华北井灌区地下水水位变化现状及应对措施建议

刘海若，白美健，刘群昌，刘洪玲

（1.中国水利水电科学研究院，100048，北京；2.山东省滨州市簸箕李引黄灌溉管理局，251700，滨州）

华北井灌区地下水水位变化现状及应对措施建议

刘海若1，白美健1，刘群昌1，刘洪玲2

（1.中国水利水电科学研究院，100048，北京；2.山东省滨州市簸箕李引黄灌溉管理局，251700，滨州）

地下水是华北井灌区的重要水源。围绕华北井灌区地下水水位变化特征，国内学者开展了大量研究工作。在查阅相关研究成果的基础上，归纳分析了华北井灌区地下水水位时空变化规律及降水、农田灌溉对其产生的影响。针对华北井灌区地下水利用现状中存在的问题，提出了遏制地下水水位持续下降的对策和建议，包括充分利用汛期降雨回补地下水、合理确定作物种植强度和种植结构、因地制宜选择节水灌溉模式、建立地下水自动监测网络系统，为最严格水资源管理制度的实施提供技术支撑。

华北井灌区；地下水水位变化；时空分布；应对措施

华北井灌区是我国重要的粮食和蔬菜生产基地，农业灌溉以地下水为主，水资源极度短缺。现有灌溉机电井374.3万眼，井灌面积1.6亿亩（1亩=1/15 hm2，下同），占全国井灌面积的58.6%。由于地下水长期无序开发，华北地区已成为世界上最大的地下水漏斗区。地下水水位持续下降，引发了地面沉降裂缝、咸水界面下移入侵深层淡水、机井报废加快、生态退化和地下水污染等一系列环境和地质问题，严重威胁着华北以及全国的粮食安全。如何在保障地下水水位不再下降并逐渐修复的基础上稳定粮食产量，是当前水利行业科技发展面临的一大难题。为此，基于以往实测数据和研究结果，在归纳分析华北井灌区地下水水位时空变化现状的基础上，结合当前该地区社会、经济发展现状和农田土地经营模式及农业种植结构等变化状况，提出遏制地下水水位下降的相应措施。

一、地下水水位时空变化特征分析

根据地貌特征，华北平原可分为山前冲积倾斜平原（冲洪积扇、洪积扇及内部阶地等）、中部冲积平原（冲积平原）和东部冲积滨海平原（冲积平原、海积平原）。由于滨海平原多为咸水分布，地下水利用率低，工农业取用地下水多集中在山前平原和中部平原。故选取山前平原的北京市、河北省石家庄市，及中部平原的山东省德州市的地下水历史数据来分析其地下水水位时空变化特征。

1.年际变化

如图1（a）所示，1981—2010年，北京市地下水埋深由8m增加到25.33m，总体呈增加趋势。1999年之前地下水埋深变化相对平缓，呈缓慢波动增加趋势，变化范围在8～15m，增加值为6.4m。1999年后，北京市地下水埋深急剧增大，由14.4m增加到25.33m，平均每年增加0.91m，增幅为10.93 m。主要因为1999年前北京地区工农业和城市用水呈缓慢增加趋势，年际降雨量波动对地下水埋深产生较大影响，而1999年后由于城市迅速发展，设施农业不断增加，使得城市与农业用水急剧增加，同时降水量大幅度减少，进入连续干旱期，取增补减的状况使得地下水埋深急剧加大，年际降雨变化已不足以引起地下水水位波动，无节制的开采是导致地下水水位急剧下降的主因。

图1（b）表明，石家庄市地下水埋深从1980年的10.1m，增加到2010年的32.87m，增幅达到22.77m。30年间增加趋势存在波动，其中1986— 1990年和1995—2000年，变化最为平缓，而1990—1995年和2000—2006年增加趋势最为明显，在这两个时段埋深平均每年下降1.76m。与北京相比，石家庄地区农业灌溉为地表水与地下水联合利用方式，30年间尽管城市和工农业用水急剧增加，地下水开采量随之增大，但因地表水灌溉对地下水有一定的补给作用，且补给量受丰枯年份和水库供水量影响显著，所以地下水水位变化趋势会存在波动。相比而言，石家庄地下水水位总的下降幅度远大于北京，这与较高的作物种植强度密切相关。

图1　城市地下水埋深年际变化

图1（c）表明，德州市1980—2010年间地下水埋深在3～5.5m之间浮动，整体处于增加趋势；1980—1996年间埋深变化相对平缓，波动范围为3～4m，由于受到降水和灌溉的补给，埋深出现年间浮动；1997—2007年间埋深增大较快，由1997年的3m增加到2007年的5.3m，平均每年增加0.23m，其主要原因是进入21世纪后，社会经济迅速发展，工农业用水量急剧增加，地下水开采量不断增大，降水和灌溉补给远小于开采量。

从以上3个城市地下水埋深变化来看，近30年间地下水埋深都呈增加趋势，且进入21世纪后，增加趋势更为明显。其中位于山前平原的北京和石家庄由于受人类活动影响明显，降水对地下水的补给没有显著影响，但山前的侧向补给，会使个别地区地下水埋深出现小幅波动。21世纪以后，随着城市发展、人口增加，灌溉用水量增大，地下水开采量急剧增加，整个山前平原地下水埋深处于增加状态，甚至在北京、石家庄等地出现了地面沉降、地下水漏斗等灾害。中部平原德州市受降水和灌溉的补给明显，地下水年际波动不大，但2000年以后，为满足农业生产需求，地下水开采量也随之增大，地下水水位出现了明显下降。

图2　城市地下水埋深年内变化

2.年内变化

已有研究结果表明（见图2），华北平原地下水水位年内呈季节性变化，春季地下水埋深开始增大，最大埋深出现在春夏之交，夏季地下水埋深开始回升，最小埋深出现在夏秋之交，冬季地下水埋深开始增大。其中北京年内平均变幅为3.5m，呈明显的单峰分布，5、6月份最大，1、2月份和11月份最小；石家庄年内平均变幅2.2m，1、2月份最小，灌溉季节开始后急剧增加，6、7月份最大，随后缓慢降低；德州年内平均变幅为0.42m，1、2、3月份最小，随后急剧增加，5、6月份最大，之后缓慢降低。出现上述规律的主要原因为华北地区受季风气候影响，地下水水位变化受降水和灌溉周期影响较大，春季和冬季要进行农业灌溉，地下水开采量较大，地下水埋深增大，而夏季降水较多，地下水得以补给，地下水埋深开始回升；山前平原由于地下水开采引起的地下水埋深较大，包气带增厚，降水和灌溉对地下水的补给出现滞后作用，补给周期延长，因此地下水波动幅度较大；中部平原由砂石组成，孔隙大，渗透、径流、排泄条件好，降水和灌溉补给作用明显，地下水波动较小。

3.空间变化

已有研究表明（见图3），山前平原地下水开采深度范围较大，20世纪60年代到21世纪，最浅开采深度从1 m增大到4m，最大开采深度从10m增大到40m，整个山前平原地下水水位处于下降状态，主要因为山前平原为城镇集中区，工农业发达，地下水开采量大，降水对地下水的补给影响已非常有限，人类活动成为地下水水位变化的主要因素；中部平原地下水埋深从20世纪60年代到21世纪变化不大，最浅开采深度从0m增大到2m，最大开采深度从5m增大到15 m，其开采主要用于农业灌溉，尽管降水和灌溉有一定的补给效应，但由于开采量大于补给量，地下水埋深整体还是处于增大趋势，但幅度小于山前平原；滨海平原地下水埋深从20世纪60年代到21世纪几乎没变化，20世纪60年代的开采深度范围为1～5m，21世纪的埋深范围为0～2m，主要原因为滨海平原多为咸水分布，地下水利用程度低，基本无开采，主要受自然因素的控制，地下水水位变化无明显规律。

二、降水及农业灌溉对地下水水位变化影响分析

地下水水位变化的主要影响因素可分为气候和人类活动，其中气候因素中主要是降水，人类活动主要是地下水开采，农业用水在地下水开采量中占较大比例，农业灌溉用水量受作物种植结构、种植面积、节水灌溉方式和灌溉管理水平等影响明显。

1.降水

华北平原地表水资源短缺，降水作为地下水的主要补给源，通过两方面影响地下水水位的变化，一方面是作为补给源，直接影响地下水水位变化；另一方面则是人类活动影响地下水水位变化，即枯水年时，农业用水开采量大，地下水水位下降较大；丰水年时，农业用水开采量小，地下水水位下降幅度小。已有研究发现，当年降水量每增加100mm时，华北平原农田地下水年开采量减少19.1～19.2mm（11.6亿～11.7亿m3），能够大大缓解地下水水位的下降。

2.农业灌溉

井灌区典型县的研究结果表明，农业用水量变化对地下水水位变化影响最为显著。河北栾城县地下水对不同开采量的响应分析表明：在现状农业开采量1.01亿m3基础上分别减少14%、29%和增加29%的情况下，地下水水位分别上升0.33m、0.64m和下降0.45m。河北晋州—藁城—栾城农业区用水量对地下水水位变化影响研究表明，农业用水量是引起地下水水位持续下降的最大诱因，该地区农业用水减少118.75mm时，地下水水位下降趋势才可得到缓解。因此减少农业用水量是遏制地下水水位持续下降的有效措施。

图3　华北不同地区地下水埋深变化

三、遏制地下水水位持续下降的应对措施与建议

作为粮食主产区和地下水严重超采区，华北地区水资源短缺所引发的一系列社会和生态问题已危及地下水资源的可持续利用和农业可持续发展。基于华北井灌区地下水水位时空变化规律及主要影响因素，结合国务院发布的《关于实行最严格水资源管理制度的意见》和对该地区节水压采的要求，以华北井灌区“节水、稳产、压采”为目标，提出以下应对措施：

1.充分利用汛期降雨入渗回补地下水

华北地区冬小麦全生育期内需水约500mm，主要集中在3、4、5月份，而降雨主要集中在7—9月份，故可在汛期采取适宜的地面入渗回补措施拦蓄当地降雨，如利用河床、人工沟渠、天然洼地、农田等进行回补，可有效提升地下水水位。

2.根据水资源承载能力合理确定作物种植强度和种植结构

随着人口的增长，为满足粮食生产需求和饮食结构变化需要，华北平原近些年来作物种植强度（单位耕地面积上农作物播种面积数量）不断增加，其中滹滏平原从20世纪50年代到21世纪粮食种植强度增加20.73%，蔬菜种植强度增加105.99%，蔬菜播种面积在20世纪90年代后急剧增加，张西峰等研究发现，当粮食作物转型为经济作物时，耗水量增加2倍以上。播种强度和蔬菜播种面积占比的增加，使得农业用水开采量随之增加，地下水水位下降幅度随之增大。因此，作物种植结构的调整需要考虑当地水资源的承载能力。

3.因地制宜选择节水灌溉模式

高效节水灌溉技术的实施大大降低了单位面积或者每千克粮食生产的用水量，提高了水分利用效率。基于河北省平原粮食产量及耗水量研究发现，1977年以前每多生产1 000 t小麦和玉米，实际需多开采地下水0.14亿m3，而实施节水灌溉技术之后，每增产1000 t小麦和玉米，只需多开采地下水0.04亿m3，大大缓解了地下水水位的下降。

在地下水深层超采区，田间节水优先采用喷灌，地块分散时采用高标准低压管道输水灌溉技术（合理的管道输水工程＋完善的田间配水工程+改进的地面灌溉技术+精准的控制管理技术）；设施农业和经济作物采用微灌；对主要作物采用非充分灌溉技术。在地下水浅层超采区，田间节水以采用高标准低压管道输水灌溉技术为主；对于规模化经营、设施农业、经济作物推荐采用喷灌和微灌技术。整个地区推荐采用管理节水和农艺节水措施。

4.建立全面的地下水自动监测网络系统

计量是严控的基础和依据，只有加强取水、用水和排水的监测，尤其是对超采区的监测，充分掌握地下水实际使用情况，才能更好地落实最严格水资源管理制度和华北地区节水压采方案。

四、结语

探究华北井灌区地下水水位时空变化特征，分析地下水水位影响因素，对实现地下水精细化管理，严格地下水保护具有重要意义。为有效遏制地下水水位持续下降，应充分掌握华北井灌区地下水水位年内、年际变化和空间分布特征，充分考虑降水、农业灌溉等对地下水水位的影响；充分利用汛期集雨，根据区域水源承载力调整作物种植结构，因地制宜选择合适的节水灌溉方式，加强地下水水位监测；严格执行开采总量和地下水水位双项把控，严守地下水水位红线，制定合理的地下水禁采、限采方案，完善地下水管理制度，为落实最严格水资源管理制度奠定基础。■

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责任编辑张金慧

Current situation and countermeasures of groundwater level alteration in well-irrigated districts in North China

//Liu Hairuo，BaiMeijian，Liu Qunchang，Liu Hongling

Groundwater is themain water source for well-irrigated districts in North China.Scholars have conducted a lot of research on characteristics of groundwater level alteration.Referring to relevant study results，summary and analysis are made on laws of spatial-temporal variation of groundwater level as well as impact of precipitation and farmland irrigation on its change.The existing problems on groundwater utilization are also discussed.Countermeasures and suggestions are proposed so as to slow down continuous decline of groundwater level，optimize crop planting intensity and pattern，apply proper irrigation mode for water saving，build automatic monitoring network system and provide technical support for the implementation of stringentwater resourcesmanagement system.

well-irrigated districts in North China；groundwater level alternation；spatial and temporal distribution；countermeasures

S27+TV213.6

B

1000-1123（2016）09-0025-04

2016-02-01

刘海若，在读硕士研究生，主要从事农业用水管理研究。基金项目：国家自然科学基金项目（51509269）。