喀什噶尔灌区动态地下水位与灌溉农业关系研究

蒋海英，黄劲柏

（新疆喀什噶尔河流域管理局，新疆 喀什844000）

近年来，我国西北干旱半干旱地区灌区地下水超采、地下水位下降以及水资源短缺问题日益突出，灌区是水资源系统与作物系统构成的耦合、复杂的水文生态系统，地下水资源超采和过度开发利用将对水文生态系统产生极其不利影响。随着喀什噶尔灌区作物种植结构改变，农业灌溉与地下水资源不合理的开采利用，导致地下水位严重下降，已严重影响到灌区水资源良性循环、灌区生产生活正常供水及社会经济发展，节水与养水才是灌区农业与经济可持续发展的必经之路。

现有的研究成果大多从灌区地表及地下水资源的利用量出发进行研究，对农业种植结构影响地下水资源的分析很少，尤其对灌溉农业对地下水的长期影响研究成果更少[1]。针对当前喀什噶尔灌区作物种植和地下水利用的实际情况，借助长系列资料研究作物种植结构对地下水位的动态影响机制，对于深入总结农业用水规律并促进灌区水资源合理利用和可持续发展意义重大。

1 灌区概况

喀什噶尔灌区为全国第七大灌区，属于新疆喀什噶尔河流域，位于新疆维吾尔自治区西南部，塔里木盆地西缘。灌区主要水源地为克孜河、盖孜河、库山河、依格孜牙河、恰克马克河五大河流，总径流量45.92亿m3。灌区行政区域包括喀什地区的喀什市、疏附县、疏勒县、岳普湖县、英吉沙县、伽师县，克孜勒苏柯尔克孜自治州的阿图什市、阿克陶县、乌恰县，以及新疆建设兵团第三师的41团、42团、伽师总场、东风农场、红旗农场、托云农场等共9个县（市）、6个团（场）。喀什噶尔河流域面积8.18万km2，2016年流域总人口280.5万人。灌区总土地面积2305.8万亩，灌溉面积441.38万亩，灌区水资源总量48.47亿m3，农业生产以粮食为主，其次为棉花、蔬菜、林果业、其它经济作物等。

喀什噶尔灌区为传统的农业绿洲灌区，以农业用水为主，长期的大水漫灌导致地下水位上升，出现大面积此生盐渍化，地下水埋深不足3 m的区域占灌区面积之比不断上升（见图1）。灌区从上世纪六十年代中期开始发展打井，井渠双灌，以进行此生盐渍化治理，七十年代后，灌区地下水埋深不足3 m的区域占灌区面积之比降低到20%以内，其中地下水埋深不足2 m的区域占灌区面积的比例仅为2%左右。上世纪八十年代后期，灌区地下水埋深不足3 m的区域占比重新扩大，若干年份甚至高达50%，之后占比逐渐下降。

图1 地下水埋深不足3 m的区域占灌区面积比例

喀什噶尔灌区地下水平均埋深变化特征见图2。上世纪八十年代中期以前，灌区地下水平均埋深为4 m左右，之后地下水埋深逐渐增大，九十年代初为7 m，九十年代中期为11 m，2012年以来甚至达到15 m，比上世纪八十年代中期下降了11 m左右。1985年～1995年间是喀什噶尔灌区地下水埋深下降最为剧烈的时期，每年平均下降0.8 m。

图2 喀什噶尔灌区地下水平均埋深变化特征

2 作物种植结构变化特征

喀什噶尔灌区地下水位下降引起灌区渠灌面积和作物种植结构变化。喀什噶尔灌区渠灌面积的变化分为三个阶段：1950年～1960年为第一阶段，灌区平均灌溉面积约5万hm2；1961年～1980年为第二阶段，灌区平均灌溉面积约10万hm2；1981年～2000年为第三阶段，灌区灌溉面积约7.84 hm2。

与灌区地下水位下降所引起灌区渠灌面积变化阶段相对应，作物种植结构也呈现出阶段性特征（见图3）：上世纪五十年代初棉花种植面积与粮食种植面积相同，各占总种植面积的50%；八十年代后，棉花种植面积开始减小，粮食和蔬菜种植面积开始增加，灌区种植结构发生明显变化；近年来，作物种植类型主要包括粮食和蔬菜，且以粮食为主。

灌区棉花种植面积在上世纪七十年代初期有所增加，并达到最大，而后逐年减少，2001年之后，棉花种植面积不足灌区面积的5%，此后不再统计。粮食作物在灌区农业种植结构中始终占绝对比重，上世纪六十年代中期和九十年代初都呈明显增加趋势。蔬菜种植于上世纪八十年代初才开始发展起来，2000年后代替了棉花成为灌区主要的经济作物，并且种植面积呈持续扩大趋势。

图3 喀什噶尔灌区作物种植结构特征

3 地下水位动态与作物种植的关系

喀什噶尔灌区作物种植结构调整后，农业灌溉用水水质和水量方面需求也发生了变化。上世纪八十年代以前，粮食和棉花是灌区的主要作物，灌溉主要采用地表水，作物种植面积增加引起地表水灌溉量持续增大。上世纪八十年代作物种植结构调整后，棉花种植面积不断减小，粮食和蔬菜种植面积增大，更多利用地下水灌溉。通过上世纪八十年代之前作物种植面积与灌溉面积关系曲线（见图4）可以看出，随作物种植面积增加，灌溉面积增大，两者呈正向变动关系，函数关系具体表示为：

式中：Fc为作物种植面积（万 hm2）；Fi为实际灌溉面积（万 hm2）。

图4 上世纪八十年代之前作物种植面积与灌溉面积关系曲线

由图4可知，上世纪八十年代前作物种植面积每增加1万hm2，实际渠灌面积将增加约0.8万hm2。

作物种植面积增加导致作物蒸发蒸腾量增大，由于渠灌主要消耗地表水资源，所以灌区地下水补给量增加，也就是说作物种植面积增加，蒸发、蒸腾量增大，但地下水位仍能保持基本稳定状态。上世纪八十年代灌区调整种植结构，棉花种植面积急剧减小，蔬菜种植面积快速增加，由于灌区蔬菜种植采用地下水灌溉，进而导致地下水开采力度增大。蔬菜种植面积与地下水埋深的函数关系如下：

式中：d为地下水平均埋深（m）；Fv为蔬菜种植面积（万hm2）。

随着蔬菜种植面积增大，地下水埋深也增加，通过计算可知，蔬菜种植面积每增大1万hm2，地下水埋深将增大3.5 m。

4 结果分析

喀什噶尔灌区地下水排泄量大于补给量造成地下水位不断下降，灌区地下水主要依靠降水和河道水渗漏、渠系水与田间灌溉补给，而主要通过农业灌溉开采和蒸发排泄。从喀什噶尔灌区年降水量曲线（见图5）可知，灌区降水呈不显著的下降趋势，所以降水对灌区近年来地下水位急剧下降并无太大影响。从灌区渠灌面积曲线变动可知，近年来，灌区渠灌面积始终位于较低水平，实际灌溉面积不足5万hm2，地表水灌溉利用量及其对灌区地下水的补给严重不足。

从灌区蒸发量曲线（见图6）可知，上世纪八十年代中期至九十年代末，灌区年蒸发量呈显著增加趋势，平均每年增加35 mm左右，蒸发量的变动趋势与地下水埋深下降趋势基本一致，蒸发量增加导致灌区地下水埋深平均下降8.42 m。

图5 喀什噶尔灌区年降水量曲线

图6 喀什噶尔灌区蒸发量曲线

灌区地下水开采量急剧增加导致井渠灌溉比例严重失调也是导致喀什噶尔灌区地下水位急剧下降的原因，但深层次原因是灌区作物种植结构的调整，上世纪八十年代中后期灌区蔬菜种植面积的增加直接导致地下水开采量增大，地下水位降低，进而导致作物蒸发蒸腾量以及地下水的无效消耗增加，灌区地下水便处于“入不敷出”的失衡状态[2]。除农业灌溉之外，随着灌区经济建设速度的加快，工业、服务业等行业用水量不断增加，按照万元GDP消耗水量100 t估算，灌区2016年、2017年年消耗水量8亿m3，远远超出地下水资源的承载能力[3]。

5 结论

喀什噶尔灌区地理位置较为优越，农业生产发达，经济发展快速，但是灌区面临地下水资源严重超采问题，地下水位急剧下降，尤其是上世纪八十年代种植结构调整以来地下水位下降态势更为剧烈。地下水超采为地下水位下降的主要原因，但并非根本原因，就喀什噶尔灌区而言，导致地下水位急剧下降的根本原因在于作物种植结构变化。上世纪八十年代灌区作物种植结构调整后，蔬菜种植面积增大，用于蔬菜灌溉的地下水开采量随之增加。针对喀什噶尔灌区地下水为急剧下降的情况，必须尽快调整和优化作物种植结构，增加节水作物种植，减少地下水资源无谓消耗，促进地下水资源良性循环。同时，修建灌区续建配套与节水改造工程，有效提高引水保证率和用水效率，为灌区农业发展创造良好的灌溉条件，保障灌区经济发展所需，提高灌区人民群众生活水平，为灌区的社会稳定和长治久安奠定坚实基础。