河北省平原区农业开采地下水特点

2012-11-25王海宁张石春毕远山

水科学与工程技术 2012年6期

王海宁，张石春，毕远山

（1.河北省水文水资源勘测局，石家庄050031；2.石家庄市水利局，石家庄050031）

1 引言

河北省平原区西起太行山东麓，东至渤海，南临豫鲁，北连京津，地处海河流域的中下游，为古黄河及海河多年冲积、淤积而成，地形坡度平缓，是华北平原的重要组成部分，是中国粮食和蔬菜的主要产区之一。平原区生产总值占全省的81%，人口、耕地75%以上分布于此；水浇地面积占耕地面积的80%以上，是华北平原区粮食作物的主要种植区，主要种植小麦、玉米和少量经济作物，全年粮食产量2600万t。

河北省平原区降水时空分布不均，降水与作物需水在时间上不一致，使得农业生产的发展多依赖于灌溉。由于河北省地表水资源先天不足，农业灌溉用水以地下水为主，农业开采量占全区总开量的70%以上。自2003年开始，河北省水文水资源勘测局在平原区加密地下水开采量监测井布设，至2010年积累了连续8年的监测资料，由此分析河北省平原区农业地下水开采量指标特点及影响因素，对地下水开采量统计资料可靠性分析和实行最严格的水资源管理等宏观决策具有重要意义。

2 水资源开发利用概况

2.1 水资源概况

河北省平原区属半干旱、半湿润季风气候区，具有春季干旱多风、夏季炎热多雨、秋季天高气爽、冬季寒冷少雪的特点。多年平均降水量537.5mm，75%频率降水量441.8mm。

受气象、地形和地貌因素的综合影响，河北省平原区年降水量时空分布不均匀。在地区分布上，保定北部、廊坊、沧州东部的降水量较大，一般在550mm以上，冀中平原区的无极、辛集、新河一带的降水量较小，一般不足500mm。在时间分配上，区内降水量年际年内变化较大，丰水年份降水量是枯水年份的2～3倍；从20世纪50～90年代，再到21世纪初，降水量基本处于递减的趋势。尤其是1997～2010年出现了连续枯水年组，是近60年以来持续时间最长的连续枯水年。降水量年内分配非常集中，70%～80%的年降水量集中在6～9月份，春季降水量仅占全年的10%左右，冬季则更少，只占3%。

河北省平原区不同频率降水量年内分配见表1。

表1 不同频率月平均降水量年内分配单位:mm

区内多年平均蒸发量1000～1400mm，为全省蒸发量的高值区。年内5～6月蒸发量最大，约占全年的1/3；1～2月蒸发量最小，仅占全年的5%左右。地区分布规律为南部大于北部。

区内多年平均水资源总量78.5亿m3。平原区地表径流主要来源于汛期较大的暴雨，非汛期由于降水量小，极难产生径流。区内多年平均地下水资源量（矿化度≤2g/L）为70.98亿m3/a。山前冲洪积扇平原区含水层的补给和储存条件都比较优越，为全区地下水资源的主要分布区。其中燕山山前平原区、滹沱河山前洪积扇平原区地下水资源量模数达到15万～20万m3/km2，大清河、子牙河、漳河山前洪积扇平原区地下水资源量模数10万～15万m3/km2；中东部平原区地下水主要由降水入渗补给，资源模数较低，一般为10万～15万m3/km2，个别地区5万～10万m3/km2；滨海平原区几乎无浅层地下淡水资源量分布。

2.2 开发利用概况

据统计，全省有86%的机电井分布在平原区，其中15%为深层机电井。

全区2001～2010年平均地下水开采量135亿m3/a，浅层地下水开采量占71.1%，深层地下水开采量占28.9%。其中，农田灌溉用地下水99.7亿m3/a，约占地下水开采量的77%，生活用水占12%，工业用水占11%左右。

平原区井灌面积占全省灌溉面积的72.4%，山前平原区几乎全部为井灌区。平原区地下水的开采强度较高，平均为15万m3/a·km2，山前平原区可达到30万m3/a·km2以上。全区地下水开发利用率达1.39，局部地区甚至达到1.5以上，无序的开采形成了地下水严重超采区，引发了一系列的地下水环境问题［1］。

3 地下水开采特点分析

河北省水资源紧缺，水资源危机产生于人类社会对水资源的利用过程。水资源的开发利用和管理的目的是对社会水循环各个环节进行调控，使之与区域自然水文循环相适应，保证水资源的可持续利用。水资源监测是水资源管理的重要一环。

3.1 开采量监测

目前地下水开采量监测站网涉及35个平原县（市），监测层位包括了浅层水和深层水。整理2003年以来的平原区开采量监测井资料，选定其中开采量监测资料较完整、作物种植具有一定代表性且变化不太剧烈的监测井18眼，作为开采量分析的代表站。这些开采井分布在河北省平原区的9个市16个县（区），单井控制灌溉面积几十亩到几百亩。河北省平原区地下水开采量监测站分布见表2。

表2 地下水开采量监测站分布

河北省平原区主要种植冬小麦—夏玉米一年两熟粮食作物，间有少量杂粮和其他作物。如滨海平原区种植少量水稻；山前和中部平原区种植少量棉花、蔬菜和果木等等。

3.2 开采量指标特性分析

3.2.1 年灌水次数

据实测资料统计，在小麦生长季节，邯郸市、邢台市一般春季灌水2次，冬季灌水1次；石家庄市、保定市小麦春季灌水3次，冬季1次，有时浇播前灌水1次；廊坊市、秦皇岛市春季灌水2～3次，冬季有时灌水1次；唐山市春季一般灌水2次，冬季有时灌水1次。

玉米生长期，灌水次数多为1次，个别年份2或3次，也有全年无灌水的。

年灌水次数比较稳定，年灌水次数反映了作物种植类型，一般单纯小麦、玉米种植区年最大灌水次数不超过6次，超过6次的至少有3种作物，灌水次数越多，则表示种植作物种类越多。代表站灌水次数及定额分析见表3。

表3 代表站灌水次数及定额

3.2.2 灌水定额

代表站年平均灌水定额58m3，年际变化较稳定。灌水定额与作物种类关系密切，也可以说作物种类直接影响灌水定额。如沧县齐家务观测井的灌溉地块，是典型的小麦—玉米种植型结构；每年的灌溉水量相对变化较小，最大与最小灌溉定额之比为1.08。年平均灌水定额变化最大的是石家庄南卓头站和邯郸莲花口站，其中南卓头灌水定额最大74m3，最小33m3，相差2.26倍；莲花口灌水定额最大74m3，最小35m3，相差2.14倍。种植结构发生变化是导致灌水定额变化较大的原因。由单纯的种植小麦、玉米粮食作物，到改种大批果树，其生长期需水量发生变化，灌溉水量亦发生变化。如：南卓头2008年以前种植小麦、玉米间有少量杂粮，灌水定额70m3，2008年开始除少量小麦、玉米外，以果树为主，灌水定额33m3。

3.3 开采量与降水量关系

3.3.1 区域降水量

从20世纪50～90年代，再到21世纪初，平原区降水量基本处于递减的趋势。相对50年代，80，90年代降水分别减少96.4，72.6mm。2001～2010年平均年降水量484.8mm，以偏枯水为主。其中仅2003年为偏丰年，2004、2008、2009年为平水年，2005、2007、2010偏枯水年，2001、2002、2006年为枯水年。在2003～2010年平均降水509.8mm，8年仅1个偏丰年。

为了探讨开采量和其对应的降水量之间的联系，在每站附近选1～2个雨量代表站，代表开采井控制区的降水情况。代表站2003～2010年平均降水量517.5mm，与平原区降水一致。枯季降水量131.8mm，占年量的25.5%。

平原区降水空间分布不均匀，各区域的丰枯情况并不一致。144站年资料中，偏丰水年36站年，平、枯水年各54站年，2003～2010年降水以平、枯为主。降水高值区多分布在滨海平原区，低值区多分布在中部平原区，但个别年份也有变化，如2008年中部平原区的北中山降水最大，2009年滨海平原的赵家港降水最小。

3.3.2 代表站开采量

18个代表站中的13个站的年最大开采量发生在2005、2006、2010年偏枯水年份，占代表站的72.2%。有9个站的年最小开采量发生在偏丰水年份，占代表站的一半。也有代表站的年最小开采量发生在偏枯水年份，如邯郸的莲花口、临洺关；保定的冉庄、大沟及唐山的司各庄。这与降水量的时程分配有关。

开采量年际变化小的是邯郸临洺关、保定大沟站，极值比分别是1.8、1.7；年际变化最大的是廊坊芒店站，极值比6.4。芒店站2007年开采量最小，该年为平水年，3、5月降水高于常年值，相应的3月没有开采量，5月开采量也低于常年值。

枯季平均开采量占全年开采量的70%，最多占78%，为南卓头站；最少占49.9%，为莲花口站，该站主要种植蔬菜。

综合分析可以看出，影响开采量的主要因素是作物种类和枯季降水。地下水开采量与作物及其生长期的降水关系密切，降水量增大，农作物耗水从降水中获得的供给增大，农田灌溉水量减少，农业地下水开采量也随之减少，遇枯水年份，作物耗水主要靠地下水灌溉支持，农业地下水开采量较大。开采量年际变化及对应河北省平原区降水量丰枯等级见表4。

表4 开采量年际变化及对应平原区降水量丰枯等级

3.3.3 枯季开采量与降水量关系

开采量监测地块多种植小麦、玉米。冬小麦播种期在每年10～11月，生长期在次年3～5月。这期间正逢一年中的枯水季节，降水量不能满足作物的生长需求，需要进行灌溉补水。因此，枯季降水量决定年开采量大小。

通过单站分析发现，枯季降水尤其是3、5月降水影响了年开采量。本文以南卓头站为例，具体分析降水量与开采量之间变化关系见图1。

图1 南卓头站枯季降水量与开采量

由图1可知，开采量和降水量基本呈现反向一致性，当降水量大时，开采量小；当降水量减少时，开采量增加；开采量变化比降水量更剧烈，但也存在年份降水量接近，开采量有差别的情况。

2003年为降水偏丰年，年降水量593.2mm；枯季的降水也最多，为235.4mm；且4、5、10、11月份降雨也相对均匀，该年枯季开采量最小与降水量排位反向一致；2004年为偏丰年，年降水量628.6mm，大于2003年，但枯季降水仅106.6mm，远小于2003年，对应的枯季开采量明显大于2003年，枯季降水对开采量影响显著。2005、2006年为枯水年，年枯季降水相同，降水量76mm，其开采量明显增大，2005年开采量最大，2006年次之；2007年为平水年，2008年为丰水年，2009年为偏丰水年，但枯季降水接近，其开采量接近；2007年开采量稍大于2008、2009年，主要是2008年4月份、2009年10月份降水量多，这两月相应开采量减少。2010年降水量明显减少，开采量较2008、2009年虽然增多，但与降水接近的2005年相比，开采量明显减少，从降水量分布看，2010年3月份有一次降水，而2006年没有，2010年3月份开采量小于2005年3月份。另外，2010年种植作物与2006年相比也发生了变化，小麦种植减少，林果种植面积增大，也影响了开采量。

分析可见，农业开采量不仅受年降水量的影响，更与降水量季节分配有关，枯季降水对开采量的影响更直接。更细一步说，枯季月降水量甚至是次降水量的分配直接影响着开采量。