冀中山前平原农业区浅层地下水位对连年少雨响应特征与机制

张光辉　王茜+田言亮　严明疆+王威

摘要：冀中山前平原农业区浅层地下水是当地农田灌溉的主要水源，已处于超采状态。依据冀中山前平原不同农业区长观孔浅层地下水位动态监测资料，对浅层地下水位响应连年降水偏枯的变化规律进行了研究。结果表明：降水连年偏枯（少雨）时段的春灌期大规模集中开采浅层地下水，是冀中山前平原农业区浅层地下水位不断下降的主要动因；春灌期农业区浅层地下水位降幅与前一年和当年1月到6月降水量密切相关；当年降水量小于当地多年平均降水量（5284 mm）时，随着降水量减小，农业用水开采对浅层地下水位下降的影响增大；当年降水量大于当地多年平均降水量尤其大于620 mm时，农业用水开采对浅层地下水位下降的影响显著减弱；合理调控农业区浅层地下水开采强度是缓解冀中山前平原农业区浅层地下水超采情势的重要举措。

关键词：浅层地下水；灌溉；超采；地下水位；干旱；春灌期；山前平原；农业区

中图分类号：P641.8；S273.4文献标志码：A

0引言

气候干旱即降水连年偏枯（少雨），是加剧农业区浅层地下水开采强度（单位时间单位面积的开采量）的驱动力[12]。冀中山前平原是中国冬小麦、夏玉米作物的主要种植区和华北平原浅层地下水超采的主要分布区[34]。20世纪70年代以来，该平原降水偏枯的年份居多，尤其是连年少雨时有发生。自1991年以来至少发生过3期连续3年及以上的降水偏枯时段，加剧了该平原农业区浅层地下水超采程度，导致该区浅层地下水位不断下降。因此，进一步认识冀中山前平原农业区浅层地下水位对连年少雨的响应特征与可调控性，对于提高农业区浅层地下水可持续利用能力和缓解超采具有重要意义。

有关浅层地下水与农业用水及降水之间关系的研究较多[57]。严明疆等研究了作物生长季节降水量及农业用水开采量对浅层地下水变化的影响[8]；袁野等认为降水量对农业用水开采量影响显著，进而导致浅层地下水位明显下降，农业用水开采量变化对浅层地下水位影响的程度远大于降水量变化的影响程度[9]；汪丽芳等研究发现每年3月以后随着灌溉用水量的增加，浅层地下水位明显下降 [10]；刘中培等研究认为，华北平原农业区浅层地下水位下降不仅与灌溉农业密切相关，而且与降水量年际变化有一定关系[11]；李新波等认为，集约化农业活动对浅层地下水位下降的影响呈增大态势[12]；王电龙等认为，气候变化是石家庄平原区浅层地下水位不断下降的重要影响因素[13]；袁再健等研究认为，河北平原农田耗水对浅层地下水动态变化有明显影响[14]；张光辉等认为，浅层地下水位下降不仅与灌溉农业密切相关，还与降水量变化有关[1518]；刘燕等分别研究了农业和生态区水资源承载力相关问题[1922]；彭致功等研究了农业节水措施对浅层地下水的涵养作用[23]；周维博等对井渠灌区浅层地下水动态预报及灌溉入渗对浅层地下水的影响进行了研究[2425]；徐旭等模拟了区域尺度农田水盐动态[26]。但是，有关连年少雨对农业区浅层地下水超采的影响特征研究有所欠缺，需加强研究。本文依据冀中山前平原不同农业区的长观孔浅层地下水位动态监测资料，侧重研究了农业区浅层地下水位对连年降水偏枯的响应变化特征与机制。

1研究区概况

研究区位于河北中部的太行山东麓山前平原，地处河北省保定—石家庄—邢台—衡水一带，面积123×104 km2。区内第四系主要为冲洪积地层，第Ⅰ、Ⅱ含水层组（浅层地下水）以中粗砂、砂卵砾石层为主，含水层厚度30～70 m，底板埋深小于120 m，渗透系数为80～300 m·d-1。包气带厚度介于15～45 m之间，由粉细砂组成。区域浅层地下水流向为NW—SW向。区内粮食作物播种面积占农作物总播种面积的8127%，其中以小麦为主的夏粮作物面积占6823%。每年冬小麦灌溉用水量占全年农业灌溉用水量的5148%，夏玉米灌溉用水量占2505%[1]。

研究区1956～2012年多年平均降水量为5284 mm，降水主要集中在每年的6月到9月，冬小麦生育期内降水量不足全年的20%。自20世纪80年代以来，区内绝大部分河流长期干涸，地表水资源十分匮乏，浅层地下水是当地供水的主要来源。近5年来，该区浅层地下水开采量占当地总供水量的81.35%；在浅层地下水开采量中，农业用水占当地总开采量的83.65%[1]。

研究区农业生产大规模开采浅层地下水始于1972年，当年该平原区降水量为280.3 mm。1972年之前，该区平均开采机井密度不足每平方千米3眼，826%的区域浅层地下水位埋深小于10 m；现今平均机井密度为每平方千米13眼，最高达每平方千米22眼，浅层地下水位呈现区域性不断下降趋势（图1）。

2材料与方法

选择以小麦、玉米等粮食作物为主的区域作为重点研究区，考虑不同浅层地下水位埋深的影响，收集了1970年以来区内国家级、省级农田区长观孔的浅层地下水位动态监测资料以及1991年以来日监测资料和同期降水等气象资料。在典型农业区建立9眼监测孔，进行小时级的浅层地下水位动态智能长观孔监测，每3 h监测一次，包括浅层地下水位、水温和电导率等；在农业集中灌溉期间还监测灌溉用水的起止时间和浅层地下水开采量。

以农业区浅层地下水位长观孔监测资料为基础，应用时间序列异变特征和趋势分析方法，研究地下水位变化趋势。利用1991年以来每5日监测一次的动态资料，识别和分析降水连年偏枯时段、春灌期间及之后的浅层地下水位变化特征，重点分析灌溉期浅层地下水位降幅特征。基于小时级浅层地下水位监测资料，以日为基本时间单元，研究春灌期浅层地下水位降幅对降水量变化的响应特征，并用于验证。

3近40年来浅层地下水位变化特征

从图1（a）可以看出，自20世纪70年代以来，冀中山前平原农业区浅层地下水位呈现不断下降趋势，年均降幅083 m。只有1988～1990年（年降水量为6357～693.8 mm）和1995～1996年（年降水量为707.6～969.1 mm）出现流域性暴雨泛洪，上游水库大量泄洪，区内浅层地下水位出现普遍的大幅度上升，浅层地下水超采情势从而得以缓解。图1（b）表明，研究区浅层地下水位大幅下降主要发生在每年的春季小麦等作物大规模集中灌溉时期，其间浅层地下水位降幅明显大于灌溉之后每年8月至次年2月的浅层地下水位升幅，进而导致研究区浅层地下水位呈现不断下降趋势。

4春灌期浅层地下水位降幅特征及与降水量之间的关系

4.1浅层地下水位变化特征

2008～2012年的每年3月15日至6月30日春灌期间，随着1月至6月降水量的变化，河北柏乡、赵县和定兴农业区浅层地下水位响应变化的日均降幅大于1.0 cm，都呈现春灌加剧农业区浅层地下水超采的特征。只有在降水明显偏丰条件下，日均水位降幅才会小于1.0 cm。分布在不同农业区的9眼监测孔小时级浅层地下水位动态监测结果与上述规律吻合；在2013年春灌期间，浅层地下水位都呈现每天厘米级的下降特征（表1、2）。

表1基于长观孔监测资料的2008～2012年春灌期浅层地下水位变化特征

Tab.1Variable Characteristics of Shallow Groundwater Level During Spring Irrigation Periods of 20082012 Based on Monitoring Data from Longtime Observation Hole

浅层地下水位特征值柏乡农业区赵县农业区定兴农业区

2008年2009年2010年2011年2012年2008年2009年2010年2011年2012年2008年2009年2010年2011年2012年

水位/m初值68.8963.9465.7871.9072.8543.8044.1045.2048.0049.6012.4012.7012.1015.4016.85

终值69.6266.8871.5073.8173.9144.4046.5049.0049.9051.6014.1613.8515.5016.4017.15

时段水位差/m-0.73-2.94-5.72-1.91-1.06-0.56-2.43-3.79-1.95-1.99-1.76-1.15-3.40-1.00-0.30

时段日均水位降幅/（cm·d-1）0.692.775.401.801.000.532.293.581.841.881.661.083.210.940.28

1月至6月降水量/mm228.8111.849.393.3183.5210.1118.979.9121.2154.3336.5126.360.4131.9254.7

表2基于小时级长观孔监测资料的2013年春灌期

浅层地下水位变化特征

Tab.2Variable Characteristics of Shallow Groundwater

Level During Spring Irrigation Period of 2013 Based

on Monitoring Data at Onehour Interval from Longtime Observation Hole

浅层地下水位特征值新乐农业区无极农业区藁城农业区正定农业区

水位/m初值24.2224.6531.6847.23

终值25.7026.7333.7449.06

时段水位差/m-1.48-2.08-2.06-1.83

时段日均水位降幅/（cm·d-1）1.862.462.521.64

注：初值取自每年3月15日监测数据，终值为每年6月30日监测数据；2013年1月至6月研究区降水量为112.6 mm；研究区浅层地下水位初值平均为31.95 m，终值平均为33.81 m，时段水位差平均值为-1.86 m，时段日均水位降幅平均值为2.12 m。

4.2降水连年偏枯时段浅层地下水位变化特征

图2是采用每年春灌之后的最低浅层地下水位和当年降水量资料编绘的，反映春灌及前一年降水量对农业区浅层地下水位的影响特征。1991年以来曾出现过3期至少连续3年的降水偏枯期。降水偏枯期指年降水量小于1956～2012年多年平均降水量的时期。3个降水偏枯期分别为1991～1994年、1997～1999年和2002～2007年。这3个时期的农业区浅层地下水位年降幅分别为1.66、3.14、1.23 m，明显大于同一监测孔在降水偏丰或平水期间（如2008～2011年）的浅层地下水位降幅（0.56 m）。

图2连年降水偏枯时段春灌期最低浅层地下水位变化特征

Fig.2Variable Characteristics of the Lowest Shallow

Groundwater Level During Spring Irrigation Periods

of the Continuous Years with Less Rainfall

1970～2011年，研究区多年平均浅层地下水位降幅为每年0.83 m（图2）。1991～1994年、1995～1997年和2002～2007年春灌期浅层地下水位平均降幅（春灌期初始浅层地下水位与灌溉后最低浅层地下水位之差的多年平均值）分别为262、355、128 m，是1970～2011年多年平均降幅的1.48～3.78倍，而降水偏丰的2008～2011年春灌期浅层地下水位降幅（0.98 m）与1970～2011年多年平均降幅趋近。这再次表明，降水偏枯条件下春灌期农业大规模集中开采浅层地下水，是冀中山前平原农业区浅层地下水位加剧下降和超采的主要动因。

4.3浅层地下水位降幅与降水量之间的关系

降水连年偏枯，尤其是秋、冬、春季持续干旱，加之研究区地表水资源十分匮乏，浅层地下水是该区灌溉用水的主要水源，因此，浅层地下水开采强度必然随气候干旱的加剧而增大，浅层地下水位随之大幅下降。从图2中3个时段（1991～1994年、1997～1999年和2002～2007年）的每年春灌期之后最低浅层地下水位埋深变化趋势来看，水位下降幅度与前一年和当年降水量有一定相关性。相对多年平均降水量，1991～1994年年均降水量减少94.5 mm，对应时段的年均浅层地下水位降幅262 m；1997～1999年年均降水量减少158.7 mm，对应时段的年均浅层地下水位降幅355 m；2002～2007年年均降水量减少871 mm，对应时段的年均浅层地下水位降幅128 m。而2008～2011年年均降水量增加76.8 mm，对应时段的年均浅层地下水位降幅减小为098 m。由此可见，降水量减少愈多，每年春灌期农业区浅层地下水位下降幅度愈大。

从图1可知，研究区浅层地下水已处于严重超采状态，除非发生类似1996年8月的流域性特大暴雨洪水，浅层地下水位才会较大幅度上升。一般年份浅层地下水位都呈不断下降状态，1970～2011年浅层地下水位多年平均降幅为每年0.83 m[图1（a）]。春灌期降水较少，农业灌溉的开采量较大，每年浅层地下水位下降过程主要发生在该时期；春灌之后进入雨季，降水量和浅层地下水补给量都显著增大，农业用水开采量急剧减少，浅层地下水位上升，但是一般年份的浅层地下水位上升幅度都小于当年春灌期浅层地下水位下降幅度[图1（b）]，从而呈现出浅层地下水位年际不断下降的现象。在遭遇连年降水偏枯时段，例如1997年和1998年降水量分别比该区多年平均降水量少278.6 mm和181.1 mm，以至于次年春灌期浅层地下水位降幅明显增大（图2、3）。

图3春灌期浅层地下水位降幅与年降水量之间的关系

Fig.3Relationship Between Decline Amplitude of

Shallow Groundwater Level and Annual Precipitation

During Spring Irrigation Periods

从图3可知：当年降水量小于1956～2012年多年平均降水量（5284 mm）时，随着降水量减小，农业区春灌期浅层地下水位降幅增大；当年降水量大于多年平均降水量尤其是大于620 mm时，降水量变化对农业区春灌期浅层地下水位降幅的影响明显减小，尤其是每年1月至6月降水量的增加对区内农业用水开采量的影响减少得更为明显。每年1月至6月降水量显著减少，也会加剧春灌期浅层地下水位下降的幅度（表1、2）。

5浅层地下水位下降动因与可调控性

5.1下降动因

冀中山前平原农业区浅层地下水已处于超采状态，20世纪70年代以来浅层地下水位呈现不断下降趋势，只是在每年春灌期之后，随着降水量增多，浅层地下水位才会缓慢回升，至次年2月和3月升至最高水位，但低于春灌期之前的初始水位（图1）。在以浅层地下水作为灌溉主要水源的40年中，只有1988年8月和1996年8月发生流域性暴雨洪水，至来年雨季，区内浅层地下水位曾出现过显著上升过程[图1（a）]。由此可见，春灌期开采浅层地下水是加剧冀中山前平原农业区浅层地下水位不断下降的主要动因。在图1中，每年浅层地下水位下降幅度等于春灌期浅层地下水位降幅与春灌期之后雨季水位升幅的代数和，多年平均为0.83 m。如果1月至6月降水较多，或者7月至9月降水量显著大于多年平均降水量，则由于春灌期农业用水开采量明显减少，或雨季及之后浅层地下水系统获得的补给量明显增大，该年份浅层地下水位下降幅度小于083 m，甚至明显上升；如果1月至6月降水明显偏少，或者7月至9月降水量显著小于多年平均降水量，则由于春灌期农业用水开采量明显增大，或雨季及之后浅层地下水系统获得的补给量明显减少，该年份浅层地下水位下降幅度大于0.83 m。

从某一年的全年浅层地下水水量均衡角度来看，春灌期研究区降水量不足全年的20%，加之区内主要河道长期干涸，冬小麦等作物灌溉用水只能大规模集中开采浅层地下水，造成春灌期单位面积浅层地下水排泄量（W1）为年内日均最大值，远大于多年平均日开采强度。同时，因干旱少雨，单位面积浅层地下水获得的补给量（W2）为年内最小值，甚至无补给，远小于多年平均日补给量。源W2、汇W1从两方面叠加影响，造成冀中山前平原农业区浅层地下水位系统为水量负均衡，结果必然是春灌期浅层地下水位降幅远大于当年平均或多年平均水位降幅。另外，每年1月至6月研究区降水越少，气候越干旱，农田土壤墒情水分亏缺愈严重，导致春灌期单位面积浅层地下水排泄量增大的幅度越大，春灌期浅层地下水位降幅越大；每年1月至6月研究区降水越多，农田土壤墒情水分亏缺愈轻，促使春灌期单位面积浅层地下水排泄量减小的幅度越大，春灌期浅层地下水位降幅越小。

5.2可调控性

气候干旱、农业用水开采量过大是冀中山前平原农业区浅层地下水位不断下降的主要因素。气候干旱是人类无法调控的，农业用水开采量则具有可调控性。对于因农业用水开采量过大造成浅层地下水长期处于严重超采状态的地区，调减高耗水作物种植面积，优化耗水作物空间布局，降低农业灌溉用水的浅层地下水开采强度，将是缓解农业超采浅层地下水情势的重要举措。

对于农业灌溉用水比较粗放，节水潜力较大的农业区，应合理应用农艺、生物和管理节水技术，在每年春灌期结合农业气象预报，科学适度延迟春灌，推广高效节水灌溉，尽可能充分利用每年4月和5月的降水，降低浅层地下水开采强度，同时加强秋、冬季土壤墒情涵养和雨季雨洪地下水调蓄利用。

6结语

（1）冀中山前平原农业区连年少雨干旱时有发生，春灌期开采浅层地下水已成为加剧浅层地下水位不断下降的主要动因，尤其在降水连年偏枯时段的春灌期，农业用水大规模集中开采加剧了浅层地下水超采情势。

（2）当年降水量小于当地多年平均降水量（5284 mm）时，随着降水量减少，春灌期农业用水开采对冀中山前平原浅层地下水位下降的影响增大；当年降水量大于多年平均降水量尤其大于620 mm时，春灌期农业用水开采对浅层地下水位下降的影响显著减弱。

（3）通过合理调控农业灌溉用水，降低浅层地下水开采强度，有利于缓解冀中山前平原农业区浅层地下水超采情势，提升浅层地下水资源的可持续利用。

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