河北平原农田净灌溉耗水研究

收稿日期：2014-10-14 修回日期：2015-04-16 网络出版时间：2015-07-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目（41471027;40901130）;河北省自然科学基金项目（10457205）;河北省高等学校青年拔尖人才人项目（bj2014078）。 通讯作者：沈彦俊（1971-），男，河北张家口人，研究员，博士，主要从事生态水文、环境遥感与应用等方面的研究。e-mail：yjshen@sjziam.ac.cn

摘要：农田灌溉是华北平原地下水资源消耗的主要途径，灌溉耗水研究对探讨区域灌溉效率、灌溉水平与规模具有重要参考价值。以河北平原为例，基于1981年-2010年河北省经济统计数据、常规气象数据及地下水位等数据，初步分析了河北平原近30年来农田净灌溉耗水及其与降水、气温、粮食产量、地下水位的关系。结果表明，近30年来，河北平原生产粮食约6亿t，净消耗的灌溉水约149.4×109 m3，农田净灌溉耗水引起地下水位下降约18 m;河北平原农田净灌溉耗水与气温、地下水开采量、地下水埋深、粮食产量均呈较显著正相关关系，但与年降水量无明显相关性。为了合理利用华北平原地下水资源、减缓地下水位下降速度，进一步发展节水农业是促进该地区农业可持续发展的必由之路。 关键词：河北平原;净灌溉耗水;年降水;年均温;粮食产量;地下水位 中图分类号：p641.8 文献标志码：a 文章编号： 1672-1683（2015）04-0780-05 （1.school of economics management，hebei university of science technology，shijiazhuang 050018，china;

2.center for agricultural resources research，institute of genetics and developmental biology，chinese academy of hebei province，chengde 067000，china ）

灌溉耗水是指灌溉行为所引起的水资源消耗量，农田灌溉水除大部分消耗于蒸散发外，其余部分成为地表径流以及因深层渗漏成为可被重复利用的地下水，本文所研究的净灌溉耗水仅指消耗于蒸散发的这部分灌溉水。由于农田灌溉产生的地表径流与深层渗漏量难以精确测量，目前国内外的研究集中在农田灌溉需水（包括净灌溉需水）方面[1-6]，农田灌溉耗水的研究较少[7-9]。灌溉耗水与灌溉需水的差别在于，前者表征的是实际消耗的灌溉水，而后者是指供农田作物正常发育所需要的灌溉水量，通常情况下，灌溉耗水小于灌溉需水，灌溉耗水的研究有助于弄清农业生产中的灌溉效率与水平，对农业合理灌溉有重要指导意义。 华北平原是我国粮食主产区，对保障国家粮食安全具有举足轻重的作用，但水资源的匮乏已成为威胁该区域农业生产的最大障碍[10]。特别是近年来，随着工农业的发展，水资源需求快速增长，加上日益严峻的地表水和地下水污染，使得该区域水资源短缺的状况愈发严重[11]。该平原地下水开采占总用水量的69.81%，其中农业开采量占地下水总开采量的78.82%，严重超采导致地下水位持续下降进而引起华北平原大面积沉降[12]。近年来，一些学者在该区域开展了农田蒸散与灌溉用水方面的相关研究，如：莫兴国等[13]模拟分析了华北平原冬小麦和夏玉米生育期蒸散过程与时空分异特征;zhang等[14]研究了华北平原灌溉条件下冬小麦和玉米的蒸散量变化;胡玉昆等[15]分析了灌溉量对华北平原冬小麦产量、蒸散量、水分利用效率的影响;张光辉等[12]探讨了华北平原灌溉用水强度及地下水承载力适应性;马林等[16]运用水分平衡原理分析了华北平原灌溉需水量时空分布特征及其驱动因素。为了进一步了解华北平原的灌溉效率，有必要深入探讨农田灌溉耗水及其影响因素，因此，本文选择华北平原浅层地下水超采的典型区域-河北平原作为研究区，探讨河北平原近30 a来农田灌溉耗水的时空变化及其与气象因子（主要是降水、气温）、地下水位、粮食产量之间的关系，为提高华北平原农业用水效率，实现华北平原农业水资源科学管理与合理配置提供科学

依据。

1 研究区概况与研究方法 1.1 研究区概况

本文所指河北平原系京津以南的河北平原（见图1（a）），东经114°20′-119°25′、北纬36°03′-39°56′，北靠燕山，西依太行山，东临渤海，环绕京津，南与山东省和河南省接壤，包括石家庄、邯郸、邢台、保定、沧州、廊坊、衡水7个地级市的大部分县域，面积61 852 km2，占全省总面积的32.19%。属半干旱半湿润气候区，冬季干燥寒冷，夏季高温多雨，春季干旱少雨，蒸发强烈。年均温和年均降水量由南向北随纬度增加而递减。该地区人均水资源量仅为335 m3/a，不足全国的1/6，是中国的严重缺水地区之一，且地下水是该地区农业用水主要来源。考虑到研究区土壤孔隙度空间差异较大，本研究把河北平原分为太行山前平原区、河北中部平原区与滨海平原区三部分（见图1（b）），其土壤有效孔隙度分别约为0.20、0.12与0.06[17]。 1.2 数据来源

本研究气象数据来源于河北平原及周边常规气象站（见图1），数据由中国气象局气象中心提供，且通过初步质量控制;耕地面积、粮食产量、有效灌溉面积等数据来源于河北省经济统计年鉴;地下水位、地下水开采量等数据来源于中国地质环境信息网中国地下水信息中心及他人文献资料[18-21];所有数据时间长度为30 a（1981年-2010年）。 1.3 研究方法

采用yuan and shen（2013）基于粮食产量、气象数据及有效灌溉面积估算河北省各县净灌溉耗水的方法[9]，公式如下：

式中：dg为地下水位下沉深度（m）;irrnc为地下水灌溉净消耗量（109m3）;irrn为农田净灌溉耗水（mm）;la为国土面积（km2）;pe为有效孔隙度;eta为农田年实际蒸散量（mm/a）;pa为年降雨量（mm）;eia为有效灌溉面积（km2）;et0a为年潜在蒸散量（mm）;gyci为第i年的粮食产量系数;gyi为第i年粮食单产（t/hm）;gy为粮食多年平均单产（t/hm2）;kf为土壤系数;irrrate为灌溉率;a为耕地面积。

潜在蒸散量et0（mm/d）由彭曼-孟蒂斯公式计算[22]如下： et0=0.408δ（rn-g）+γ900t+273u2（es-ea）δ+γ（1+0.34u2）（8） 式中：rn为参考作物表面净辐射（mj/（m2?d））;g为土壤热通量密度（mj/（m2?d））;γ为干湿表常数（kpa/℃）;t为日均温（℃）;u2为2 m高处风速（m/s）;es为饱和水汽压（kpa）;ea为实际水汽压（kpa）;δ表示饱和水汽压-温度曲线的斜率（kpa/℃）。 2 结果与分析

2.1 河北平原农田净灌溉耗水估算

首先运用公式（8）计算得到1981年-2010年各气象站点逐日潜在蒸散量et0，插值得到河北平原各县逐日et0;然后采用公式（4）-式（7）计算得到河北平原各县逐年农田实际蒸散et，最后利用公式（1）-式（3）计算出农田净灌溉耗水量及地下水位下降深度。计算结果表明，近30 a来，河北平原农田净灌溉耗水总量（由各县逐年净灌溉耗水量求和得到）达149.4×109m3，且总体呈显著增加趋势（见图2），尤其是20世纪90年代明显增加，21世纪以来，由于河北平原地下水开采强度有所缓解，农田净灌溉耗水也逐渐降低。从空间上来看，河北中部平原区灌溉耗水较太行山前平原区、滨海平原区多（见图3（a）），并且除个别县（市）外，绝大部分县域近年来的净灌溉耗水都在增加（见图3（b））。 河北平原地下水位下降主要是由农田地下水灌溉引起，计算表明，近30 a来，河北平原因农田灌溉导致地下水位平均下降约18 m，但各县差异较大（见图3（c）），其中中部平原区下降最多，空间分布与净灌溉耗水（图3（a））基本对应。

2.2 净灌溉耗水与降水量、气温的关系

分析表明，河北平原年灌溉耗水量与年降水量无明显相关（图4（a）），但与年均温呈显著正相关（见图4（b）），其线性相关系数r为0.81。通常情况下，降水越多，农田灌溉耗水越少，但由于河北平原降水时空分布不均，耗水大户冬小麦生长季节雨热不同期，所需灌溉量较大，这是河北平原净灌溉耗水与天然降水无明显相关的原因;而气温高低显著影响 农田蒸散及农户灌溉行为，气温越高，蒸散越强烈，作物所需水分越多，进而消耗更多的灌溉水，因此河北平原灌溉耗水与气温有显著正相关关系。 2.3 净灌溉耗水与地下水开采量、地下水平均埋深 的关系

地下水资源与灌溉耗水直接相关，因为河北平原农田主要利用地下水灌溉，进一步分析表明，河北灌溉耗水与地下水开采量、地下水平均埋深均呈显著线性正相关关系（见图5），其线性相关系数r分别为0.86与0.79，灌溉耗水越大，地下水开采量越多，从而使得河北平原地下水位持续下降。

2.4 净灌溉耗水与粮食产量的关系 从1981年至2010年，河北平原生产粮食共计5.9×108 t，粮食产量总体呈增加趋势（图6（a）），2010年比1981年增加了1.8×107 t，增幅达168.22%，并且在1998年之前平稳增加，1999年-2010年间粮食产量出现波动。近30 a来，随着粮食的增产，河北平原消耗的地下水明显增加，灌溉是制约河北平原粮食生产的重要因素，分析表明，河北平原灌溉耗水量与粮食产量呈显著正相关关系（见图6（b）），其线性相关系数r达0.83。 3 结论

本研究估算了河北平原农田的净灌溉耗水，探讨了净灌溉耗水与降水气温、地下水、粮食生产的关系，结果表明：

（1）从1981年到2010年，河北平原共生产粮食约6亿t，因粮食生产地下水资源净消耗149.4 km3（平均每生产1 t粮食净消耗地下水249 m3），农田净灌溉耗水引起地下水位下降约18 m。

（2）河北平原农田年净灌溉耗水量与年均温、地下水开采量、地下水平均埋深、粮食产量均存在较显著线性正相关关系，但与降水量无明显相关。

（3）本研究以县域为基本空间单元，仅初步分析了河北平原农田净灌溉耗水，计算过程中很多数据来源于二手资料，结果可能存在一定的偏差。下一步将结合土壤多点采样，从更微观尺度分析华北平原的农田灌溉耗水及其影响因素，结合南水北调工程实施情况，探讨南水北调对河北平原乃至整个华北平原农田灌溉耗水的影响机制，为该地区的地下水资源可持续利用提供依据。