降水和开采变化对滹滏农业区地下水流场影响特征与机制

王电龙，冯慧敏，田言亮，张光辉

降水和开采变化对滹滏农业区地下水流场影响特征与机制

王电龙1，冯慧敏2，田言亮3，张光辉3

（1.山西省水利建设开发中心，山西太原030002；2.山西农业大学城乡建设学院，山西太谷030801；3.中国地质科学院水文地质环境地质研究所，河北石家庄050800）

准确认识地下水流场演变机制是开展地下水系统涵养修复的前提和基础。以滹滏农业区为典型区，基于该区逐月地下水动态观测和降水资料，采用区域地下水动态模型及时间序列趋势分析等方法，开展了降水和开采变化对农业区地下水流场影响特征与机制研究。结果表明：降水变化是驱动地下水位变幅的重要因素，在枯水年份地下水位下降阈值介于0.5～4.0 m，在平水年份下降阈值介于0～2.0 m，在丰水年份地下水位大幅上升；地下水位与开采量关系不明显，但与区域累计超采量有显著的相关关系，地下水累计超采量每增加1.0亿m3正定农业区地下水位下降6.4 m、藁城农业区下降7.3 m。随降水量的增大，农业区开采强度呈幂函数减少趋势，地下水补给量呈幂函数增长趋势。农业开采减少趋势线和地下水补给增加趋势线的交会点为地下水系统平衡点，在平衡点左侧的年份地下水系统处于负均衡状态，离平衡点越远地下水位下降幅度越大；在平衡点右侧的年份地下水系统处于正均衡状态，离平衡点越远地下水位上升幅度越大。研究成果可为区域地下水开发利用提供理论指导。

降水；开采；农业区；地下水流场；机制

在干旱和半干旱农业区，地下水是最重要的灌溉水源，由于长时间的持续大幅超采，地下水水位下降剧烈，地下水系统循环特征发生异变[1-3]，地下水流场纵向径流不断减缓，垂向水分通量交换不断增强，形成地下水位降落漏斗，影响区域供水安全。降水和开采变化均为影响地下水流场发生异变的重要原因[4-6]，降水变化通过地下水开采强度和地下水的补给强度对地下水位变化产生影响[7-10]。降水量增大，农业开采量增大；同时，补给量增大地下水位上升，反之地下水位下降，尤其是在连年枯水或连年丰水时段，井灌区地下水流场衰变与恢复效应十分明显，是一个重要研究课题。深入开展降水变化驱动下农业区地下水流场异变机制研究，对提出有针对性的地下水涵养对策、缓解地下水超采趋势意义重大。

滹滏平原是我国小麦主产高产区，也是华北平原浅层地下水超采最为严重的地区，农业开采量占全区地下水开采量的比例达80%以上。气候变化和农业活动对地下水流场变化都有明显影响[11，12]。1972年发生区域性特大干旱以来，该区地下水开采量不断增大，累计超采量已超过180亿m3，地下水位埋深已由20世纪60—70年代的10～15 m下降至目前的25～50 m。以滹滏平原为典型区开展农业区地下水流场演变机制研究对类似地区的同类研究具有借鉴意义。

本项研究基于国家、省级地下水位观测孔及气象站长观数据，在年尺度上辨识了不同降水年份地下水位变化阈值，在月尺度上分析了不同降水年份主灌期及非主灌期地下水位衰变和恢复特征。定量分析了开采变化对地下水位的影响特征。阐明了降水和开采变化对地下水流场的影响机制。为干旱及半干旱区域地下水资源的可持续开发与利用提供理论指导。

1 数据来源与研究方法

1.1 研究区域

滹滏平原是滹沱河和滏河流域的冲洪积平原，属温带大陆干旱、半干旱季风气候区，多年平均年降水量仅有536.9 mm，且分布极不均匀，6—9月降水量占全年的75%以上。区内主要河流为滹沱河，1980年以来，河道常年干涸无水，地表水资源匮乏。滹滏平原是我国小麦、玉米粮食主产区，灌溉农业以地下水为主，占全区总供水量的80%以上，灌溉开采井数达19万眼以上，浅层地下水超采严重，地下水位平均每年下降1.0 m左右，严峻的地下水劣变态势已经造成了石家庄等地区地下水位降落漏斗，并且漏斗范围在不断扩大。农业灌溉驱动地下水开采量不断增大是滹滏平原浅层地下水急剧变化的重要原因[3]。

滹滏平原坐落在滹沱河和滏河冲洪积扇群上，包气带岩性为裸露砂砾石层，区域上第四系含水层组可统一划分为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ4个含水层组，第I含水层和第II含水层具有良好的水力联系，目前第I含水层已被疏干。降水入渗为该区地下水主要补给来源，占总补给量的50%以上[7]。

1.2 数据来源

地下水位数据来源于国家级、省级地下水位长观孔1991—2010年地下水位月观测资料；降水量数据来源于相关县市气象局1961—2010年月降水量观测资料；有效灌溉面积来源于1995—2010年《石家庄统计年鉴》；地下水补给量来源于1995—2010年相关地区地质环境监测报告；地下水开采量来源于本研究所依托项目中国地质调查工作项目“石家庄－西柏坡经济区地质环境调查”（项目编号1212011220023）。地下水水位观测点位置，如图1所示。

图1 研究区域

1.3 研究方法

首先，比较筛选正定、藁城和无极3个近20 a农灌面积变化不大的农业区为典型区开展本项研究；其次，利用3个典型区近50 a降水PⅢ频率曲线，划分降水偏枯年（频率大于50%）、平水年（频率介于25%～50%）、降水偏丰年份（频率小于25%）；再次，根据地下水位和降水量时间序列上的互动变化特征，识别不同降水年份下地下水位变化阈值及衰变－恢复特征；最后，基于区域地下水位动态模型阐明农业区地下水流场演变机制。

2 研究结果

2.1 降水变化对地下水位影响特征

图2为降水变化对正定、藁城和无极农业区地下水位影响特征。可以看出，随着降水量的增大，3个典型区地下水位衰变趋势均明显减缓。在降水偏枯年份，正定农业区地下水位变幅在0.5～2.5 m，连续枯水年份1992—1994和1997—2001年地下水位下降速率分别为1.93和1.78 m/a；藁城农业区地下水位变幅在0.5～2.0 m，连续枯水年份1997—2002年地下水位下降速率为1.42 m/a；无极农业区地下水位变幅在0.5～4.0 m，连续枯水年份1991—1994和1997—2002年地下水位下降速率分别为1.40和2.45 m/a。

平水年份，地下水位下降速率较枯水年份明显减缓。正定农业区地下水位变幅缩小至0～2.0 m，连续平水年2002—2007年地下水位下降速率较连续枯水年1992—1994和1997—2001年分别减小0.84和0.96 m/a；藁城农业区的地下水水位变幅缩小至0～1.0 m，连续平水年2003—2007年地下水位下降速率较连续枯水年1997—2002年减小0.72m/a；无极农业区地下水位变幅缩小至0～1.0 m，连续平水年2003—2007年地下水位下降速率较连续枯水年1991—1994和1997—2002年分别减小0.78和1.83 m/a。在连续丰水年份（1995—1996年），地下水位则呈大幅抬升趋势，正定农业区地下水位抬升幅度超过4.0 m，藁城和无极农业区分别超过2.0和6.0 m。

图2 降水变化对地下水位影响特征

为了进一步厘清地下水位随降水量变化特征，绘制了在月尺度上连续丰－枯水年和连续平水年地下水位变化特征图（如图3所示）。可以看出，在每年3—5月农业区主灌期地下水位在大幅开采影响下剧烈下降，在6—9月非主灌期地下水位在降水入渗补给的作用下得到涵养修复。在连续丰水年（1995—1996年），主灌期的开采量（1和1'区域面积）小于非主灌期的降水入渗补给量（2和2'区域面积），地下水位涵养回升，其中主灌期水位下降速率为“cm/d”级、非主灌期上升速率仍为“cm/d”级，水位恢复响应时间超过6个月；在连续枯水年，主灌期的开采量（3区域面积）远大于非主灌期的补给量（4区域面积），地下水位衰变下降，主灌期地下水位下降速率为“cm/d”级，非主灌期上升速率极其缓慢且为“um/d”级。

图3 降水月尺度变化对地下水位影响特征

在连续平水年，主灌期开采量仍大于非主灌期的补给量，地下水位呈下降趋势，主灌期地下水位下降速率为“cm/d”级，非主灌期上升速率为“mm/d”级，水位恢复响应时间多小于6个月，与张光辉[13]等人的研究结果相同。

2.2 开采变化对地下水位影响特征

通过相关分析发现，地下水位与农业开采量没有明显的相关关系，而与农业区的累计超采量关系明显。以1995—2010年期间单位面积累计超采量为横坐标、地下水位累计下降值为纵坐标建立相关关系图（如图4所示），可以看出，超采量每增加1.0亿m3正定农业区地下水位累计下降6.4 m、藁城农业区地下水位累计下降7.26 m。

图4 超采量与地下水位相关关系

3 机制与讨论

本研究基于区域地下水位动态模型来分析研究区地下水位变化机制，公式如下：

式中：ΔH为地下水位变动幅度（m）；μ为地下水位变幅带给水度；F为研究区面积（km2）；Qre为地下水总补给量（m3）；∑Qdi为地下水总排泄量（m3）。

由式（1）看出，当∑Qre大于∑Qdi时，ΔH为正值，地下水水位上升；反之，当∑Qre小于∑Qdi时，ΔH为负值，地下水水位下降。对滹滏农业区来说，地下水总排泄量主要为农业开采量，地下水总补给量主要包括降水入渗补给量(Qpre)、井灌回归入渗补给量(Qwre)、渠灌田间渗漏补给量(Qfre)、河道渗漏补给量(Qrre)等。由此，绘制了农业开采量和补给量随降水量变化，如图5所示。

图51995 年以来地下水补给量、农业开采量与降水量之间关系

由图5可以看出，随着降水量的增大，农业开采量呈减小趋势，地下水补给量则呈增大趋势，当降水量增大到一定程度时，农业开采量下降趋势线与地下水补给量上升趋势线交会（∑Qre等于∑Qdi），即地下水系统达到均衡状态，△H等于0；当降水量大于降水均衡点，地下水补给量大幅增加，农业开采量大幅减少，地下水补给趋势线位于开采下降趋势线之上，地下水系统得以涵养修复，降水量越大，两者之间距离越大，地下水净补给量越大，ΔH上升幅度越大；反之，当降水量小于降水均衡点，地下水补给量减少，农业开采量增大，地下水补给趋势线位于开采下降趋势线之下，地下水系统处于负均衡状态，降水量越小，两者之间差距越大，地下水净消耗量越大，ΔH的下降幅度越大。也就是说，不论开采量多少，如果落在降水均衡点左侧区域内，地下水位均呈下降趋势；如果落在降水均衡点右侧区域内，地下水位呈上升趋势。

以正定农业区和藁城农业区为例：正定农业区降水平衡点（A）为690 mm，在平衡点右侧，1995年降水量711 mm，1996年降水量782 mm，地下水位分别上升0.64和4.76 m；在平衡点左侧，极枯年2001年降水量311mm、比平衡点处少379mm、地下水位下降幅度达1.86 m，平水年2007年降水量539 mm、比平衡点处少151mm、地下水位下降幅度减少0.87m。藁城农业区的降水平衡点（B）为680 mm，在平衡点右侧，丰水年1996年降水量比平衡点处多150 mm、地下水位上升2.04 m，2008年降水量比平衡点处多77 mm、地下水位上升0.51 m；在平衡点左侧，极枯年2001年降水量为330 mm、地下水位下降1.23 m，平水年2007年降水量562 mm、地下水位下降幅度缩小至0.99 m。

4 结论

以上研究表明：①降水变化是驱动地下水位变化的重要因素，在枯水年，地下水位下降阈值介于0.5～4.0 m，主灌期地下水位以“cm/d”级速率剧烈下降，非主灌期地下水位以“um/d”速率缓慢回升；平水年，下降阈值为0～2.0 m，主灌期地下水位以“cm/d”级下降，非主灌期地下水位以“mm/d”级回升，响应时间多小于6个月；丰水年，地下水位大幅上升，主灌期地下水位以“cm/d”级下降，非主灌期地下水位以“cm/d”回升，响应时间大于6个月。②地下水位与开采量关系不明显，但与累计超采量有显著的相关关系，地下水累计超采量每增加1.0亿m3正定农业区地下水位下降6.4 m、藁城农业区下降7.3 m。③随降水量的增大，农业区开采强度呈幂函数减少趋势，地下水补给量呈幂函数增长趋势，开采减少趋势线和地下水补给趋势线的交会点为地下水系统均衡点，在均衡点左侧年份，地下水系统处于负均衡状态，地下水位均呈下降趋势，且距离均衡点越远下降趋势越明显；在平衡点右侧的年份，地下水系统则处于正均衡状态，地下水位呈上升趋势，且距离均衡点越远上升趋势越明显。

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Characteristics and Mechanism of Precipitation and Groundwater Exploitation Influence on Groundwater Flow Filed in Agricultural Field Hufu

WANG Dian-long1，FENG Hui-min2，TIAN Yan-liang3，ZHANG Guang-hui3
（1.Shanxi Water Conservancy Construction&Development Center，Taiyuan 030002，China；2.Forestry College，Shanxi Agricultural University，Taigu 030801，China；3.Institute of Hydrogeology and Environmental Geology，CAGS，Shijiazhuang 050061，China）

Accurate understanding the groundwater flow field evolution mechanism is the precondition and foundation for the development of groundwater system conservation and restoration.Hufu agricultural area as a typical area，based on the monthly dynamic observation data of groundwater and precipitation，the research of characteristics and mechanism of precipitation and groundwater exploitation influence on groundwater flow filed is carried out with the methods of regional groundwater dynamic model and time series trend analysis.The results showed that：the precipitation change is an important factor driving the ground water level，in dry years groundwater level decline between the threshold from 0.5 to 4.0 m，in normal flow year the threshold is in between 0～2.0 m，in wet year a rise of groundwater level；the relationship between groundwater level and amount of groundwater exploitation is not obvious，there is a significant correlation between the accumulated groundwater overexploitation，an increase of 100 million m3of accumulated groundwater overexploitation，the groundwater level will decrease 6.4 m in Zhengding agricultural area，and Gaocheng agricultural area decreased by 7.3 m.With the increase of precipitation，the exploitation intensity decrease by exponentially trend，groundwater recharge is increasing power function，the intersection of agricultural exploitation trend line and groundwater sup-ply increase trend line is the equilibrium point of the groundwater system，on the left side of the point，the groundwater system is in negative balance.With the distance from the equilibrium point bigger，the groundwater level decline rate increase. On the right side of the equilibrium point，the groundwater system in a state of positive equilibrium，with the distance from the equilibrium point bigger，the groundwater level incline rate increase.This study can be served as guidance to regional groundwater development and utilization.

precipitation；exploitation；agricultural area；groundwater flow field；mechanism

P641.4；TV213.4

A

1004-7328（2017）02-0020-06

10.3969/j.issn.1004-7328.2017.02.008

2017—01—16

国家自然科学基金资助项目（41172214）；山西农业大学科技创新基金资助项目（201306,2015ZZ04）；中国地质调查工作项目(1212011220023)

王电龙（1981—），男，博士，主要从事农田水利与水资源合理利用研究工作。