黃河流域灌溉發展演變及對地下水資源的影響

袁 磊，韓雙寶，李甫成，張秋霞

（1.中國地質調查局 水文地質環境地質調查中心，河北 保定 071051；2.中國地質調查局 地下水勘查與開發工程研究中心，河北 保定 071051）

1 研究背景

黃河流域面積79.5 萬km2，主要產流區處于西北干旱半干旱區，多年平均降水量約450 mm，水資源量少且時空分布不均。 隨著經濟社會的不斷發展，黃河流域取水量一直居高不下，流域水資源供需矛盾日益突出。 20 世紀90 年代黃河流域農業灌溉取水量占比一度達到90%，近幾年降至63%左右。 目前黃河流域灌溉面積超過700 萬hm2（含流域外220 萬hm2），并且灌溉面積仍將在后續10 a 保持增長，新增灌溉面積的用水需求勢必進一步激化農業灌溉用水與流域內外不斷增長的生活、生態用水需求之間的矛盾。 此外，灌溉用水不僅關乎流域水資源調配，還直接影響灌區地下水的補給量，進而影響當地生態環境［1－3］。

截至目前，學者們對黃河流域灌區農業用水已開展了大量研究，研究內容主要涉及水資源供需矛盾、水資源承載力、用水和耗水變化及影響用水效率的主要因素定性與定量評價等，研究方法主要有綜合研究法和數據包絡分析等統計學方法，主要研究成果包括：黃河流域各大灌區“自然－人工”驅動下的大氣降水－地表水－地下水循環轉化機理，黃河流域農業用水效率整體提升明顯但區域間發展不平衡，影響灌溉用水效率的主要因素有農田水利設施與灌溉方式、農民的節水意識與受教育程度、水價等用水管理制度［3－6］。 已有研究多將地表水資源與地下水資源視作一個整體，對二者各自的灌溉效率和地表水對地下水的影響研究較少。 過去的20 多年是黃河流域灌溉發展的轉型期，灌溉水量和灌溉方式的變化對地下水資源的補給量產生了深遠影響，開展黃河流域灌溉水量演變及對地下水資源的影響研究可為流域地表水、地下水用水綜合規劃和區域水資源可持續利用提供參考。

2 黃河流域灌溉發展歷程

黃河流域灌溉事業伴隨著新中國的發展幾經波折，其最主要的是引黃工程、節水農業、泥沙治理和管理體制的改革發展。 結合現有的黃河灌溉發展歷程研究成果，重點考慮灌溉水源比例、灌溉面積、灌溉水量和灌溉方式特點，將新中國成立至今的黃河流域灌溉歷程劃分為以下4 個時期。

2.1 以引水工程建設為主的建設期

新中國成立后，根據灌溉規模建設了引黃灌溉工程灌排水配套設施，取得了較好的灌溉效益和除堿效果。 1958 年在全國“大躍進”形勢下，大批引灌水工程快速建成，但由于管理粗放和缺乏相應的排水措施，因此灌區實行大引大灌后引發了地下水位上升和土壤次生鹽堿化問題（如1962 年位山灌區不得不停灌整頓）。 這一階段人們對黃河水沙變化規律和灌溉系統科學了解不深是制約灌溉事業發展的主要因素，灌溉面積和灌溉用水量經過新中國成立初期的快速上升后保持穩中有升態勢［6－9］。

2.2 以灌排體系建設和泥沙治理為主的發展期

20 世紀70—80 年代，隨著灌溉引水量的需求不斷增大，引黃灌溉事業快速發展，至1995 年，灌溉面積由新中國成立初的80 萬hm2增長至600 多萬hm2。 各灌區不斷完善灌排一體化工程，開挖了總排干溝、干溝、分干溝和支、斗、農、毛溝，如內蒙古河套灌區20 世紀80 年代形成了灌排骨干工程體系，解決了灌區排水不暢、易澇易堿的問題。 各灌區泥沙治理工作逐步開展，發展了黃河泥沙用于淤改、淤臨淤背、建材加工、農林牧漁和生活用土等方面的技術。 據統計，到1990 年年底，黃河下游地區共采取放淤措施等改良土地23.2萬hm2，泥沙綜合利用給沿黃相關省（區）帶來了可觀的經濟和環境效益，而灌溉用水量隨灌溉面積的擴大不斷增長［6－9］。

2.3 以灌區節水改造和泥沙遠距離輸送為主的穩固期

1987 年“八七分水”方案實施后，沿黃各省（區）開展了節水農業研究，各大灌區都探索實施了噴灌、滴灌、井渠雙灌等節水灌溉方式和配套改建措施，壓減了單位面積耗水量，提高了用水效率和效益。 灌溉用水量從20 世紀90 年代末開始穩中有降，灌溉取水量占總取水量的比例逐年下降。 同時，資源節水、真實節水等概念先后被提出并得到發展，黃河下游灌區還將泥沙處理利用和節水灌溉規劃緊密結合，進行泥沙遠距離輸送，提高了灌溉效率，實現了水沙優化調度［6－9］。

2.4 以高效智能節水、水沙科學配置和管理深化改革為主的優化期

近年來，隨著建設生態型灌區和可持續發展灌區的需要，引黃灌區的發展進入科技革新、管理深化改革的優化期。 灌區節水灌溉由傳統的單一工程型節水向與土壤保水、農藝技術結合發展，由單純節水向節水、節肥、節藥一體化發展，由原來以節水高產為目標向以生態優先、高質量發展為目標，由泥沙處理向水資源與泥沙資源聯合優化配置轉變。 同時，引黃灌區逐步深化運行體制管理改革，促進了灌區管理方式、基層水利服務體系升級，黃河流域灌溉向著高質量、智能化、數字化發展［6－9］。

通過分析黃河流域灌溉發展歷程可知，新中國成立初至20 世紀末灌溉取水量一直處于增長狀態，1998年前后灌溉取水量達到最大，之后隨著農業結構調整、節水農業與各地地下水限采政策的實施，灌溉取水量呈穩中有降趨勢。 因此，1998 年之后的灌溉取水量和耗水量影響因素多、變化復雜，分析這一時期的地下水和地表水灌溉取水量、耗水量變化，對于認識新時期黃河流域灌溉水量演變及指導今后流域灌溉用水綜合規劃有重要意義。

3 黃河流域灌溉取水量變化特征分析

3.1 地表水取水量變化特征

2003 年以來，黃河流域地表水總取水量穩中有增，灌溉取水量在2005 年之后穩定在270 億～300 億m3之間，灌溉取水量占總取水量的比例不斷下降，由20 世紀90 年代末的90%左右降至最近幾年的70%左右，見圖1（資料來源于《黃河水資源公報》）。 進入21世紀后，引黃灌區灌溉面積增長變緩，同時節水技術的推廣提高了灌溉效率，節約的水量基本滿足新增灌溉面積對水資源量的需求。 沿黃城市和工業的快速發展以及流域內外應急抗旱和生態補水的用水需求量不斷增長，僅2019 年黃河干流向烏梁素海、白洋淀生態補水和膠東應急供水就達25 億m3，《2021 年黃河生態調度方案》指出將全力支持國家戰略，向雄安新區、白洋淀、永定河及華北地區地下水超采區等地實施生態補水，河道外生態補水量在37 億m3以內的由黃河水利委員會安排。 可以預見，在現狀氣候條件下黃河流域水資源量需求缺口將繼續擴大，引黃灌溉用水量需進一步壓減，以便將地表水量轉移至其他地區或行業產生更大的生態價值和社會效益［10－11］。

圖1 黃河流域地表水灌溉取水量與地表水總取水量對比

3.2 地下水取水量變化特征

與地表水略有不同，2003 年以來黃河流域地下水總取水量和灌溉取水量均呈小幅下降趨勢。 地下水灌溉取水量占地下水總取水量比例整體呈下降趨勢，由55%以上波動降至45%以下，見圖2（資料來源于《黃河水資源公報》）。 這主要與國務院發布《關于實行最嚴格水資源管理制度的意見》后，沿黃各省（區）不斷壓采地下水開采量和推廣節水農業有關［10－12］。

圖2 黃河流域地下水灌溉取水量與地下水總取水量對比

以陜西省為例，該省是黃河流域地下水取水量最多的省份，其黃河流域內多年平均地下水取水量約占黃河流域地下水總取水量的23%，90 年代末地下水取水量和灌溉水量達到最大，分別約為30.8 億m3／a 和17.0 億m3／a，2010—2019 年分別減少至19.4 億m3／a和11.6 億m3／a，可見其壓減地下水開采量成效顯著。

3.3 總取水量與耗水率變化特征

20 世紀90 年代黃河流域灌溉總取水量在400 億m3／a 以上，進入21 世紀后呈穩中有降的趨勢，從2007年開始，灌溉總取水量穩定在330 億～360 億m3／a（見圖3）。 依據《黃河水資源公報》，地表水灌溉耗水量是指地表水灌溉取水量扣除其回歸黃河干支流河道后的水量，地下水灌溉耗水量指地下水灌溉取水量扣除其入滲潛水含水層和回歸河道后的水量。 引入地表水灌溉耗水率（地表水灌溉耗水量與地表水灌溉取水量比值）和地下水灌溉耗水率（地下水灌溉耗水量與地下水灌溉取水量比值）來分析黃河流域灌溉量變化。

圖3 黃河流域地表水與地下水灌溉取水量及耗水率

黃河地表水灌溉耗水率穩定在80%左右，說明80%左右的地表水灌溉取水量通過渠系、土壤、植物蒸散發和入滲補給地下水消耗，剩余20%左右回歸黃河干支流。 黃河及其主要支流因含沙量大而在節水灌溉中受到限制，目前黃河流域灌區以地表水畦灌、溝灌為主，而地下水灌溉耗水率呈減小趨勢（見圖3），說明地下水入滲補給量和回歸河道的水量所占比例增大，土壤與植物蒸散發等消耗的地下水損失量減少。 進入21 世紀以來，具有節水、省工、低能耗、輸水快等優點的低壓管道輸水等節水技術得到較快發展，井灌區大水漫灌比例不斷下降，低壓管道結合田間軟管或移動管道配水灌溉模式大大減少甚至消除了原先的渠道滲漏和蒸發損失。

灌溉耗水率反映了灌溉效率和灌溉水的二次分配情況。 由于地表水含沙量大，無法直接用于微灌等方式，且微灌、根灌等節水農業成本較高，因此在黃河中下游地區仍然有大面積的大水漫灌和畦溝灌區。 以地表水為主要灌溉水源的引黃灌區灌溉方式以畦灌、溝灌為主，目前提高地表水灌溉效率的方法主要為渠系襯砌和優化作物種植結構、合理安排灌溉時間以減小灌溉水量，其他方法因黃河及各支流河水含沙量高而難以大面積推行。 然而，灌區所節約的灌溉水量實際上大部分為入滲補給地下水的水量，這對維持灌區地表水－地下水循環過程和保持生態穩定所需的地下水位是不利的，因此灌區地表水節水需要考慮使地下水位穩定在生態保護所需的閾值范圍［13－14］。

4 灌溉對地下水資源的影響

引黃灌溉水通過渠系入滲和田間灌溉回滲極大補給了地下水資源。 隨著黃河流域渠系的不斷完善，渠系襯砌率由2000 年的不足10%提高到目前的50%，渠系入滲補給量隨之下降一半以上。 根據第二輪全國地下水資源評價（2000—2002 年）和黃河流域水文地質調查（2019—2021 年）評價結果，陜北風沙灘地區2000 年和2020 年渠系水滲漏補給量分別為3 453.9萬、748.2 萬m3，銀川平原、關中盆地渠系滲漏補給量減少了50%～70%。 雖然近20 a 田間灌溉回滲量有所增加，但受渠系入滲量大幅減少的影響，主要引黃灌區地下水補給量呈明顯減小態勢［12］。

引黃灌溉在保持地下水位穩定和生態系統平衡方面起到巨大的支撐作用。 以河套平原為例，引黃灌區2010—2019 年地下水位保持穩定，水位變幅在±5 m范圍之內的區域占河套平原總面積的95%以上，而平原北部山前非灌區與呼和浩特市周邊地區地下水位下降大于5 m（見圖4）。 河套平原地下水位變化受灌溉影響十分顯著，每年9—11 月的秋灌用水量最大，受此影響，地下水位每年7—8 月最低，9 月逐漸恢復，12月—次年1 月最高（見圖5）。

圖4 2010—2019 年河套平原淺層地下水位埋深變幅

圖5 2015—2019 年河套平原地下水位埋深

依據歷年《黃河水資源公報》數據，本年末與上年同期相比，以±0.5 m 變幅（內蒙古巴盟河套平原為±0.3 m）作為淺層地下水位上升區（水位變幅＞0.5 m）、下降區（水位變幅＜－0.5 m）和相對穩定區（－0.5 m≤水位變幅≤0.5 m）的分界線，統計結果見表3。 可見，黃河流域主要平原（河谷、盆地）區淺層地下水位基本穩定，地下水位相對穩定區占比常年保持在70%～80%之間，地下水蓄水量年際變幅在±10 億m3之內，特別是2010—2019 年地下水蓄水量累計虧空僅6.0 億m3，說明地下水資源得到了有效保護。

表3 黃河流域地下水位變化情況與地下水蓄水量變幅

將地下水蓄水量變幅與地表水農田灌溉水量、地下水農田灌溉水量、降水量進行相關性分析，發現地下水蓄水量變幅與上年度地表水農田灌溉水量顯著相關。 由圖6 可看出地下水蓄水量變幅與地表水農田灌溉水量存在一定的滯后相關性，表明地下水蓄水量與地表水農田灌溉水量密切相關，對地下水的補給量影響最大，因此在減少農田灌溉水量的同時要注意對地下水補給量的影響，以便于為確定地下水可開采量與生態需水量提供依據［11］，保障流域生態環境健康穩定。

圖6 地下水蓄水量變幅與地表水農田灌溉水量關系

5 結語

（1）黃河流域灌溉事業從無序到有序，從粗放到科學，向著生態優先和高質量發展轉變，其歷程可劃分為以下4 個時期：以引水工程建設為主的建設期、以灌排體系建設和泥沙治理為主的發展期、以灌區節水改造和泥沙遠距離輸送為主的穩固期、以高效智能節水與水沙科學配置和管理深化改革為主的優化期。 當前處于黃河流域灌溉發展的優化期，受氣候變化和人類活動的影響，黃河流域徑流量呈減小趨勢，而流域內外的需水量特別是生態用水需求量不斷增大，灌溉取水量將進一步被壓減，灌溉所節約的水資源將服務其他地區或行業以產生更多的生態價值和社會效益。

（2）1998—2019 年黃河流域地表水灌溉取水量呈先減小、后穩定的態勢，地下水灌溉取水量則逐年下降，地表水、地下水灌溉水量占總取水量的比例均明顯下降，節水農業的發展有效緩解了黃河流域水資源的供需矛盾。 地下水灌溉耗水率逐年減小，低壓管道輸水等節水農業的發展顯著減小了渠系滲漏量和地面蒸散發量，相較于地下水，地表水節水灌溉尚有較大發展潛力。

（3）引黃灌溉對穩定灌區地下水位、補給地下水起到了重要支撐作用，地下水蓄水量變幅與上年度地表水農田灌溉水量顯著相關。 灌溉取水用水是對水資源開發利用影響最大的人類活動，灌溉水量壓減的同時要注意評估其對地下水補給和生態環境的影響，優化地下水、地表水的分配和聯合調度方案，保證流域生態水位和生態需水量。