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帅官印，张 先, 2，邵景力，崔亚莉，李 豆
农业限水灌溉对地下水恢复的影响研究——以河北省石家庄平原区为例
帅官印1，张 先1, 2，邵景力1*，崔亚莉1，李 豆3
（1.中国地质大学（北京）水资源与环境学院，北京 100083；
2.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；
3.河北省水文工程地质勘查院，石家庄 052165）
【目的】探究农业限水灌溉对地下水位和水量的恢复效果。【方法】采用GMS软件建立河北省石家庄平原区地下水模型，选取冬小麦减产率低于20%时，石家庄平原各行政区在不同降水水平下优化得到的限水灌溉组合作为限水灌溉方案，在规划压采的基础上，对所选定的限水灌溉方案进行模拟预测。【结果】与现状开采和规划压采情景相比，限水灌溉措施实施后，绝大部分行政区浅层地下水平均水位开始上升，区域浅层地下水位年均上升0.17 m/a，但深层地下水位依然呈下降趋势；
平原区地下水整体由负均衡转变为正均衡，2019—2028年，浅层和深层含水层总储变量为1×108m3/a；
相比只采用单一规划压采措施，添加了限水灌溉措施后，储变量恢复率提高了约2.1倍，浅层地下水平均水位恢复率提高了2倍。【结论】限水灌溉对于地下水恢复效果显著，研究结果可为实现农业水资源可持续利用提供参考。
限水灌溉；
数值模拟；
地下水压采；
采补平衡；
粮食安全
【研究意义】河北省地处华北平原腹地，全省玉米总产量位居全国第二，小麦总产量位居全国第三，该地区占用全国4.9%的耕地和0.7%的水资源，生产了全国6%的粮食，养育了全国5%的人口[1]。近年来，河北省地表水资源严重短缺，因而地下水已成为主要的供水水源，其中农业灌溉用水占地下水使用量的70%～80%[2-3]。这导致河北省成为全国地下水开采量最高的省份，约占全国地下水总开采量的20%[4]。开采量的增加引发地下水长期处于超采状态，而超采不仅破坏了当地的生态安全，而且威胁着农业的可持续发展，是该地区亟待解决的关键问题[5]。考虑到农业生产是所有产业中的关键用水大户，也是导致地下水超采的主要原因。因此，在保证粮食产量的基础上，从农业节水的角度，尤其是采取限水灌溉措施压减地下水开采量（以下简称地下水压采），使地下水恢复“采补平衡”，对于实现农业水资源可持续利用具有重要意义。
【研究进展】关于农业限水灌溉的研究较多，大多集中在限水灌溉对农作物产量和农田节水效应等方面。如张喜英[6]在栾城试验站通过大田试验，研究了冬小麦产量与不同灌水次数之间的关系，结果表明，冬小麦灌水1次相比不灌溉平均增产1 611.5 kg/hm2，灌水2次较灌水1次增产约709.3 kg/hm2，灌水3次较灌水2次增产约266.7 kg/hm2。潘登等[7]基于SWAT模型并结合Jensen和Blank模型计算了冬小麦的水分敏感系数，结果表明，冬小麦对水分最敏感的时期为拔节—抽穗期、灌浆—收获期。Chen等[8]和Zhang等[9]比较了冬小麦不同灌水次数下的灌溉水利用效率，结果表明，相比雨养，冬小麦在足墒播种条件下拔节期灌水1次的灌溉水利用效率最高，且对产量影响相对较小。
目前的研究较少关注限水灌溉对地下水位和地下水储量的影响。任理等[10]选取河北省太行山山前平原（包括石家庄平原）为研究区域，采用SWAT模型在不改变夏玉米灌溉制度的条件下，对冬小麦在现状灌溉和限水灌溉模式下的浅层地下水位与冬小麦产量之间的关系进行了研究；
得出平原绝大部分区域冬小麦应优先灌溉的生育阶段为拔节期、抽穗期、越冬期和灌浆期；
冬小麦生育期灌水1次和2次为浅层地下水利用效率相对较高的限水灌溉方案。
【切入点】文献[10]较深入地揭示了限水灌溉对地下水位和储量以及冬小麦产量的影响。然而，SWAT模型属于半机理式地表水文模型，主要用于模拟流域中的水文物理化学过程，虽然作者在该模型的地下水模块中增加了给水度、孔隙度等参数，但依然存在对浅层含水层概化不细致的缺陷，且并未研究深层含水层的变化情况；
此外，其模拟预测期为1993—2012年，但平原区从2015年起则开始对地下水进行压采，因而该研究也未考虑平原区已经实施地下水超采治理的现实状况。
【拟解决的关键问题】针对以上问题，本研究采用地下水模拟软件GMS，以石家庄平原为例，建立该平原区地下水模型。为了尽量降低减产率，限水灌溉方案参考文献[10]中的方案，即当冬小麦减产率低于20%时，石家庄平原各行政区在不同降水水平下浅层地下水位降幅最小的限水灌溉组合。在规划压采的基础上，对选定的限水灌溉方案进行模拟预测。最后，通过与现状开采、规划压采2种情景进行对比，得出限水灌溉对地下水位、水量的恢复效果。该研究对于实现超采区农业水资源的可持续利用具有一定的参考价值。
1.1 基本情况
石家庄平原位于太行山东侧，河北省西南部，包括了石家庄市区、高邑县等13个区县级行政区，总面积约6 304 km2[11]（图1）。研究区属于温带半干旱、半湿润大陆性季风气候，多年平均降水量为478.44 mm，降水量年内分布不均，主要集中在6—9月，多年平均蒸发量为1 468.9 mm[12]。全区主要河流包括洨河、太平河、滹沱河、周汉河、磁河。其中，磁河属海河流域大清河水系，其余河流属海河流域子牙河水系。地势西高东低，高程变化范围为40～100 m，地貌类型属于太行山山前冲积平原。
石家庄平原主要分布第四系松散岩类孔隙水含水层，共4个含水岩组。其中，I、II含水岩组为潜水含水层，是农业活动的主要开采层，一般将这2层统一作为浅层含水层，底板埋深范围介于30～260 m；
III、IV含水岩组均为承压含水层，一般看作深层含水层，底板埋深范围分别为100～480 m和250～600 m。浅层地下水补给源主要包括降水补给、山前侧向补给、灌溉回归水补给、河流入渗补给等。其中，河流入渗补给主要发生在滹沱河生态补水期间。深层地下水主要补给源有层间侧向流入和越流[13]。浅层和深层含水层中的地下水径流方向均为由西向东、局部由西北向东南。浅层含水层主要排泄途径包括人工开采、层间侧向流出、向深层越流。深层含水层主要排泄途径包括人工开采、局部地区向浅层越流、侧向流出等。由于超采导致平原区地下水位埋深普遍较大，因此潜水蒸发忽略不计。
1.2 农业种植结构和制度
石家庄平原属于太行山山前平原的重要粮食产区，种植结构主要以小麦和玉米为主，多年来2种作物种植面积超过总农作物种植面积的70%。种植制度实行冬小麦-夏玉米一年二熟制。玉米生育期为6—9月，处于该区域降水集中时段。因此，除干旱年外，灌溉次数和灌溉水量相对较少，耗水并不严重。小麦生育期为10月—次年6月，处于降水较少时段。因此，主要依靠抽取浅层地下水来进行灌溉，耗水严重。这也导致灌溉成为石家庄平原主要的耗水方式，约占总用水量的70%[11]。
1.3 地下水开发利用状况
从20世纪50年代以来，石家庄平原地下水开采量呈先升后降的变化规律。1950—2000年，由于工、农业需水量不断增大，取水技术逐渐改善，导致地下水开采量不断增加；
进入21世纪，人们认识到过度开采地下水的危害，开始进行了不同程度的压采，尤其是2015年河北省出台了压采政策后，当地对地下水的开采量进行了大幅度压减，因而开采量有所降低[14-15]。表1为各时期年均地下水开采量。
表1 石家庄平原1950—2018年各时期年均地下水开采量
2.1 概念模型
本研究的模拟范围为石家庄平原区（图1），含水层概化为2层，分别是浅层（潜水）和深层（承压水）含水层。浅层含水层西部边界是山区与平原区的分界线，接受山区侧向流入补给，可概化为给定流量边界[11]；
而东、南、北部边界均为行政区边界，将这些行政边界外延2 km，按混合边界处理。深层含水层西部边界并未与浅层含水层西部边界重合，但为了方便处理单、多层交互区域的层间侧向补给，将深层含水层西部边界外扩至浅层含水层西边界，并且设置为隔水边界；
东、南、北部边界处理方式与浅层处理一致，均处理为混合边界（图1）。垂向上，顶部边界为潜水面，可接受降水入渗补给，并通过该边界向外排泄；
底部边界为第四系底板，为稳定隔水层，按隔水边界处理。考虑到2个含水层中地下水同时存在水平和垂向运动，水流随时空不断变化，且水文地质参数具有空间差异，将研究区概化为非均质各向异性三维非稳定渗流系统。
图1 研究区地理位置及边界条件
2.2 数学模型
研究区潜水和承压水流控制方程分别为[16]：
2.3 时空离散
空间上，将研究区剖分为200 m×200 m的网格。剖分之后，2个含水层共得到343 970个计算单元。模拟期从2010年1月—2018年12月，以月为最小时间单元，共得到108个应力期。
2.4 初始条件及水文地质参数
根据收集到的资料，采用Surfer软件中的克里金插值法，绘制研究区浅层和深层含水层2010年1月初始水位等值线（图2）。同时，根据收集的参数分区及抽水试验资料，结合钻孔数据，确定研究区初始水文地质参数。各参数的变化规律及取值范围为：对于渗透系数，浅层和深层含水层空间变化规律类似，均由西向东逐渐减小，取值范围分别为10～100 m/d和1～50 m/d；
浅层含水层给水度由西向东也呈逐渐减小的规律，取值范围为0.05～0.25；
深层含水层贮水系数在整个研究区内变化不大，取值为4×10-6[17]。
图2 研究区初始水位等值线
2.5 源汇项
研究区的源汇项主要有降水入渗、山前侧向流入、灌溉回归水、河道渗漏补给以及人工开采。采用经验公式计算或者从收集的资料中获取。
1）降水入渗补给量
以县为单位，将研究区分为13个区，采用式（3）计算降水入渗补给量：
2）侧向流入和流出量
侧向流入和流出量主要包括山前流量边界的流入量、混合边界的流入和流出量。
用达西公式计算山前侧向流入量：
用式（5）计算混合边界的流入流出量：
式中：为流入或流出量（m3/a）；
为渗透系数（m/d）；
、为单个网格长度、宽度（m）；
为外扩边界水头（m）；
0为模型边界水头（m）；
为渗流途径（m）。
3）河流渗漏补给量
研究区内地下水主要受到滹沱河渗漏补给，根据黄壁庄水库每年的月径流数据，及滹沱河生态补水量，计算滹沱河对地下水的逐月渗漏补给量。
4）人工开采
研究区内人工开采主要包括农业、生活、工业用水，采用水资源公报和水利统计年鉴中的数据进行确定。但是，这些资料并未对浅层和深层地下水进行区分。因此，根据河北省地下水开采现状，按照农业和工业以浅层地下水为主，生活以深层地下水为主的原则，对地下水开采量进行分配。
5）灌溉回归水量
研究区灌溉回归水量主要为井灌回归水量，地表水灌溉较少，忽略不计。计算公式如下：
式中：入渗为某时段内井灌回归水量（m3）；
开采为某时段内地下水开采量（m3）；
为井灌入渗系数，取0.185[18]。
2.6 模型识别与检验
考虑到2015年为实施地下水压采的分界年，因而选择2015年12月作为模型的识别期。通过对水文地质参数及初始条件、源汇项等的不断调整，使得模拟水位与实测水位之间的差值介于可接受的误差范围内。同时，选择2018年12月作为模型的检验期，对调参后的模型进行检验。图3为部分浅层观测井模拟和实测水位对比情况。各观测井模拟水位能较好地反映实测水位的变化趋势，且水位误差较小。但也存在模拟水位与实测水位相比周期性波动规律不明显的问题。原因在于带入模型的源汇项数据平均分配到了每个单元格上，不能精确体现研究区各点的补给开采真实变化情况；
此外，水位过程线拟合是将观测孔实测水位与该观测孔所处网格的中心水位预测值进行对比，二者不完全相同。因此，实测水位和预测水位之间存在差异。深层地下水由于未收集到观测井长序列水位数据，因而未进行水位对比。
图3 部分浅层观测井模拟与实测水位对比曲线
总体来说，将模拟得到的2010—2018年平原区地下水量均衡状况作为背景值。同时，预测2019—2028年在现状开采情景及规划压采情景下的地下水位和水量均衡情况。对比分析2种情景地下水位恢复情况，并判断在不同情景下，平原区地下水是否能够实现“采补平衡”。
3.1 现状模型均衡状况
采用识别检验后的石家庄平原地下水模型，得到2010—2018年平原区浅层和深层含水层多年平均地下水量均衡情况。其中，2层含水层多年平均补给量为14.99×108m3/a，多年平均排泄量为20.67×108m3/a，深层向浅层越流量为0.4×108m3/a，用总补给量减去总排泄量，得到总储存变化量（以下简称储变量）为-5.68×108m3/a，即每年要消耗地下水储存量为5.68×108m3。而在总储变量中，浅层含水层占-4.00×108m3/a，深层占-1.68×108m3/a。因此，在2010—2018年，石家庄平原地下水一直处于负均衡状态。
3.2 现状开采情景预测
1）现状开采情景
预测在现状开采条件下2019—2028年地下水位及水量均衡变化情况。现状开采均使用2018年地下水开采数据，山前侧向流入量采用多年平均侧向流入量，各行政区降水量采取多年平均降水量，井灌回归量根据开采量进行计算，河流补给量根据石家庄河湖补水规划将水量分配到模型中。
2）水位变幅预测
运行现状开采条件下的预测模型得到2028年12月浅层地下水位等值线，与2018年12月浅层地下水位等值线做差，得到水位变幅（图4）。由图4可知，除了石家庄市区及周边、辛集地区水位上升外（水位最大上升3.43 m），其余各行政区水位整体呈下降趋势（水位最大下降5.69 m），并且整个平原区地下水位年均下降速率为0.1 m/a。对于深层地下水，由于规划压采和限水灌溉主要针对浅层地下水，而对深层影响甚小，因而不对深层水位变幅进行讨论。
3）水量均衡预测
通过预测模型得到在现状开采条件下，2019—2028年平原区浅层和深层含水层多年平均地下水量均衡情况。2层含水层多年平均补给量为14.19×108m3/a，多年平均排泄量为16.38×108m3/a，深层向浅层越流量0.36×108m3/a，总储变量为-2.19×108m3/a。因此，平原区地下水仍将处于负均衡状态。但相比2010—2018年，每年消耗的地下水储存量减少了3.49×108m3。
图4 现状开采条件下2018—2028年浅层地下水位变幅
3.3 规划压采情景预测
1）规划压采情景
规划压采包括城镇生活和工业节水、农业节水灌溉、南水北调、水源置换等，但不包含限水灌溉措施[18]。根据河北省规划，石家庄平原2019—2022年共需压采地下水5.24×108m3，并且将压采任务分配到各行政区。而在所有行政区中，只有辛集市需压采浅层和深层地下水，压采比例为2∶1，其他行政区均只需压采浅层地下水，表2为压采量分配情况[19]。
表2 石家庄平原各行政区2019—2022年压采量分配
预测在规划压采条件下的2019—2028年地下水位及水量均衡变化情况。各行政区2019—2022年浅层和深层压采量采用规划数据，2023—2028年浅层和深层压采量均采用2022年的压采量数据，每年的地下水开采量都需在上一年开采量的基础上进行压采。井灌回归水量是通过将压采后的农业开采量带入式（6）计算得到，其他源汇项与现状开采相同。
2）水位变幅预测
运行规划压采条件下的预测模型，得到2028年12月浅层地下水位等值线，与2018年12月浅层地下水位等值线做差，得到水位变幅图（图5）。与图5相比，图6中水位止跌回升的面积进一步扩大，绝大部分地区地下水位降幅减缓，但仍然呈下降趋势。相比现状开采，最大水位下降值减少为5.47 m，最大水位上升值增加为4.26 m，年均地下水位下降速率减少为0.01 m/a。因此，压采对地下水位回升有一定的作用，但没有从根本上扭转地下水采补失衡的现状。
图5 规划压采条件下2018—2028年浅层地下水位变幅
3）水量均衡预测
2层含水层多年平均补给量为13.99×108m3/a，多年平均排泄量为15.15×108m3/a，深层向浅层越流0.33×108m3/a，总储变量为-1.16×108m3/a。平原区地下水仍将处于负均衡状态。相比现状开采条件，每年消耗的地下水储存量减少了1.02×108m3。其中，浅层含水层占0.89×108m3/a，深层含水层占0.13×108m3/a。
综上，规划压采措施可在一定程度上降低地下水超采量，但仍无法达到平原区地下水“采补平衡”的目标。然而，城镇生活和工业用水已经进行了大幅压减，未来没有太大的压减空间，因而必须引入其他压采手段，从而降低地下水开采量。
限水灌溉主要针对平原区冬小麦。为了尽量降低冬小麦的减产率，限水灌溉方案主要借鉴文献[10]，在冬小麦减产率不大于20%和地下水位下降最小的约束条件下，所得到的不同降水水平对应的限水灌溉优化组合。并在规划压采的基础上，对限水灌溉方案进行数值模拟，得出增加限水灌溉措施后的平原区地下水位及水量均衡变化情况。
4.1 限水灌溉方案选取
1）降水水平分析
对于不同的行政区，限水灌溉方案选取与冬小麦生育期内降水水平直接相关（生育期为10月—次年6月）。因此，需要分析预测期2019—2028年冬小麦生育期内的降水水平。通过统计不同行政区各月降水数据，得到各行政区冬小麦生育期内的多年平均降水量，并据此采用降水频率曲线得到降水水平分类（表3）。
2）方案选取
根据预测期内的降水水平，在文献[10]中找到石家庄平原各行政区应该采取的冬小麦限水灌溉方案，并给出减产情况（表4）。
表3 各行政区冬小麦生育期内多年平均降水量及降水水平
表4 各行政区2019—2028年冬小麦限水灌溉方案及减产情况
注 灌水1次定额为75 mm，灌水2次定额为150 mm。
4.2 限水灌溉情景预测
1）限水灌溉情景
预测在限水灌溉条件下2019—2028年地下水位及水量均衡变化情况。对于冬小麦耗水量，采用各行政区冬小麦种植面积乘以各行政区选定的优化方案对应的灌溉定额得到。井灌回归量通过将调整后的农业开采量带入式（6）计算得到，其他源汇项同规划压采情景。
2）水位变幅预测
运行限水灌溉条件下的预测模型，得到2028年12月浅层地下水位等值线，与2018年12月浅层地下水位等值线做差，得到水位变幅图（图6）。平原区只有新乐市、元氏县、无极县几个超采严重的地区，地下水位仍会下降，绝大部分地区均已实现水位的止跌回升。且相比规划压采条件，限水灌溉情景最大水位下降值减少为2.46 m，最大水位上升值增加为5.30 m，年均地下水位已由下降转变为上升。因此，限水灌溉对地下水位的恢复作用十分明显。
图6 限水灌溉条件下2018—2028年浅层地下水位变幅
3）水量均衡预测
限水灌溉条件下，2层含水层多年平均补给量为13.53×108m3/a，多年平均排泄量为12.53×108m3/a，深层向浅层越流量0.29×108m3/a，总储变量为1×108m3/a。其中，浅层含水层多年平均储变量为1.63×108m3/a，深层含水层多年平均储变量为-0.62×108m3/a。因此，平原区地下水整体由负均衡扭转为正均衡状态，但深层含水层依然存在超采。
4.3 不同情景地下水恢复效果对比
将规划压采、规划压采结合农业限水灌溉2种情景下的预测结果，与现状开采条件下的预测结果进行比较，利用式（7）计算地下水储变量和浅层地下水平均水位恢复率。
表5为2种情景下的地下水恢复率。在规划压采基础上，添加限水灌溉措施相比仅采用单一规划压采措施的储变量恢复率提高了约2.1倍，浅层地下水平均水位恢复率提高了2倍。因此，限水灌溉措施对地下水恢复效果显著。
表5 不同情景地下水恢复效果对比
4.4 与前人结果对比
在文献[10]中，作者只探讨了采取限水灌溉措施对粮食产量、浅层地下水位和水量的影响，并且模拟期为1993—2012年，而本研究是在规划压采措施的基础上添加了限水灌溉情景，条件不相同，且模拟预测期也不一致。相比以往研究，本研究得出的模拟结果更加接近实际情况。
相比前2种情景，规划压采结合限水灌溉可以有效扭转浅层地下水超采现状，平原区地下水整体由负均衡转变为正均衡，可有效填补前期超采造成的水量亏空。而且，在绝大部分地区，浅层地下水位实现了止跌回升。但对于超采严重区，还需进一步采取有效措施来减少浅层地下水的开采量或增加补给量，如增加外调水量来置换地下水水源、加大生态补水力度等；
对于深层含水层，由于上述措施主要减少了浅层的开采，对深层作用不明显。因此，未来仍有必要采取针对深层含水层的措施，以实现深层地下水“采补平衡”。
对现状开采和规划压采2种情景进行模拟预测，发现浅层地下水位平均下降速率由现状开采下的0.1 m/a下降为规划压采下的0.01 m/a；
2019—2028年含水层多年平均储变量也由-2.19×108m3/a变化至-1.16×108m3/a。
在规划压采的基础上进行限水灌溉，模拟预测后发现除了新乐市、元氏县、无极县外，其余地区浅层地下水位都可实现止跌回升；
平原区整体浅层地下水位平均变化速率已由负转正，平均上升速率为0.17 m/a。此外，2019—2028年含水层多年平均储变量为1×108m3/a，平原区地下水整体由负均衡扭转为正均衡，但深层含水层依然存在超采。
规划压采配合农业限水灌溉相比只采用单一的规划压采措施，储变量恢复率提高了约2.1倍，浅层地下水平均水位恢复率提高了2倍。因此，限水灌溉对于恢复浅层地下水作用明显，能够有效配合规划压采，实现区域地下水位回升，填补多年超采造成的水量亏空，对于实现未来农业水资源可持续利用具有重要意义。
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Groundwater Recovery after Restricting Groundwater Extraction for Irrigation:Taking Shijiazhuang Plain in Hebei Province as an Example
SHUAI Guanyin1, ZHANG Xian1, 2, SHAO Jingli1*, CUI Yali1, LI Dou3
(1. School of Water Resources and Environment, China University of Geosciences (Beijing), Beijing 100083, China;2. China Water Resources Beifang Investigation, Design and Research Co. Ltd, Tianjing 300222, China;3. Hebei Hydrological Engineering Geological Survey Institute, Shijiazhuang 052161, China)
【Objective】Pumping groundwater for irrigation over the past 40 years in most regions in northern China has resulted in groundwater table falling. To alleviate the continued deterioration of groundwater-induced ecosystems, most regions have started to reduce groundwater extraction for irrigation by slightly compromising some crop yields. The purpose of this paper is to analyze its efficacy.【Method】Our analysis was based on Shijiazhuang plain in Hebei province. We established a groundwater flow model using the GMS. The schemes for groundwater-limited irrigation of winter wheat, with the associated yield reduction not dropping by more than 20%, were optimized by the simulation model under different precipitations. Meanwhile, the selected schemes for groundwater-limited irrigation were also simulated and predicted.【Result】The average shallow groundwater table in most regions begins to rise after the groundwater-limited irrigation was implemented, and the average annual rise in regional shallow groundwater table is 0.17 m. However, the table of deep groundwater continued to drop. In addition, the groundwater storage in the region has changed from decrease to increase, with the total storage in the shallow and deep aquifers increasing from 2019 to 2028 at a rate of 1×108m3/a. The groundwater storage and average shallow groundwater table are increased by 2.1 and 2 times respectively after implementing the limited-groundwater irrigation, compared to simply reducing groundwater exploitation. 【Conclusion】Liming groundwater-irrigation is effective for groundwater recovery; our results provide a baseline for sustainable utilization of groundwater for agricultural production.
water limited irrigation; numerical simulation; reducing groundwater exploitation; groundwater equilibrium; food safety
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1672 - 3317（2022）08 - 0054 - 09
S274.1
A
10.13522/j.cnki.ggps.2021548
2021-11-08
帅官印（1992-），男。博士研究生，主要从事水资源管理研究。E-mail: sgy2140@163.com
邵景力（1959-），男。教授，主要从事水资源管理研究。E-mail: jshao@cugb.edu.cn
责任编辑：韩 洋
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