的可持續利用提供參考。

1 數據與方法

1.1 研究區概況

衛寧灌區是寧夏平原的重要組成部分，位于沙坡頭水利樞紐和青銅峽水利樞紐之間，北與騰格里沙漠交接，地質條件以黃河沖積平原及河灘地為主，土地總面積約為1 333 km2。灌區屬大陸性氣候區，冬季嚴寒，夏季高溫，無霜期短，溫差大，多年平均降水量173 mm，水面蒸發量1 477 mm[23]。衛寧灌區為引黃灌區，主要有5大引水干渠和15條排水溝，溝渠縱橫，灌溉渠系發達（見圖1）。

受地質、地貌以及巖性、構造等自然條件和人類活動的影響，衛寧灌區地下水補排較為通暢。衛寧灌區地下水的主要補給途徑是渠道滲漏和田間灌溉入滲[23-26]，年補給水量為2.22億m3，占總補給量的74.1%;其次為大氣降水入滲和地下水側向徑流補給，共計0.77億m3，占灌區地下水總補給量的25.9%。衛寧灌區含水層巖性以砂礫石為主，包氣帶巖性松散，地下水排泄方式以排水溝排泄和側向徑流排泄為主，排泄水量共計2.02億m3，占灌區地下水總排泄量的67.2%;其次為潛水蒸發和人工開采，共計0.99億m3，占總排泄量的32.8%。

2004年衛寧灌區開始全面推行工程措施、農藝措施和田間管理等節水措施[27]，在灌區大力實施節水灌溉，包括渠系襯砌、小畦灌溉、種植結構調整以及推廣高效節灌。灌區渠系襯砌提高了輸水能力，減少了渠系滲漏損失;種植結構調整采用低耗水作物代替高耗水作物，減少了作物耗水量;小畦灌溉、高效節灌減少了田間滲漏損失，提高了田間水利用效率，降低了單位面積灌水量。隨著節水措施的實施，灌區地下水補給量減少愈加顯著。

1.2 數據來源及研究方法

本文基于收集的衛寧灌區2002—2017年19眼觀測井實測逐月地下水位數據，計算得到相應的地下水埋深數據。衛寧灌區引水數據來源于1998—2017年的《寧夏水資源公報》，2002—2017年寧夏各縣（市）種植面積和種植結構數據來源于《寧夏統計年鑒》。本文采用線性傾向估計法、滑動平均法、累計距平法分析地下水埋深在灌區節水灌溉條件下的變化特征，采用灰色關聯度法[28-29]分析灌區節水灌溉要素與地下水埋深變化的相關程度。

2 地下水埋深變化特征

2.1 地下水埋深時間變化特征

衛寧灌區地下水埋深年際變化見圖2。2002—2017年衛寧灌區多年平均地下水埋深為2.26 m，2003年埋深最小為2.15 m，2015年埋深最大為2.43 m，地下水埋深總體呈增大趨勢，增大速率為0.2 m/（10 a），與2002年相比，2017年埋深增大0.23 m。衛寧灌區地下水埋深變化有階段性特征，2002—2005年地下水埋深相對平穩，2006—2011年地下水埋深波動增大，2012—2017年地下水埋深大幅增大。2002—2017年衛寧灌區地下水埋深累計距平曲線見圖3，可知2012年地下水埋深發生突變，據此，將衛寧灌區地下水埋深變化過程分為2002—2011年和2012—2017年兩個時期，各時期地下水埋深年內分布見圖4。

衛寧灌區地下水埋深一方面受氣候因素影響呈季節性變化，另一方面受農業灌溉影響呈周期性變化，年內呈W形，月均地下水埋深見圖4和表1。4月開始引水灌溉，同時溫度升高，灌溉水和土壤凍融水回補地下，地下水埋深開始減小;5—8月進入灌溉期，同時降水量增多，灌溉水和降水大量下滲，地下水埋深快速減小，8月地下水埋深為年內最小，平均埋深為1.78 m;9—10月灌溉水量及降水量有所減少，地下水埋深開始增大;11月為冬灌期，地下水埋深有所減小;12月停止灌溉，土壤凍土層不斷加厚，地下水埋深開始持續增大，3月地下水埋深為年內最大，平均地下水埋深為2.84 m。由圖4可知，兩時期地下水埋深變化情況基本一致，1—4月變化不大，地下水埋深增大主要集中在5—10月，原因是2012—2017年灌區農業種植結構調整、灌溉水利用率提升等節水措施主要集中在5—10月，導致該時段地下水補給量比2002—2011年明顯減少。

2.2 地下水埋深空間分布特征

利用反距離權重法對衛寧灌區2002—2017年的地下水埋深分布、變化速率和變幅進行空間展布（見圖5）可知，灌區地下水埋深沿東西方向具有明顯的空間差異性，東部地下水埋深較大、已形成地下漏斗，西部地下水埋深較小，2002—2017年地下水空間分布相對保持穩定，地下水埋深增大區域集中在灌區西部和東南部。2002年衛寧灌區地下水埋深為0.6～6.3 m，2017年地下水埋深為0.9～5.9 m，灌區地下水埋深區間減小。

對2002—2017年不同地下水埋深區間（0～1.0、1.0～2.0、2.0～2.5、2.5～3.0 m和大于3.0 m）的面積占比進行統計分析（見圖6）發現，灌區埋深較小區間面積占比減小顯著，埋深較大區間面積占比增大顯著，其他區間面積占比波動不大。2002—2017年灌區地下水埋深小于1.0 m的區域面積占比減小最為顯著，從2002年占灌區總面積的10.8%，到2017年僅占灌區總面積的1%;埋深范圍為1.0～2.0 m的區域面積占比整體呈微弱減小趨勢;埋深范圍為2.0～2.5 m的區域面積占比整體呈明顯增大趨勢，2017年比2002年增大了26.7%;埋深范圍為2.5～3.0 m的區域面積占比呈先增大后減小趨勢，但變幅較小;埋深范圍大于3.0 m的區域面積占比近年來增大最為顯著，從2002年占灌區總面積的20.3%增大到2017年的28.0%。整體來看，2002—2017年衛寧灌區地下水埋深較小的區間面積占比減小，埋深為1.0～2.0 m的區域面積占比最大，而埋深大于3.0 m的區間面積增大。

3 地下水埋深與農業節水灌溉相關性分析

渠系滲漏和田間滲漏是衛寧灌區地下水的主要補給源。近年來，衛寧灌區全面推進節水措施，灌區渠系襯砌率明顯提高，減少了渠系的滲漏水量;種植結構調整使得田間作物的耗水量顯著減少;而小畦灌溉、高效節灌等措施減少了田間滲漏水量，降低了單位面積的灌水量，提高了田間的用水效率。地下水埋深對農業節水各要素的響應程度存在差異，根據上述分析并結合其他學者的相關分析[22， 30-31]，選取灌區灌溉水量、種植結構和單位面積灌溉水量作為反映農業節水灌溉的指標，分析地下水埋深對農業節水各要素的響應程度。

3.1 農業節水灌溉變化特征

2002—2017年衛寧灌區種植結構不斷調整，糧經比（糧食作物與經濟作物面積之比）和糧農比（糧食作物與農作物面積之比）作為反映灌區種植結構變化的指標，近年來變化經歷了兩個階段（見圖7（a））：2002—2008年灌區糧經比和糧農比呈快速下降趨勢，種植結構發生顯著變化;2009—2017年灌區糧經比、糧農比變化較小，灌區種植結構調整幅度不大。灌區單位面積灌溉水量整體呈明顯下降趨勢，變化過程也大致經歷了兩個階段（見圖7（b））：2008年之前灌區單位面積灌溉水量下降十分顯著，減少了56%;2009—2017年則變化相對較小。灌區種植結構調整，灌溉效率提升的同時，灌區灌溉水量顯著下降（見圖7（c）），2002—2017年灌溉水量下降速率為2.8億m3/（10 a），2002年灌溉水量最高為15.1億m3，2016年灌溉水量最低為9.7億m3，相對減少了5.4億m3，近年來灌溉水量下降速率變緩。

3.2 節水灌溉對地下水埋深影響程度分析

采用灰色關聯法，分析衛寧灌區地下水埋深對農業節水灌溉各要素的響應程度（見圖8）。衛寧灌區地下水埋深與種植結構、灌溉效率和灌溉水量之間灰色關聯度分別為0.59、0.66和0.85，即3個要素對地下水埋深的影響程度排序為灌溉水量>灌溉效率>種植結構。2002—2017年灌溉水量與地下水埋深之間的關聯度均為最高，但近年來關聯度呈持續下降趨勢;種植結構和灌溉效率與地下水埋深的關聯度差別不大，二者交替上升，2008年之后，種植結構的關聯度趨于穩定，而灌溉效率對地下水埋深變化影響增大。

4 討 論

衛寧灌區平均地下水埋深從2002年的2.17 m增大到2017年的2.4 m，地下水埋深小于1 m的面積占比從10.8%下降到1.0%，地下水埋深大于3 m的面積占比相對增大7.7%，地下水埋深增大趨勢明顯。降水和灌溉水下滲是灌區地下水的主要補給源;衛寧灌區降水量稀少，補給地下水量有限[32]，2003年降水補給量在地下水補給量中占比為5%[24]，2015年降水補給量占比增大到19%[23]，這表明地下水補給水量中渠系和田間入滲水量逐漸減少，灌區農業節水是地下水埋深增大的主要原因。農業節水指標中灌溉水量的減少是農業節水的宏觀表現，是灌區地下水埋深增大的根本原因，與地下水埋深的關聯度最高;灌溉效率是農業節水的微觀反映，是灌區單位面積用水量的表征，近年來灌區灌溉效率的提升表明灌區單位面積對地下水的補給效應逐漸減弱，是灌區地下水埋深增大的直接原因;灌區種植結構的調整減少了農業耗水量，是地下水埋深增大的間接原因，但其影響相對較小。

地下水是西北干旱地區天然植被生態的主要水源，隨著農業節水措施的實施，地下水埋深逐漸增大，灌區自然生態將逐漸受到威脅，如地下水埋深快速增大的塔里木河流域[13]和青銅峽灌區[33]，受農業高強度節水的影響，目前需大量引用生態水，以維持或修復灌區天然植被生態。因此，農業高強度的節水勢必會導致灌區植被生態遭到威脅，帶來一系列的生態問題[21，34-35]。另一方面，農作物的生長受地下水的脅迫作用相對較小，農業節水的前提是滿足農作物的基礎用水[36]，灌區通過減少低效無用耗水及滲漏水達到節水效果，農作物對地下水埋深增大的響應并不明顯。

5 結 論

基于2002—2017年衛寧灌區地下水埋深數據，分析農業節水灌溉下地下水埋深的時空變化規律，并對農業節水灌溉各要素的響應程度進行分析。衛寧灌區地下水多年平均埋深為2.26 m，2002—2011年地下水埋深變化不大，2012年之后地下水埋深增大速率加快;年內地下水埋深呈周期性變化，5—10月灌區地下水埋深增大顯著。隨著灌區農業節水的推進，地下水埋深呈加快增大趨勢。衛寧灌區地下水埋深空間分布格局無明顯變化，呈由西向東遞增的分布特征，地下水埋深增大主要集中在灌區西部及東南部。從埋深占比上看，灌區小埋深區間的面積正快速減少，大埋深的面積快速增大。

衛寧灌區農業節水灌溉中，糧經比（種植結構）、單位面積灌溉水量（灌溉效率）、總灌溉水量均呈顯著下降趨勢，對灌區地下水埋深產生較大影響。灰色關聯分析結果表明，對地下水埋深影響最大的節水灌溉要素是灌區灌溉水量（減少），其次為灌區灌溉效率（提升），種植結構調整的影響相對較小。隨著衛寧灌區農業節水的推進，地下水埋深不斷增大，勢必會帶來一定的生態問題，需要引起有關方面的重視。

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【責任編輯 張華興】