黄淮海平原灌溉农业对地下水依赖程度与保障能力

田言亮, 张光辉, 王 茜, 严明疆, 王 威, 王金哲

中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061



黄淮海平原灌溉农业对地下水依赖程度与保障能力

田言亮, 张光辉*, 王 茜, 严明疆, 王 威, 王金哲

中国地质科学院水文地质环境地质研究所, 河北石家庄 050061

摘 要:在我国北方粮食主产区, 尤其黄淮海平原农业区, 地下水是农业灌溉的重要水源, 地下水超采状况与灌溉农业对其依赖程度和地下水保障能力密切相关。本文通过农业灌溉用水强度与降水量和农作物播种强度之间关系研究, 以及灌溉农业用水对地下水依赖程度和对地下水超采影响特征研究, 创建灌溉农业的地下水保障能力相应理念和评价理论方法, 应用表明: (1)灌溉农业开采是黄淮海平原农业区地下水超采的主要因素, 主要发生在小麦主灌期, 且灌溉农业对地下水依赖程度愈高、灌溉前几个月份降水愈少农业超采愈严重; (2)农业超采区地下水位在主灌期呈“厘米”级(大于1.0 cm/d)下降、非灌溉期呈“毫米”级(小于1.0 cm/d)上升的“强降-弱升”规律; (3)采用灌溉农业用水对地下水依赖程度(A)、地下水对灌溉农业用水保障程度(B)和灌溉农业的地下水保障能力(C)的评价理论方法, 能够客观阐明灌溉农业用水对地下水依赖状况、地下水保障能力的区域分布特征及其成因。结果表明黄淮海平原西北部灌溉农业的地下水保障能力较弱, 尤其河北平原已处于“难以保障”或“无法保障”状态, 黄河以南地区的地下水保障能力较强。

关键词:地下水; 农业; 灌溉用水; 保障能力; 黄淮海平原

本文由中国地质调查局地质调查项目(编号: 12120115049701)和国家自然科学基金项目(编号: 41172214)联合资助。获中国地质调查局、中国地质科学院2015年度地质科技十大进展第八名。

(1) Agricultural exploitation mainly in the irrigation period of wheat is the major factor of groundwater over-exploitation in the Huang–Huai–Hai Plain. The higher the dependence of irrigated agriculture on groundwater and the less the precipitation before irrigation period, the more serious the over-exploitation will be; (2) The shallow groundwater level in the agricultural exploitation area declines by more than 1.0 cm/d during the irrigation period and rises by less than 1.0 cm/d during non-irrigation period; (3) The regional characteristics, the situation and the causes of the dependence degree of irrigation agriculture on the groundwater and the safeguardcapacity of the groundwater can be objectively clarified by using the evaluation methodology which includes the dependence degree of irrigation water on groundwater (A), the supply extent of the groundwater to irrigation water (B), and the safeguard capacity (C). According to the results obtained, the groundwater safeguard capacity for agricultural irrigation is poor in the northwest area of the Huang–Huai–Hai Plain, especially in the Hebei Plain, the groundwater can hardly or even unable to guarantee the agricultural irrigation; in contrast, the safeguard capacity is stronger in the south area of the plain.

黄淮海平原是我国三大粮食主产区之一(即东北地区、黄淮海平原和长江流域中下游区)。在黄淮海平原农业灌溉用水中, 地下水开采量占农用水总量的70%以上, 其中河北平原的大部分农业区灌溉用水的80%以上取自地下水, 尤其保定、石家庄、邢台、衡水和廊坊地区农业灌溉用水对地下水具有较高依赖程度, 地下水已经成为黄淮海平原灌溉农业生产的基本条件和永久基本农田建设不可缺少的保障条件(张光辉等, 2012, 2013a)。

黄淮海平原粮食主产区包括河北、河南、山东、安徽和江苏省等5个农业区, 面积26.32万km2, 粮食作物播种面积、产量分别占全国总量的23.2%和28.9%。其中小麦播种面积、产量分别占全国相应总量的39.7%和55.8%, 玉米种植面积、产量分别占28.3%和32.9%(张光辉等, 2012)。在未来我国粮食增产规划(至2020年)中, 该区新增粮食产能占全国1000亿斤新增产能的32.9%。然而, 在黄淮海平原以农业主导的地下水超采范围和程度日趋严重, 区内各粮食主产区能否可持续发展令人关注(周万亩, 2007; 张光辉等, 2012; 刘中培等, 2012; 李山等, 2014; 景冰丹等, 2015)。但是, 在黄淮海平原不同分区灌溉农业对地下水依赖程度和地下水保障能力现状如何, 如何客观量化评价, 不仅欠缺量化评价,而且, 尚无可借鉴的评价理论方法。它不仅涉及耗水型农作物播种强度、地表水可利用资源和地下水开采资源赋存状况, 而且, 还与非农业需用水情势和降水量等气候变化密切相关, 已成为国家重视的重要课题。2013年国土资源部启动了地质调查综合研究项目“中国主要粮食基地地下水资源综合评价与合理开发研究”, 推动了相关理论方法深入探讨和研发。

有关农业用水与地下水之间关系研究较多。研究表明, 我国北方地区地下水超采与农业灌溉开采密切相关(张光辉等, 2012, 2013, 2015a, b; 刘中培等, 2012; 中国地质科学院, 2016)。华北平原地下水资源长期处于负均衡状态, 农业活动对地下水的影响强烈, 是地下水超采的主导因素(贾金生和刘昌明, 2002; 邵景力等, 2009; 石建省等, 2014)。农业灌溉集中高强度开采地下水和分散大量开采都会造成地下水严重超采并引发地下水流场剧变(Gotkowitz and Hart, 2008; Pei et al., 2015)。但不同地区水资源承载力差异较大(姜秋香, 2011), 且不同农业区节水潜力存在一定的差异性(姚治君, 2000;陈玺等, 2007)。

本文依托国家自然科学基金项目“降水变化驱动地下水变幅与灌溉用水强度互动阈识别”和中国地质调查局综合研究项目“中国主要粮食基地地下水资源综合评价与合理开发研究”, 取得如下重要成果。

1 基本理念与评价理论方法

农业开采量是指灌溉农业用水过程中取用(开采)地下水水量的简称, 单位: 万m3/a。

地下水开采资源量是指中尺度(10～15年)均衡期多年平均的可持续开发利用、且不引起不良生态环境和地下水位持续下降或地面沉降等环境地质问题的地下水量。

灌溉农业对地下水依赖程度(A)是指评价区近3～5年平均农业开采量占当地相应时段年均农业灌溉用水量的比率, 单位: %。

地下水对灌溉农业用水保障程度(B)是指评价区可用于灌溉农业的地下水开采资源量占当地近3～5年平均(与A值计算时段相同)农业灌溉用水量的比率, 单位: %。

灌溉农业的地下水保障能力(C)是指在现状开采条件下可用于灌溉农业的地下水开采资源能够确保当地灌溉农业用水需求的能力, 无量纲, 计算方法如下式:

式(1)中, C值是表征地下水对当地灌溉农业用水保障能力的综合指标。通过该值的区域分布特征分析, 可以阐明不同分区灌溉农业抵御连年气候干旱的地下水保障能力。C值不仅与灌溉农业对地下水依赖程度(A)密切相关, 而且, 还与当地现状地下水保障程度(B)相关, 其中气候和农作物布局结构变化是主导影响因素。

从式(1)可见, 灌溉农业对地下水依赖程度(A)越低, 灌溉农业的地下水保障能力(C)越强; 当A值→0.0时, 则C值→1.0。灌溉农业对地下水依赖程度(A)越高的地区, 尤其当A值>>B值时, 该区灌溉农业的地下水保障能力消失(C为负值)。如果A值一定, 则该区灌溉农业的地下水保障能力(C)随着B值的增大而提高, 即地下水开采资源量越大或该区灌溉用水总量越小, 该区灌溉农业的地下水保障能力越强。

表1　农业区地下水保障能力评价指标体系及意义Table 1 Evaluation index system and the significance of groundwater safeguard capacity in agricultural area

根据上述基本概念和地下水超采程度的评判指标(张光辉等, 2009, 2012), 评价结果划分为安全保障、较安全保障、基本保障、难以保障和无法保障5个级别, 如表1所示。

造成灌溉农业的地下水保障能力处于“难以保障”或“无法保障”的原因, 不同地区各不相同。有些地区可能是因为当地地下水开采资源极度贫乏所致, 有些地区是由于灌溉农业规模过大, 农业开采量远超过当地地下水资源承载力。连年干旱, 不仅会导致地表水资源枯竭, 而且地下水补给也会大幅减少, 同时, 农业开采规模显著增大(张光辉等, 2006, 2012, 2013, 2015b), 由此加剧A值与B值之差,即加剧农业主导的地下水超采情势。

B值中地下水开采资源的基值确定是根据不同类型区农业、工业、生活和生态环境等对地下水资源合理需求, 分别确定各分区地下水开采资源的基值。即, 在农业用水量占当地总用水量比率大于70%的地区, 以当地地下水开采资源量的70%作为B值的基值, 主要为河北平原和河南部分农业区。

在农业用水量占当地总用水量比率介于50%～70%的地区, 以当地开采资源量的60%作为基值, 主要为河南、山东和安徽的淮河流域大部分农业区。在农业用水量占当地总用水量比率小于50%的地区, 以当地开采资源量的55%作为基值, 主要为江苏的淮河流域农业区和安徽的部分农业区。

在实际应用中, 根据评价尺度和具体需求, 可以进一步细化B值中地下水开采资源的基值分区,例如根据地市级分区或水文三级或四级分区, 切实从合理需求出发。当然, 分区过多, 会增加不必要的工作量。本文研究区是国家粮食主产基地, 所以, B值中地下水开采资源的基值分区采用粮食主产区(省)作为基础。

评价中采用的数据来源于: 地下水资源及其供用水量资料, 收集黄淮海平原相关各省市、区市监测部门的监测资料及相关报告, 包括近5年来各地市的水资源公报数据、气象数据、农业灌溉和地下水动态监测资料。其中供水量中包括地表水、浅层地下水和深层承压水、微咸水、其他(外域调水、海水淡化等)水量; 用水量中包括农田灌溉用水量, 分类为水田、水浇地、菜田的灌溉用水量及其地下水开采量, 林牧渔畜用水量及其林果、草场、鱼塘和畜牧各分项的用水量和地下水开采量, 非农业用水量。灌溉农业资料主要源自各省市、地市和县农村经济统计年鉴及经济统计汇编, 该数据统计最小分区为乡镇, 包括近5年以来主要粮食作物、各类蔬菜和鲜果的播种面积、产量和各类农地面积、实际灌溉量和灌溉时间等数据。

2 农业区地下水位强降弱升特征

从地下水动态监测数据表明, 每年春季小麦灌溉期间农业区地下水位都大幅下降, 秋季灌溉也呈现下降过程(图1)。在灌溉开采地下水期间, 所有监测孔的地下水位都呈下降过程, 下降幅度为“厘米/日”级(表2)。其它时段, 正逢降水较多或雨季之后又处于非主农灌时节, 以至所有监测孔的地下水位都呈“毫米/日”级的上升特征(表2)。例如2007—2011年期间, 各年春灌溉期日均地下水位降幅介于1.98～3.07 cm/d, 为“厘米/日”级的下降特征。其中受降水偏枯影响的2007、2011年春灌溉期日均地下水位降幅介于3.17～4.07 cm/d, 而降水偏丰的2008 —2010年期间的各年春灌溉期日均地下水位降幅介于1.98～3.07 cm/d。又例如2012—2013年期间, 虽然年降水量分别为615.8 mm和586.6 mm(降水偏丰), 但是小麦春灌溉期间日均地下水位降幅仍然介于1.64～2.52 cm/d。

表2　不同季节冀中山前平原农业区浅层地下水位强降弱升特征Table 2 Fast declining or slow rising characteristics of the shallow groundwater level in the agricultural region of Hebei Taihang piedmont plain during different seasons (data from the intelligent hourly monitoring)

图1　农业超采地下水的主要时段、程度和机制Fig. 1 Main period, degree and mechanism of agricultural exploitation

在降水枯水年份, 尤其秋、冬、春三季持续干旱或连续枯水年份, 农业开采引起的地下水位下降幅度明显增大, “厘米/日”级降幅的特征更加显著。例如在1992—1994年的降水枯水期间每年春灌溉季节农业区浅层地下水位都大幅下降, 其中1992年春灌溉期地下水位下降3.89 m, 期间平均水位下降2.55 cm/d。1993年春灌溉期地下水位下降3.01 m,期间平均水位下降3.26 cm/d。1994年春灌溉期地下水位下降2.30 m, 期间平均水位下降3.77 cm/d,呈现日均地下水位降幅增大特征。这些枯水年份的春灌溉期间地下水位下降过程线的大部分, 位于1991—1995年期间水位变化趋势线之下, 表现为加剧地下水位下降的特征, 这与降水偏丰年份(1991年的前期, 1990年降水量693.8 mm; 研究时段末期, 1995年降水量707.6 mm)特征明显不同。

在非灌溉期, 即使是2007—2011年降水偏丰期间, 农业区地下水位上升日均幅度2007年为0.76 cm/d、2008年日均水位升幅0.79 cm/d、2009年为0.96 cm/d、2010年为0.84 cm/d和2011年日均水位升幅0.72 cm/d, 总体上仍然呈现“毫米/日”级特征。又例如1991—1995年期间发生“3年降水连续偏枯”, 每年春灌溉期过后, 农业区浅层地下水位都呈现上升过程, 其中1992年6至12月份地下水位上升1.21 m, 日均水位上升0.78 cm/d; 1993年地下水位上升2.39 m, 日均水位升幅0.97 cm/d; 1994年地下水位上升2.30 m, 日均水位升幅0.84 cm/d。上述这些变化, 仍然都呈现“毫米/日”级的上升特征。降水偏枯水年份地下水位弱升的一个标识特征, 是地下水位上升过程线的大部分位于多年水位变化趋势线之下。

3 灌溉农业对地下水依赖程度分布特征及成因

在黄淮海平原, 自东南至西北, 灌溉农业对地下水依赖程度呈增高变化特征。其中河北平原保定—石家庄—邢台—衡水一带的灌溉农业对地下水依赖程度最高(图2和图3a), 农业开采量占当地农业总用水量的80%以上, 该区域已成为黄淮海平原浅层地下水主要超采区。从地下水开采量占总用水量比率来看, 2011年保定地区占91.98%, 石家庄地区占81.77%, 邢台地区占85.96%和衡水地区占89.62%, 廊坊、邯郸和沧州地区介于72%～85%。北京和天津平原区灌溉农业对地下水依赖程度都较低,农业开采量占当地农业总用水量的比率不足35%(图2, 3a)。

图2　黄淮海粮食主产区地下水保障能力的成因与机制Fig. 2 The cause and mechanism of groundwater safeguard capacity in Huang-Huai-Hai major grain producing areas

图3　黄淮海粮食主产区灌溉农业对地下水依赖程度和地下水保障能力分布状况Fig. 3 The distribution of groundwater safeguard capacity and the dependency degree of agricultural irrigation on groundwater in the Huang–Huai–Hai major grain producing areas

在河南平原的北部和中东部地区, 灌溉农业对地下水依赖程度较高(图2, 3a)。其中安阳、濮阳、鹤壁、新乡、开封和商丘地区农业开采量占当地地下水总开采量的65%以上, 而且濮阳、鹤壁和新乡地区农业用水量占当地总用水量的80%以上。在山东平原的西北部, 灌溉农业对地下水依赖程度也较高(图2, 3a), 例如泰安地区农业开采量占当地地下水总开采量的87.07%, 聊城地区占74.51%, 德州地区占71.85%。

在安徽的淮河流域平原区, 包括宿州、蚌埠、阜阳、淮北和亳州地区, 农业开采量占当地地下水总开采量的比率介于10.75%～33.56%, 呈逐年增大趋势, 但总体上该区灌溉农业对地下水依赖程度较低(图2, 3a)。在江苏的淮河流域平原区, 地下水开采量占当地总用水量比率不足2.0%, 农业用水量也仅占48.51%, 灌溉农业对地下水依赖程度最低的是黄淮海平原地区(图2, 3a), 因为当地雨水充沛和地表水资源丰富。

4 地下水对灌溉农业保障能力分布特征与成因

4.1地下水保障能力分布特征

黄淮海平原粮食主产区的孔隙地下水资源量占99.91%, 岩溶地下水资源量占0.09%。其中, 黄河以北的平原区占39.22%, 黄河以南的淮河流域占55.49%和黄河流域5.29%。黄河以北的平原区孔隙地下水资源量为227.58亿m3/a, 占全区总量的39.17%; 黄河以南的淮河流域为322.74亿m3/a, 占55.54%; 黄河流域为30.76亿m3/a, 占5.29%。黄河、海河和淮河流域平原区的地下水资源模数,分别为14.93 m3/(a·km2)、16.19万m3/(a·km2)和16.55万m3/(a·km2)。

从黄淮海平原的各主产(省)分区来看, 河北主产(省)区, 矿化度小于3 g/L的地下水天然资源为101.02亿m3/a, 其中保定、唐山和石家庄地区较丰富, 地下水资源模数介于16.98～21.78万m3/(a·km2);河北的沧州、衡水和廊坊地区地下水资源模数较小,介于6.72～10.63万m3/(a·km2)。在河南(省)主产区的海河流域, 地下水天然资源量(矿化度小于3 g/L)为35.87亿m3/a, 资源模数20.53万m3/(a·km2); 在河南主产(省)区的淮河流域, 地下水天然资源量为107.37亿m3/a, 资源模数11.16万m3/(a·km2)。在山东主产(省)区的海河流域, 地下水天然资源量(矿化度小于3g/L)为38.31亿m3/a, 资源模数12.03 万m3/(a·km2)。在山东主产区的淮河流域, 地下水天然资源量为78.62亿m3/a, 资源模数16.10 万m3/(a·km2)。在安徽(省)粮食主产(省)区的淮河流域, 地下水天然资源量(矿化度小于3 g/L)为102.01亿m3/a, 资源模数12.88万m3/(a·km2)。在江苏主产(省)区的淮河流域, 地下水天然资源量为107.61亿m3/a, 天然资源模数18.40万m3/(a·km2)。

从图3b可见, 在黄淮海平原, 河北和天津地区灌溉农业的地下水保障能力最弱, 大部分区域处于“难以保障”或“无法保障”状态。在河北平原的9个地市级分区中, 3个地区灌溉农业的地下水保障能力处于“无法保障”状态, 2个地区处于“难以保障”状态和4个地区处于“基本保障”状态(图2b), C值都处于安全保障阈值线之下(图2), 表明该地区灌溉农业的地下水保障能力难以或无法可持续利用。

河南平原的海河流域, 部分地区地下水保障能力处于“难以保障”或“无法保障”状态(图2b), 其中安阳、鹤壁和焦作地区的C值都小于–0.50。濮阳和新乡地区的C值介于–0.05～0.0之间, 地下水保障能力处于“基本保障”状态。在河南平原的淮河流域, 郑州、洛阳、南阳和山东泰安、淄博地区, 地下水保障能力也十分脆弱(图3b), 其他地区农业灌溉的地下水保障能力处于“较安全保障”状态(图3b), C值都处于安全保障阈值线之上(图2)。在山东平原区, 无论是海河流域, 还是淮河流域, 大部分地区的地下水保障能力处于“安全保障”状态(图3b), C值都处于安全保障阈值线之上, 这些地区的A值多为小于50%, B值则多为大于80%。只有济南、淄博和泰安地区较差, C值处于安全保障线之下(图2)。

在安徽的淮河以北地区, 农业灌溉用水对地下水有一定的需求, 其中亳州、淮北、宿州、蚌埠、淮南和阜阳地区的地下水保障能力处于“较安全保障”状态, C值都处于安全保障阈值线之上。由于六安、合肥和滁州地区地表水资源丰富, 所以, 这些地区农田灌溉尚未开发利用地下水, 它们的地下水保障能力也不高, B值小于30%, 当地地下水开采资源不具备大规模开发利用潜力。在江苏的淮河流域,农业灌溉用水对地下水依赖程度普遍较低, A值小于1.0%。该区地下水保障能力不强, 尽管C值处于安全保障阈值线之上, 但是B值小于50%(图2, 3b)。

4.2各分区地下水保障能力差异性成因

降水量、地表水可利用量和地下水开采资源量在空间分布上显著差异, 是地下水保障能力明显不同的主要原因。黄淮海平原降水量主要受太平洋季风影响, 从西北至东南, 年均降水量从500 mm至1 000 mm。其中黄河以南地区年降水量介于700～1 000 mm之间, 黄河以北地区年降水量介于480～650 mm之间。河北平原的保定—石家庄—衡水—邢台地区年均降水量<500 mm, 枯水年份的降水量不足400 mm, 且该区主要河流绝大部分常年干涸, 地表水资源十分匮乏。在豫北和鲁北平原区,许多地区引灌黄河等地表水, 农业灌溉用水对地下水依赖程度较低。淮河流域平原区不仅雨水充沛,而且地表水资源比较丰富, 所以, 该区农业灌溉以地表水为主, 尤其江苏、安徽的淮河流域平原区,农业开采量不足当地总用水量的10%。

从地下水保障能力的现状来看, 河北平原衡水、沧州地区的“无法保障”状态, 不仅与当地地下水开采资源贫乏有关, 而且, 还与该区地表水可利用资源量少, 以至灌溉农业对地下水依赖程度过高有关, 这两个地区的A值分别达86.58%和79.52%。石家庄地区“无法保障”的成因与衡水和沧州地区的“无法保障”成因之间存在明显不同, 石家庄地区地下水开采资源丰富, 开采资源模数介于12.56～23.89万m3/(a·km2), 是衡水和沧州地区地下水开采资源模数的3～5倍。石家庄地区“无法保障”状态的主因是当地小麦、蔬菜等耗水型农作物播种强度过大(介于119.1～142.5 hm2/(a·km2)), 加之, 当地的地表水资源匮乏, 所以, 该区农业灌溉用水对地下水依赖程度(A值)达84.55%, 造成地下水严重超采, 以至B值仅为39.02%。而衡水、沧州地区耗水型农作物播种强度仅介于48.4～88.9 hm2/(a·km2),但地下水天然资源贫乏, 地下水开采资源模数不足5.0万m3/(a·km2), 由此, 该区地下水保障能力处于“无法保障”状态。

在河南的海河流域, 各分区地下水保障能力处于“难以保障”或“无法保障”状态, 与当地的地下水开采资源较贫乏相关, 该区B值小于50%。在河南的黄淮河流域, 各分区地下水保障能力处于“安全保障”或“较安全保障”状态, 是因为农业开采量占当地农业用水总量的比率(A值)较小, 而地下水开采资源量所占比率(B值)较大, A值小于70%, B值大于90%。

在山东平原区, 无论是海河流域, 还是淮河流域, 大部分地区地下水保障能力处于“安全保障”状态, 与当地表水资源较丰富有关。只有济南、淄博和泰安地区的地下水保障能力(C值)处于安全保障线之下, 是因为地下水开采资源量占当地农业用水量比率(B值)较小。在安徽和江苏的淮河流域, 地下水保障能力处于“安全保障”状态, 与该区地表水资源丰富相关。

5 结论

(1)农业灌溉是地下水超采的主要因素, 并且表现为地下水位在主灌期呈“厘米”级(大于1.0 cm/d)下降、非灌溉期呈“毫米”级(小于1.0 cm/d)上升的“强降-弱升”规律。

(2)由灌溉农业对地下水依赖程度(A)和地下水对灌溉农业用水保障程度(B)构成的地下水保障能力评价理论方法(简称ABC法), 能够客观阐明大区域的灌溉农业用水对地下水依赖状况、地下水保障能力分布特征及成因。ABC法不仅能反映气候变化、地表水可利用资源和农作物布局结构状况对灌溉农业的地下水保障能力影响, 而且, 还能反映评价区地下水开采资源、非农业用水状况和耗水型农作物播种强度对灌溉农业的地下水保障能力影响, 方便于大规模的区域性应用。

(3)ABC法的应用结果表明, 黄淮海平原西北部灌溉农业的地下水保障能力较弱, 尤其河北平原已处于“难以保障”或“无法保障”状态; 在黄河以南地区灌溉农业的地下水保障能力较强。在黄淮海平原, 自东南至西北, 灌溉农业对地下水依赖程度呈现增高变化特征河北平原的保定—石家庄—邢台—衡水一带灌溉农业对地下水依赖程度最高, 河南平原的北部和中东部地区、山东平原的西北部地区灌溉农业对地下水依赖程度较高。在安徽淮河流域平原区, 灌溉农业对地下水依赖程度较低。江苏的淮河流域平原区灌溉农业对地下水依赖程度是黄淮海平原最低的地区, 地下水开采量占当地总用水量比率不足2.0%, 农业用水量也仅占48.51%。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No. 12120115049701) and National Natural Science Foundation of China (No. 41172214).

参考文献:

陈玺, 陈德华, 王昭. 2007. 我国北方地区开采地下水发展农业的几点意见[J]. 地球学报, 28(3): 309-314.

贾金生, 刘昌明. 2002. 华北平原地下水动态及其对不同农业开采量响应的计算-以河北省栾城县为例[J]. 地理学报, 57(2): 201-209.

姜秋香, 付强, 王子龙. 2011. 三江平原水资源承载力评价及区域差异[J]. 农业工程学报, 27(9): 184-190.

景冰丹, 靳根会, 闵雷雷, 沈彦俊. 2015. 太行山前平原典型灌溉农田深层土壤水分动态[J]. 农业工程学报, 31(19): 128-134.

李山, 罗纨, 贾忠华, 潘延鑫, 武迪. 2014. 灌区地下水控制埋深与利用量对洗盐周期的影响[J]. 水利学报, 45(8): 950-957.

刘中培, 于福荣, 焦建伟. 2012. 农业种植规模与降水量变化对农用地下水开采量影响识别[J]. 地球科学进展, (2): 240-245.

邵景力, 赵宗壮, 崔亚莉, 王荣, 李长青, 杨齐青. 2009. 华北平原地下水流模拟及地下水资源评价[J]. 资源科学, 31(3): 361-367.

石建省, 李国敏, 梁杏, 陈宗宇, 邵景力, 宋献方. 2014. 华北平原地下水演变机制与调控[J]. 地球学报, 35(5): 527-534.

姚治君, 林耀明, 高迎春, 唐青蔚. 2000. 华北平原分区适宜性农业节水技术与潜力[J]. 自然资源学报, 15(3): 259-264.

张光辉, 费宇红, 刘春华, 冯慧敏, 严明疆, 王金哲. 2013b. 华北滹滏平原地下水位下降与灌溉农业关系[J]. 水科学进展, 24(2): 228-234.

张光辉, 费宇红, 刘春华, 严明疆, 王金哲. 2013a. 华北平原灌溉用水强度与地下水承载力适应性状况[J]. 农业工程学报, 29(1): 1-10.

张光辉, 费宇红, 刘克岩, 王金哲. 2006. 华北平原农田区地下水开采量对降水变化响应[J]. 水科学进展, 17(1): 43-48.

张光辉, 费宇红, 田言亮, 王茜, 严明疆. 2015a. 暴雨洪水对地下水超采缓解特征与资源增量[J]. 水利学报, 46(5): 594-601.

张光辉, 费宇红, 王金哲, 严明疆. 2012. 华北灌溉农业与地下水适应性[M]. 北京: 科学出版社.

张光辉, 刘中培, 费宇红, 连英立, 严明疆, 王金哲. 2010. 华北平原区域水资源特征与作物布局结构适应性研究[J]. 地球学报, 31(1): 17-22.

张光辉, 田言亮, 王电龙, 严明疆, 王金哲. 2015b. 冀中山前农业区地下水位强降弱升特征与机制[J]. 水科学进展, 26(2): 227-232.

张光辉, 杨丽芝, 聂振龙, 申建梅, 王金哲, 严明疆. 2009. 华北平原地下水的功能特征与功能评价[J]. 资源科学, 31(3): 368-374.

中国地质科学院. 2016. 中国地质调查局、中国地质科学院2015年度地质科技十大进展新鲜出炉[J]. 地球学报, 37(1): 1-5.

周万亩, 齐全, 徐敏, 付晓刚. 2007. 地下水超采对农业灌溉影响及对策研究[J]. 地下水, 29(4): 17-19.

References:

CHEN Xi, CHEN De-hua, WANG Zhao. 2007. Some Opinions on the Groundwater Exploitation for Agricultural Production in Northern China[J]. Acta Geoscientica Sinica, 28(3): 309-314(in Chinese with English abstract).

Chinese Academy of Geological Sciences. 2016. Top Ten Geological Sci-tech Progresses of China Geological Survey(CGS) and Chinese Academy of Geological Sciences(CAGS) in the Year 2015 Unveiled[J]. Acta Geoscientica Sinica, 37(1): 1-5(in Chinese with English abstract).

GOTKOWITZ M B, HART D. 2008. Groundwater sustainability in humid climate: groundwater pumping, groundwater consumption and land-use change[R]. Wisconsin: Wisconsin Geological and Natural History Survey.

JIA Jin-sheng, LIU Chang-ming. 2002. Groundwater Dynamic Drift and Response to Different Exploitation in North China Plain: A Case Study of Luancheng County,Hebei Province[J]. Acta Geographica Sinica, 57(2): 201-209(in Chinese with English abstract).

JIANG Qiu-xiang, FU Qiang, WANG Zi-long. 2011. Evaluation and regional differences of water resources carrying capacity in Sanjiang plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 27(9): 184-190(in Chinese with English abstract).

JING Bing-dan, JIN Gen-hui, MIN Lei-lei, SHEN Yan-jun. 2015. Deep soil moisture dynamic of typical irrigation farmland in piedmont of Taihang mountain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 31(19): 128-134(in Chinese with English abstract).

LI Shan, LUO Wan, JIA Zhi-zhong, PAN Yan-xin, WU Di. 2014. Impact of water table depth and shallow groundwater use on salt leaching cycle in irrigated areas[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 45(8): 950-957(in Chinese with English abstract).

LIU Zhong-pei, YU Fu-rong, JIAO Jian-wei. 2012. Impact Identification of Planting Scale and Precipitation Variation on Agricultural Groundwater Exploitation[J]. Advances in Earth Science, (2): 240-245(in Chinese with English abstract).

PEI Hong-wei, SCANLON B R, SHEN Yan-jun, ROBERT C R, LONG Di, LIU Chang-ming. 2015. Impacts of varying agricultural intensification on crop yield and groundwater resources: Comparison of the North China Plain and US High Plains[J]. Environmental Research Letters, 10(4): 044013.

SHAO Jing-li, ZHAO Zong-zhuang, CUI Ya-li, WANG Rong, LI Chang-qing, YANG Qi-qing. 2009. Application of Groundwater Modeling System to the Evaluation of Groundwater Resources in North China Plain[J]. Resources Science, 31(3): 361-367(in Chinese with English abstract).

SHI Jian-sheng, LI Guo-min, LIANG Xing, CHEN Zong-yu, SHAO Jing-li, SONG Xian-fang. 2014. Evolution Mechanism and Control of Groundwater in the North China Plain[J]. Acta Geoscientica Sinica, 35(5): 527-534(in Chinese with English abstract).

YAO Zhi-jun, LIN Yao-mig, GAO Ying-chun, TANG Qing-wei. 2000. The water-saving technologies and potentials for regional suitable agriculture in North China Plain[J]. Journal of Natural Resources, 15(3): 259-264(in Chinese with English abstract).

ZHANG Guang-hui, FEI Yu-hong, LIU Chun-hua, FANG Hui-ming, YAN Ming-jiang, WANG Jin-zhe. 2013b. Relationship between decline of shallow groundwater levels and irrigated agriculture on Hufu Plain of North China[J]. Advances in Water Science, 24(2): 228-234(in Chinese withEnglish abstract).

ZHANG Guang-hui, FEI Yu-hong, LIU Chun-hua, YAN Ming-jiang, WANG Jin-zhe. 2013a. Adaptation between irrigation intensity and groundwater carrying capacity in North China Plain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 29(1): 1-10(in Chinese with English abstract).

ZHANG Guang-hui, FEI Yu-hong, LIU Ke-yan, WANG Jin-zhe. 2006. Regional groundwater pumpage for agriculture responding to precipitation in North China Plain[J]. Advances in Water Science, 17(1): 43-48(in Chinese with English abstract). ZHANG Guang-hui, FEI Yu-hong, TIAN Yan-liang, WANG Qian, YAN Ming-jiang. 2015a. Characteristics of alleviating the over-exploitation and its recharge on the rainstorm flood to the shallow groundwater in the southern plain of Haihe River basin[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 46(5): 594-601(in Chinese with English abstract).

ZHANG Guang-hui, FEI Yu-hong, WANG Jin-zhe, YAN Ming-jiang. 2012. Irrigated agriculture and Adaptability of groundwater in north China[M]. Beijing: Science Press(in Chinese).

ZHANG Guang-hui, LIU Zhong-pei, FEI Yu-hong, LIAN Ying-li, YAN Ming-jiang, WANG Jin-zhe. 2010. The Relationship between the Distribution of Irrigated Crops and the Supply Capability of Regional Water Resources in North China Plain[J]. Acta Geoscientica Sinica, 31(1): 17-22(in Chinese with English abstract).

ZHANG Guang-hui, TIAN Yan-liang, WANG Dian-long, YAN Ming-jiang, WANG Jin-zhe. 2015b. Sharp decline and sluggish rise of shallow groundwater level in the Central Hebei piedmont agricultural region[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 26(2): 227-232(in Chinese with English abstract).

ZHANG Guang-hui, YANG Li-zhi, NIE Zhen-long, SHEN Jian-mei, WANG Jin-zhe, YAN Ming-jiang. 2009. Assessment of Groundwater Function in North China Plain[J]. Resources Science, 31(3): 368-374(in Chinese with English abstract).

ZHOU Wan-mu, QI Quan, XU Min, FU Xiao-gang. 2007. The Impact of Excessive Ground Water Development on Agricultural Irrigation and the Countermeasures[J]. Ground Water, 29(4): 17-19(in Chinese with English abstract).

Groundwater Safeguard Capacity and Dependency Degree of Agricultural Irrigation on Groundwater in the Huang–Huai–Hai Plain

TIAN Yan-liang, ZHANG Guang-hui*, WANG Qian, YAN Ming-jiang, WANG Wei, WANG Jin-zhe Institute of Hydrogeology and Environmental Geology, Chinese Academy of Geological Sciences, Shijiazhuang, Hebei 050061

Key words:groundwater; agriculture; water for agricultural irrigation; safeguard capacity; the Huang–Huai–Hai Plain

Abstract:Groundwater is an important water source for agricultural irrigation in the main grain production region in North China, especially in the Huang–Huai–Hai Plain. The over-exploitation situation of groundwater is closely related to the dependence degree of irrigation agriculture on groundwater and the water support capacity (such as the safeguard capacity) of groundwater in this region. With the Huang–Huai–Hai plain as an example, the authors studied the relationship between the agricultural irrigation water, the precipitation and the crops planting intensity, the dependence degree of the agricultural irrigation on groundwater and the influence characteristics of the over-exploitation situation of groundwater and, on such a basis, proposed the corresponding concepts and methods for evaluation. The results of the application of the evaluation methodology are as follows:

中图分类号:P641.76; P641.8

文献标志码:A

doi:10.3975/cagsb.2016.03.01

收稿日期:2016-03-04; 改回日期: 2016-03-31。责任编辑: 闫立娟。

第一作者简介:田言亮, 男, 1985年生。助理研究员。主要从事地下水循环演化方面的研究。E-mail: yanliang209@163.com。

*通讯作者:张光辉, 男, 1959年生。研究员, 博士生导师。长期从事区域水循环演化和地下水可持续利用研究。E-mail: Huanjing@heinfo.net。