卫宁灌区地下水埋深对农业节水的响应分析

刘宽 翟家齐 赵勇 董义阳 李海红

摘 要：为揭示卫宁灌区地下水埋深对农业节水灌溉的响应规律，根据灌区2002—2017年地下水埋深、灌溉水量和种植结构资料，采用线性倾向估计法、累计距平法和灰色关联度法进行研究。结果表明：近年来受农业节水的影响，卫宁灌区地下水埋深呈增大趋势，2012年开始地下水埋深增大速率变大;受季节和农业灌溉的影响，地下水埋深年内呈周期性变化，分布呈W形，年内5—10月地下水埋深增幅最大，原因是该时期灌溉水量减少最大;空间上，地下水埋深呈由西向東逐渐增大的分布格局，灌区西部及东南部地下水埋深变化速率较大;卫宁灌区种植结构的调整、灌溉效率的提升以及灌溉水量的减少是地下水埋深增大的主要原因，灌区灌溉水量减少对灌区地下水埋深影响最大，其次是灌溉效率的提升，种植结构的调整对地下水埋深的影响相对较小。

关键词：地下水埋深;农业节水;响应程度;卫宁灌区

中图分类号：TV213.9;P641.8 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.07.016

引用格式：刘宽，翟家齐，赵勇，等.卫宁灌区地下水埋深对农业节水的响应分析[J].人民黄河，2021，43（7）：84-88，119.

Abstract： Based on the groundwater depth， irrigation water volume and planting structure data ofWeining irrigated area from 2002 to 2017， the linear tendency estimation method， cumulative anomaly method and grey correlation method were used to study the characteristics and degree of response of groundwater depth to agricultural water-saving irrigation in the area. The results show that in recent years， under the influence of agricultural water-saving， the groundwater depth in Weining irrigated area presents a trend of annual increase and the rate of increase in groundwater depth has been increased since 2012. Under the influence of seasons and agricultural irrigation， groundwater depth changes periodically during a year and the distribution is in W-shape. The groundwater depth increases mainly from May to October during a year， because the amount of irrigation water volume during this period decreases most significantly. Spatially， the groundwater level shows an increasing distribution pattern from west to east and the groundwater depth change rates in the west and southeast of the irrigated area are relatively larger. The adjustment of planting structure， the improvement of irrigation efficiency and the reduction of irrigation water volume in Weining irrigated area are the main reasons for the increase of groundwater depth. The results of grey correlation show that the reduction of irrigation water volume in irrigated areas has a significant influence to the groundwater depth， followed by the improvement of irrigation efficiency and the adjustment of planting structure has a relatively smaller influence to the groundwater depth.

Key words： groundwater depth; water saving in agriculture; degree of response; Weining irrigation area

地下水在生态环境和农业生产方面起到重要作用[1-3]，是自然植被和作物正常生长的关键因素[4]。近几十年来我国地表水短缺问题严重，随着经济社会发展和人口的增长，水资源供需矛盾日益突出[5-6]，农业节水成为解决水资源短缺的有效途径[7-8]。在我国西北地区，人类活动主要集中在灌溉绿洲区，灌区一般采用渠系灌溉方式，引水渗漏是地下水补给的主要途径[9-10]，但随着农业节水的推广，灌区灌溉水量持续减少，地下水埋深增大成为普遍现象，如石羊河[11]、黑河[12]、塔里木河[13]和河套灌区[14-15]。地下水埋深增大改变了地下水的补给条件和整个灌区的水文循环过程[16-17]，对当地生态环境造成了较大的影响[18]，地下水埋深与农业节水灌溉之间的关系成为研究热点[19-22]。位于宁夏平原的卫宁灌区节水力度不断加大，地下水埋深发生了明显改变，本文对卫宁灌区节水灌溉下地下水埋深的变化特征及对农业节水灌溉各要素的响应程度进行分析，以期揭示卫宁灌区地下水埋深对农业节水灌溉的响应规律，为促进灌区水资源的可持续利用提供参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概况

卫宁灌区是宁夏平原的重要组成部分，位于沙坡头水利枢纽和青铜峡水利枢纽之间，北与腾格里沙漠交接，地质条件以黄河冲积平原及河滩地为主，土地总面积约为1 333 km2。灌区属大陆性气候区，冬季严寒，夏季高温，无霜期短，温差大，多年平均降水量173 mm，水面蒸发量1 477 mm[23]。卫宁灌区为引黄灌区，主要有5大引水干渠和15条排水沟，沟渠纵横，灌溉渠系发达（见图1）。

受地质、地貌以及岩性、构造等自然条件和人类活动的影响，卫宁灌区地下水补排较为通畅。卫宁灌区地下水的主要补给途径是渠道渗漏和田间灌溉入渗[23-26]，年补给水量为2.22亿m3，占总补给量的74.1%;其次为大气降水入渗和地下水侧向径流补给，共计0.77亿m3，占灌区地下水总补给量的25.9%。卫宁灌区含水层岩性以砂砾石为主，包气带岩性松散，地下水排泄方式以排水沟排泄和侧向径流排泄为主，排泄水量共计2.02亿m3，占灌区地下水总排泄量的67.2%;其次为潜水蒸发和人工开采，共计0.99亿m3，占总排泄量的32.8%。

2004年卫宁灌区开始全面推行工程措施、农艺措施和田间管理等节水措施[27]，在灌区大力实施节水灌溉，包括渠系衬砌、小畦灌溉、种植结构调整以及推广高效节灌。灌区渠系衬砌提高了输水能力，减少了渠系渗漏损失;种植结构调整采用低耗水作物代替高耗水作物，减少了作物耗水量;小畦灌溉、高效节灌减少了田间渗漏损失，提高了田间水利用效率，降低了单位面积灌水量。随着节水措施的实施，灌区地下水补给量减少愈加显著。

1.2 数据来源及研究方法

本文基于收集的卫宁灌区2002—2017年19眼观测井实测逐月地下水位数据，计算得到相应的地下水埋深数据。卫宁灌区引水数据来源于1998—2017年的《宁夏水资源公报》，2002—2017年宁夏各县（市）种植面积和种植结构数据来源于《宁夏统计年鉴》。本文采用线性倾向估计法、滑动平均法、累计距平法分析地下水埋深在灌区节水灌溉条件下的变化特征，采用灰色关联度法[28-29]分析灌区节水灌溉要素与地下水埋深变化的相关程度。

2 地下水埋深变化特征

2.1 地下水埋深时间变化特征

卫宁灌区地下水埋深年际变化见图2。2002—2017年卫宁灌区多年平均地下水埋深为2.26 m，2003年埋深最小为2.15 m，2015年埋深最大为2.43 m，地下水埋深总体呈增大趋势，增大速率为0.2 m/（10 a），与2002年相比，2017年埋深增大0.23 m。卫宁灌区地下水埋深变化有阶段性特征，2002—2005年地下水埋深相对平稳，2006—2011年地下水埋深波动增大，2012—2017年地下水埋深大幅增大。2002—2017年卫宁灌区地下水埋深累计距平曲线见图3，可知2012年地下水埋深发生突变，据此，将卫宁灌区地下水埋深变化过程分为2002—2011年和2012—2017年两个时期，各时期地下水埋深年内分布见图4。

卫宁灌区地下水埋深一方面受气候因素影响呈季节性变化，另一方面受农业灌溉影响呈周期性变化，年内呈W形，月均地下水埋深见图4和表1。4月开始引水灌溉，同时温度升高，灌溉水和土壤冻融水回补地下，地下水埋深开始减小;5—8月进入灌溉期，同时降水量增多，灌溉水和降水大量下渗，地下水埋深快速减小，8月地下水埋深为年内最小，平均埋深为1.78 m;9—10月灌溉水量及降水量有所减少，地下水埋深开始增大;11月为冬灌期，地下水埋深有所减小;12月停止灌溉，土壤冻土层不断加厚，地下水埋深开始持续增大，3月地下水埋深为年内最大，平均地下水埋深为2.84 m。由图4可知，两时期地下水埋深变化情况基本一致，1—4月变化不大，地下水埋深增大主要集中在5—10月，原因是2012—2017年灌区农业种植结构调整、灌溉水利用率提升等节水措施主要集中在5—10月，导致该时段地下水补给量比2002—2011年明显减少。

2.2 地下水埋深空间分布特征

利用反距离权重法对卫宁灌区2002—2017年的地下水埋深分布、变化速率和变幅进行空间展布（见图5）可知，灌区地下水埋深沿东西方向具有明显的空间差异性，东部地下水埋深较大、已形成地下漏斗，西部地下水埋深较小，2002—2017年地下水空间分布相对保持稳定，地下水埋深增大区域集中在灌区西部和东南部。2002年卫宁灌区地下水埋深为0.6～6.3 m，2017年地下水埋深为0.9～5.9 m，灌區地下水埋深区间减小。

对2002—2017年不同地下水埋深区间（0～1.0、1.0～2.0、2.0～2.5、2.5～3.0 m和大于3.0 m）的面积占比进行统计分析（见图6）发现，灌区埋深较小区间面积占比减小显著，埋深较大区间面积占比增大显著，其他区间面积占比波动不大。2002—2017年灌区地下水埋深小于1.0 m的区域面积占比减小最为显著，从2002年占灌区总面积的10.8%，到2017年仅占灌区总面积的1%;埋深范围为1.0～2.0 m的区域面积占比整体呈微弱减小趋势;埋深范围为2.0～2.5 m的区域面积占比整体呈明显增大趋势，2017年比2002年增大了26.7%;埋深范围为2.5～3.0 m的区域面积占比呈先增大后减小趋势，但变幅较小;埋深范围大于3.0 m的区域面积占比近年来增大最为显著，从2002年占灌区总面积的20.3%增大到2017年的28.0%。整体来看，2002—2017年卫宁灌区地下水埋深较小的区间面积占比减小，埋深为1.0～2.0 m的区域面积占比最大，而埋深大于3.0 m的区间面积增大。

3 地下水埋深与农业节水灌溉相关性分析

渠系渗漏和田间渗漏是卫宁灌区地下水的主要补给源。近年来，卫宁灌区全面推进节水措施，灌区渠系衬砌率明显提高，减少了渠系的渗漏水量;种植结构调整使得田间作物的耗水量显著减少;而小畦灌溉、高效节灌等措施减少了田间渗漏水量，降低了单位面积的灌水量，提高了田间的用水效率。地下水埋深对农业节水各要素的响应程度存在差异，根据上述分析并结合其他学者的相关分析[22， 30-31]，选取灌区灌溉水量、种植结构和单位面积灌溉水量作为反映农业节水灌溉的指标，分析地下水埋深对农业节水各要素的响应程度。

3.1 农业节水灌溉变化特征

2002—2017年卫宁灌区种植结构不断调整，粮经比（粮食作物与经济作物面积之比）和粮农比（粮食作物与农作物面积之比）作为反映灌区种植结构变化的指标，近年来变化经历了两个阶段（见图7（a））：2002—2008年灌区粮经比和粮农比呈快速下降趋势，种植结构发生显著变化;2009—2017年灌区粮经比、粮农比变化较小，灌区种植结构调整幅度不大。灌区单位面积灌溉水量整体呈明显下降趋势，变化过程也大致经历了两个阶段（见图7（b））：2008年之前灌区单位面积灌溉水量下降十分显著，减少了56%;2009—2017年则变化相对较小。灌区种植结构调整，灌溉效率提升的同时，灌区灌溉水量显著下降（见图7（c）），2002—2017年灌溉水量下降速率为2.8亿m3/（10 a），2002年灌溉水量最高为15.1亿m3，2016年灌溉水量最低为9.7亿m3，相对减少了5.4亿m3，近年来灌溉水量下降速率变缓。

3.2 节水灌溉对地下水埋深影响程度分析

采用灰色关联法，分析卫宁灌区地下水埋深对农业节水灌溉各要素的响应程度（见图8）。卫宁灌区地下水埋深与种植结构、灌溉效率和灌溉水量之间灰色关联度分别为0.59、0.66和0.85，即3个要素对地下水埋深的影响程度排序为灌溉水量>灌溉效率>种植结构。2002—2017年灌溉水量与地下水埋深之间的关联度均为最高，但近年来关联度呈持续下降趋势;种植结构和灌溉效率与地下水埋深的关联度差别不大，二者交替上升，2008年之后，种植结构的关联度趋于稳定，而灌溉效率对地下水埋深变化影响增大。

4 讨 论

卫宁灌区平均地下水埋深从2002年的2.17 m增大到2017年的2.4 m，地下水埋深小于1 m的面积占比从10.8%下降到1.0%，地下水埋深大于3 m的面积占比相对增大7.7%，地下水埋深增大趋势明显。降水和灌溉水下渗是灌区地下水的主要补给源;卫宁灌区降水量稀少，补给地下水量有限[32]，2003年降水补给量在地下水补给量中占比为5%[24]，2015年降水补给量占比增大到19%[23]，这表明地下水补给水量中渠系和田间入渗水量逐渐减少，灌区农业节水是地下水埋深增大的主要原因。农业节水指标中灌溉水量的减少是农业节水的宏观表现，是灌区地下水埋深增大的根本原因，与地下水埋深的关联度最高;灌溉效率是农业节水的微观反映，是灌区单位面积用水量的表征，近年来灌区灌溉效率的提升表明灌区单位面积对地下水的补给效应逐渐减弱，是灌区地下水埋深增大的直接原因;灌区种植结构的调整减少了农业耗水量，是地下水埋深增大的间接原因，但其影响相对较小。

地下水是西北干旱地区天然植被生态的主要水源，随着农业节水措施的实施，地下水埋深逐渐增大，灌区自然生态将逐渐受到威胁，如地下水埋深快速增大的塔里木河流域[13]和青铜峡灌区[33]，受农业高强度节水的影响，目前需大量引用生态水，以维持或修复灌区天然植被生态。因此，农业高强度的节水势必会导致灌区植被生态遭到威胁，带来一系列的生态问题[21，34-35]。另一方面，农作物的生长受地下水的胁迫作用相对较小，农业节水的前提是满足农作物的基础用水[36]，灌区通过减少低效无用耗水及渗漏水达到节水效果，农作物对地下水埋深增大的响应并不明显。

5 结 论

基于2002—2017年卫宁灌区地下水埋深数据，分析农业节水灌溉下地下水埋深的时空变化规律，并对农业节水灌溉各要素的响应程度进行分析。卫宁灌区地下水多年平均埋深为2.26 m，2002—2011年地下水埋深变化不大，2012年之后地下水埋深增大速率加快;年内地下水埋深呈周期性变化，5—10月灌区地下水埋深增大显著。随着灌区农业节水的推进，地下水埋深呈加快增大趋势。卫宁灌区地下水埋深空间分布格局无明显变化，呈由西向东递增的分布特征，地下水埋深增大主要集中在灌区西部及东南部。从埋深占比上看，灌区小埋深区间的面积正快速减少，大埋深的面积快速增大。

卫宁灌区农业节水灌溉中，粮经比（种植结构）、单位面积灌溉水量（灌溉效率）、总灌溉水量均呈显著下降趋势，对灌区地下水埋深产生较大影响。灰色关联分析结果表明，对地下水埋深影响最大的节水灌溉要素是灌区灌溉水量（减少），其次为灌区灌溉效率（提升），种植结构调整的影响相对较小。随着卫宁灌区农业节水的推进，地下水埋深不断增大，势必会帶来一定的生态问题，需要引起有关方面的重视。

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