黄河流域灌溉发展演变及对地下水资源的影响

袁 磊，韩双宝，李甫成，张秋霞

（1.中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心，河北 保定 071051；2.中国地质调查局 地下水勘查与开发工程研究中心，河北 保定 071051）

1 研究背景

黄河流域面积79.5 万km2，主要产流区处于西北干旱半干旱区，多年平均降水量约450 mm，水资源量少且时空分布不均。 随着经济社会的不断发展，黄河流域取水量一直居高不下，流域水资源供需矛盾日益突出。 20 世纪90 年代黄河流域农业灌溉取水量占比一度达到90%，近几年降至63%左右。 目前黄河流域灌溉面积超过700 万hm2（含流域外220 万hm2），并且灌溉面积仍将在后续10 a 保持增长，新增灌溉面积的用水需求势必进一步激化农业灌溉用水与流域内外不断增长的生活、生态用水需求之间的矛盾。 此外，灌溉用水不仅关乎流域水资源调配，还直接影响灌区地下水的补给量，进而影响当地生态环境［1－3］。

截至目前，学者们对黄河流域灌区农业用水已开展了大量研究，研究内容主要涉及水资源供需矛盾、水资源承载力、用水和耗水变化及影响用水效率的主要因素定性与定量评价等，研究方法主要有综合研究法和数据包络分析等统计学方法，主要研究成果包括：黄河流域各大灌区“自然－人工”驱动下的大气降水－地表水－地下水循环转化机理，黄河流域农业用水效率整体提升明显但区域间发展不平衡，影响灌溉用水效率的主要因素有农田水利设施与灌溉方式、农民的节水意识与受教育程度、水价等用水管理制度［3－6］。 已有研究多将地表水资源与地下水资源视作一个整体，对二者各自的灌溉效率和地表水对地下水的影响研究较少。 过去的20 多年是黄河流域灌溉发展的转型期，灌溉水量和灌溉方式的变化对地下水资源的补给量产生了深远影响，开展黄河流域灌溉水量演变及对地下水资源的影响研究可为流域地表水、地下水用水综合规划和区域水资源可持续利用提供参考。

2 黄河流域灌溉发展历程

黄河流域灌溉事业伴随着新中国的发展几经波折，其最主要的是引黄工程、节水农业、泥沙治理和管理体制的改革发展。 结合现有的黄河灌溉发展历程研究成果，重点考虑灌溉水源比例、灌溉面积、灌溉水量和灌溉方式特点，将新中国成立至今的黄河流域灌溉历程划分为以下4 个时期。

2.1 以引水工程建设为主的建设期

新中国成立后，根据灌溉规模建设了引黄灌溉工程灌排水配套设施，取得了较好的灌溉效益和除碱效果。 1958 年在全国“大跃进”形势下，大批引灌水工程快速建成，但由于管理粗放和缺乏相应的排水措施，因此灌区实行大引大灌后引发了地下水位上升和土壤次生盐碱化问题（如1962 年位山灌区不得不停灌整顿）。 这一阶段人们对黄河水沙变化规律和灌溉系统科学了解不深是制约灌溉事业发展的主要因素，灌溉面积和灌溉用水量经过新中国成立初期的快速上升后保持稳中有升态势［6－9］。

2.2 以灌排体系建设和泥沙治理为主的发展期

20 世纪70—80 年代，随着灌溉引水量的需求不断增大，引黄灌溉事业快速发展，至1995 年，灌溉面积由新中国成立初的80 万hm2增长至600 多万hm2。 各灌区不断完善灌排一体化工程，开挖了总排干沟、干沟、分干沟和支、斗、农、毛沟，如内蒙古河套灌区20 世纪80 年代形成了灌排骨干工程体系，解决了灌区排水不畅、易涝易碱的问题。 各灌区泥沙治理工作逐步开展，发展了黄河泥沙用于淤改、淤临淤背、建材加工、农林牧渔和生活用土等方面的技术。 据统计，到1990 年年底，黄河下游地区共采取放淤措施等改良土地23.2万hm2，泥沙综合利用给沿黄相关省（区）带来了可观的经济和环境效益，而灌溉用水量随灌溉面积的扩大不断增长［6－9］。

2.3 以灌区节水改造和泥沙远距离输送为主的稳固期

1987 年“八七分水”方案实施后，沿黄各省（区）开展了节水农业研究，各大灌区都探索实施了喷灌、滴灌、井渠双灌等节水灌溉方式和配套改建措施，压减了单位面积耗水量，提高了用水效率和效益。 灌溉用水量从20 世纪90 年代末开始稳中有降，灌溉取水量占总取水量的比例逐年下降。 同时，资源节水、真实节水等概念先后被提出并得到发展，黄河下游灌区还将泥沙处理利用和节水灌溉规划紧密结合，进行泥沙远距离输送，提高了灌溉效率，实现了水沙优化调度［6－9］。

2.4 以高效智能节水、水沙科学配置和管理深化改革为主的优化期

近年来，随着建设生态型灌区和可持续发展灌区的需要，引黄灌区的发展进入科技革新、管理深化改革的优化期。 灌区节水灌溉由传统的单一工程型节水向与土壤保水、农艺技术结合发展，由单纯节水向节水、节肥、节药一体化发展，由原来以节水高产为目标向以生态优先、高质量发展为目标，由泥沙处理向水资源与泥沙资源联合优化配置转变。 同时，引黄灌区逐步深化运行体制管理改革，促进了灌区管理方式、基层水利服务体系升级，黄河流域灌溉向着高质量、智能化、数字化发展［6－9］。

通过分析黄河流域灌溉发展历程可知，新中国成立初至20 世纪末灌溉取水量一直处于增长状态，1998年前后灌溉取水量达到最大，之后随着农业结构调整、节水农业与各地地下水限采政策的实施，灌溉取水量呈稳中有降趋势。 因此，1998 年之后的灌溉取水量和耗水量影响因素多、变化复杂，分析这一时期的地下水和地表水灌溉取水量、耗水量变化，对于认识新时期黄河流域灌溉水量演变及指导今后流域灌溉用水综合规划有重要意义。

3 黄河流域灌溉取水量变化特征分析

3.1 地表水取水量变化特征

2003 年以来，黄河流域地表水总取水量稳中有增，灌溉取水量在2005 年之后稳定在270 亿～300 亿m3之间，灌溉取水量占总取水量的比例不断下降，由20 世纪90 年代末的90%左右降至最近几年的70%左右，见图1（资料来源于《黄河水资源公报》）。 进入21世纪后，引黄灌区灌溉面积增长变缓，同时节水技术的推广提高了灌溉效率，节约的水量基本满足新增灌溉面积对水资源量的需求。 沿黄城市和工业的快速发展以及流域内外应急抗旱和生态补水的用水需求量不断增长，仅2019 年黄河干流向乌梁素海、白洋淀生态补水和胶东应急供水就达25 亿m3，《2021 年黄河生态调度方案》指出将全力支持国家战略，向雄安新区、白洋淀、永定河及华北地区地下水超采区等地实施生态补水，河道外生态补水量在37 亿m3以内的由黄河水利委员会安排。 可以预见，在现状气候条件下黄河流域水资源量需求缺口将继续扩大，引黄灌溉用水量需进一步压减，以便将地表水量转移至其他地区或行业产生更大的生态价值和社会效益［10－11］。

图1 黄河流域地表水灌溉取水量与地表水总取水量对比

3.2 地下水取水量变化特征

与地表水略有不同，2003 年以来黄河流域地下水总取水量和灌溉取水量均呈小幅下降趋势。 地下水灌溉取水量占地下水总取水量比例整体呈下降趋势，由55%以上波动降至45%以下，见图2（资料来源于《黄河水资源公报》）。 这主要与国务院发布《关于实行最严格水资源管理制度的意见》后，沿黄各省（区）不断压采地下水开采量和推广节水农业有关［10－12］。

图2 黄河流域地下水灌溉取水量与地下水总取水量对比

以陕西省为例，该省是黄河流域地下水取水量最多的省份，其黄河流域内多年平均地下水取水量约占黄河流域地下水总取水量的23%，90 年代末地下水取水量和灌溉水量达到最大，分别约为30.8 亿m3／a 和17.0 亿m3／a，2010—2019 年分别减少至19.4 亿m3／a和11.6 亿m3／a，可见其压减地下水开采量成效显著。

3.3 总取水量与耗水率变化特征

20 世纪90 年代黄河流域灌溉总取水量在400 亿m3／a 以上，进入21 世纪后呈稳中有降的趋势，从2007年开始，灌溉总取水量稳定在330 亿～360 亿m3／a（见图3）。 依据《黄河水资源公报》，地表水灌溉耗水量是指地表水灌溉取水量扣除其回归黄河干支流河道后的水量，地下水灌溉耗水量指地下水灌溉取水量扣除其入渗潜水含水层和回归河道后的水量。 引入地表水灌溉耗水率（地表水灌溉耗水量与地表水灌溉取水量比值）和地下水灌溉耗水率（地下水灌溉耗水量与地下水灌溉取水量比值）来分析黄河流域灌溉量变化。

图3 黄河流域地表水与地下水灌溉取水量及耗水率

黄河地表水灌溉耗水率稳定在80%左右，说明80%左右的地表水灌溉取水量通过渠系、土壤、植物蒸散发和入渗补给地下水消耗，剩余20%左右回归黄河干支流。 黄河及其主要支流因含沙量大而在节水灌溉中受到限制，目前黄河流域灌区以地表水畦灌、沟灌为主，而地下水灌溉耗水率呈减小趋势（见图3），说明地下水入渗补给量和回归河道的水量所占比例增大，土壤与植物蒸散发等消耗的地下水损失量减少。 进入21 世纪以来，具有节水、省工、低能耗、输水快等优点的低压管道输水等节水技术得到较快发展，井灌区大水漫灌比例不断下降，低压管道结合田间软管或移动管道配水灌溉模式大大减少甚至消除了原先的渠道渗漏和蒸发损失。

灌溉耗水率反映了灌溉效率和灌溉水的二次分配情况。 由于地表水含沙量大，无法直接用于微灌等方式，且微灌、根灌等节水农业成本较高，因此在黄河中下游地区仍然有大面积的大水漫灌和畦沟灌区。 以地表水为主要灌溉水源的引黄灌区灌溉方式以畦灌、沟灌为主，目前提高地表水灌溉效率的方法主要为渠系衬砌和优化作物种植结构、合理安排灌溉时间以减小灌溉水量，其他方法因黄河及各支流河水含沙量高而难以大面积推行。 然而，灌区所节约的灌溉水量实际上大部分为入渗补给地下水的水量，这对维持灌区地表水－地下水循环过程和保持生态稳定所需的地下水位是不利的，因此灌区地表水节水需要考虑使地下水位稳定在生态保护所需的阈值范围［13－14］。

4 灌溉对地下水资源的影响

引黄灌溉水通过渠系入渗和田间灌溉回渗极大补给了地下水资源。 随着黄河流域渠系的不断完善，渠系衬砌率由2000 年的不足10%提高到目前的50%，渠系入渗补给量随之下降一半以上。 根据第二轮全国地下水资源评价（2000—2002 年）和黄河流域水文地质调查（2019—2021 年）评价结果，陕北风沙滩地区2000 年和2020 年渠系水渗漏补给量分别为3 453.9万、748.2 万m3，银川平原、关中盆地渠系渗漏补给量减少了50%～70%。 虽然近20 a 田间灌溉回渗量有所增加，但受渠系入渗量大幅减少的影响，主要引黄灌区地下水补给量呈明显减小态势［12］。

引黄灌溉在保持地下水位稳定和生态系统平衡方面起到巨大的支撑作用。 以河套平原为例，引黄灌区2010—2019 年地下水位保持稳定，水位变幅在±5 m范围之内的区域占河套平原总面积的95%以上，而平原北部山前非灌区与呼和浩特市周边地区地下水位下降大于5 m（见图4）。 河套平原地下水位变化受灌溉影响十分显著，每年9—11 月的秋灌用水量最大，受此影响，地下水位每年7—8 月最低，9 月逐渐恢复，12月—次年1 月最高（见图5）。

图4 2010—2019 年河套平原浅层地下水位埋深变幅

图5 2015—2019 年河套平原地下水位埋深

依据历年《黄河水资源公报》数据，本年末与上年同期相比，以±0.5 m 变幅（内蒙古巴盟河套平原为±0.3 m）作为浅层地下水位上升区（水位变幅＞0.5 m）、下降区（水位变幅＜－0.5 m）和相对稳定区（－0.5 m≤水位变幅≤0.5 m）的分界线，统计结果见表3。 可见，黄河流域主要平原（河谷、盆地）区浅层地下水位基本稳定，地下水位相对稳定区占比常年保持在70%～80%之间，地下水蓄水量年际变幅在±10 亿m3之内，特别是2010—2019 年地下水蓄水量累计亏空仅6.0 亿m3，说明地下水资源得到了有效保护。

表3 黄河流域地下水位变化情况与地下水蓄水量变幅

将地下水蓄水量变幅与地表水农田灌溉水量、地下水农田灌溉水量、降水量进行相关性分析，发现地下水蓄水量变幅与上年度地表水农田灌溉水量显著相关。 由图6 可看出地下水蓄水量变幅与地表水农田灌溉水量存在一定的滞后相关性，表明地下水蓄水量与地表水农田灌溉水量密切相关，对地下水的补给量影响最大，因此在减少农田灌溉水量的同时要注意对地下水补给量的影响，以便于为确定地下水可开采量与生态需水量提供依据［11］，保障流域生态环境健康稳定。

图6 地下水蓄水量变幅与地表水农田灌溉水量关系

5 结语

（1）黄河流域灌溉事业从无序到有序，从粗放到科学，向着生态优先和高质量发展转变，其历程可划分为以下4 个时期：以引水工程建设为主的建设期、以灌排体系建设和泥沙治理为主的发展期、以灌区节水改造和泥沙远距离输送为主的稳固期、以高效智能节水与水沙科学配置和管理深化改革为主的优化期。 当前处于黄河流域灌溉发展的优化期，受气候变化和人类活动的影响，黄河流域径流量呈减小趋势，而流域内外的需水量特别是生态用水需求量不断增大，灌溉取水量将进一步被压减，灌溉所节约的水资源将服务其他地区或行业以产生更多的生态价值和社会效益。

（2）1998—2019 年黄河流域地表水灌溉取水量呈先减小、后稳定的态势，地下水灌溉取水量则逐年下降，地表水、地下水灌溉水量占总取水量的比例均明显下降，节水农业的发展有效缓解了黄河流域水资源的供需矛盾。 地下水灌溉耗水率逐年减小，低压管道输水等节水农业的发展显著减小了渠系渗漏量和地面蒸散发量，相较于地下水，地表水节水灌溉尚有较大发展潜力。

（3）引黄灌溉对稳定灌区地下水位、补给地下水起到了重要支撑作用，地下水蓄水量变幅与上年度地表水农田灌溉水量显著相关。 灌溉取水用水是对水资源开发利用影响最大的人类活动，灌溉水量压减的同时要注意评估其对地下水补给和生态环境的影响，优化地下水、地表水的分配和联合调度方案，保证流域生态水位和生态需水量。