对既保冬小麦产量又防承压水耗竭的灌溉策略之探讨

李 佩 ，任 理

（1.长安大学水利与环境学院环境工程系, 陕西 西安 710054；2.中国农业大学资源与环境学院土壤和水科学系, 北京 100193）

1 问题的提出

位于京津以南的河北省黑龙港地区总面积约为4×104km2，包含53个县（市），是华北平原中地表水资源匮乏且浅层又广泛分布微咸水或咸水的区域[1-3]，但同时又是河北省优质冬小麦的重要产区[4-6]。由于该区域冬小麦的灌溉不得不在一定程度上依赖于开采深层地下水[7-11]，因而导致了在区域尺度上深层地下水的水位（头）持续下降，再与该区域生活供水与工业生产用水对深层地下水的超采相叠加，便形成了在我国甚至全球都具有典型性的深层地下水位（头）漏斗区[12]。2019年1月，水利部、财政部、国家发展改革委和农业农村部颁布了《华北地区地下水超采综合治理行动方案》，黑龙港地区作为华北平原深层地下水的严重超采区，被列为这一方案中最重要的区域[13]。然而，黑龙港地区作为河北省冬小麦的主产区之一，所承担的口粮生产任务又不容许该区域以牺牲冬小麦的产量来换取深层地下水的压采（禁采或限采），换言之，尽管黑龙港地区压采冬小麦井灌所用深层地下水既十分重要又刻不容缓，但维持该地区的冬小麦产能（这里特指冬小麦的播种面积与单产水平）同样重要甚至更加重要！显然，解决的途径只可能是采用外调地表水置换深层地下水用于现状情形下的冬小麦灌溉，如此才能既确保冬小麦稳产又禁采深层地下水。于是，就产生了如下亟待探讨的科学问题：在现状灌溉情形下的冬小麦生育期，井灌所用深层地下水被禁采的前提下，确保冬小麦稳产所需的外调引水量是多少？进一步地，若外调引水量目前不能满足现状灌溉而只能满足冬小麦生育期的限水灌溉，冬小麦的产量又会有怎样的变化？定量探讨这两个问题有助于为河北省黑龙港地区更好地贯彻国家水安全、粮食安全与可持续发展的战略目标提供一定的科学支撑。

2 确保冬小麦产量稳定所需的外调引水量

多年来，我们针对黑龙港地区，就冬小麦-夏玉米一年两熟制，在冬小麦的现状灌溉情形和限水灌溉情景下开展了细致的农业水文模拟研究[10-11,14]。运用基于多源与多尺度数据进行参数率定与模型验证后的SWAP-WOFOST（Soil Water Atmosphere Plant-WOrld FOod STudy）模型，针对现状灌溉情形，获得了黑龙港地区53个县（市）冬小麦单产的模拟结果及冬小麦井灌所用深层地下水开采量的估算结果[11,14]。由此可知：在县（市）域尺度上，若将现状灌溉情形中冬小麦井灌所用深层地下水的开采量替换成外调地表水对冬小麦渠灌的引用量，则此“以渠水换井水”的方案既可满足“保冬小麦产量”这个口粮安全的“刚性约束”，又可实现“防承压水耗竭”这个生态安全的“底线目标”。

在现状灌溉情形下，对黑龙港地区各县（市）在模拟时段（1993—2012年）内多年平均的冬小麦生育期灌溉所用的深层地下水开采量的估算结果见图1。估算步骤如下：

图1 现状灌溉情形下黑龙港地区各县（市）在模拟时段内多年平均的冬小麦生育期灌溉所用的深层地下水开采量和其他用途的深层地下水开采量Fig.1 Average exploitation amount of deep groundwater for winter wheat irrigation during the simulation period under the current irrigation schedule and the exploitation amount of deep groundwater for other purposes in each county of the Heilonggang region

（1）基于农民对冬小麦的灌溉习惯而概化的现状灌溉制度[11,14]可知县（市）在冬小麦生育期不同的降水频率（亦即特定的降水水平）下的灌溉定额，进而可计算模拟时段内多年平均的冬小麦生育期的灌溉定额（mm）。

（2）将计算的灌溉定额乘以可以收集到的县（市）在1994—2012年平均的冬小麦播种面积（hm2）[15]，即可得到模拟时段内多年平均的冬小麦生育期的灌溉量（104m3）。

（3）将此灌溉量乘以县（市）农业灌溉用水量中深层地下水所占比例，即可得到模拟时段内多年平均的冬小麦生育期灌溉所用的深层地下水开采量（104m3），此比例的概化过程详见文献[11]。

各县（市）的深层地下水开采量引自“新一轮全国地下水资源评价”附表[16]，其他用途（如工业、生活或其他作物灌溉）的深层地下水开采量为收集的深层地下水开采量[16]与估算的模拟时段内多年平均的冬小麦生育期灌溉所用的深层地下水开采量之差。

由图1可见：在黑龙港地区这个华北平原典型的深层地下水严重超采区，各县（市）深层地下水的开采量存在较大差异，对其中的衡水地区和沧州地区而言，在冬小麦生育期的井灌是深层地下水在区域尺度上呈现超采情势的重要原因。图1间接地反映出在各县（市）冬小麦生育期的井灌对深层地下水超采态势的贡献程度，可为确保冬小麦稳产而规划所需的地表水外调引水量和引水工程的空间配置提供定量化的参考，这对于该地区深层地下水的超采治理具有一定的实际意义。

黑龙港地区多年平均的冬小麦生育期在现状灌溉情形下所用的深层地下水开采量和其他用途的深层地下水开采量分别约为9.62×108m3和12.47×108m3（表1）。这意味着：若每年能有9.62×108m3的外调地表水作为该地区冬小麦生育期灌溉用水来替换所用深层地下水，则可实现该区域深层地下水禁采和冬小麦稳产这一兼顾水安全和口粮安全的双目标。

表1 估算的黑龙港地区范围内在模拟时段多年平均的深层地下水开采量Table 1 Estimated average exploitation amount of deep groundwater during the simulation period in the Heilonggang region

据悉，目前在黑龙港地区生活和工业所用的深层地下水开采量大多已被“南水北调中线工程”的引水所置换。因此，若国家相关部门在对黑龙港地区冬小麦稳产的要求下能再进一步增加“南水北调东线一期工程北延应急供水工程”（刚刚于2021年正式通水）和“引黄入冀补淀工程”（已经于2018年正式通水）的引水量来置换农业所用深层地下水量，使得满足外调引水9.62×108m3用于黑龙港地区的冬小麦灌溉，则既可实现这个优质冬小麦重要产区保面积稳产量这一党政同责的管理目标，又可遏制承压含水层面临枯竭这一岌岌可危的水安全情势的发展。

3 允许冬小麦特定减产幅度所需的外调引水量

黑龙港地区各县（市）在实施冬小麦生育期井灌所用深层地下水禁采的前提下，若置换冬小麦灌溉所用深层地下水量的外调地表水量不同时，则所导致的冬小麦产量的减幅也不同。图2展示了黑龙港地区各县（市）外调引水量仅能满足冬小麦生育期的不同限水灌溉方案时，冬小麦的减产幅度是多少，这将为黑龙港地区贯彻“华北地区地下水超采综合治理行动方案”而实施深层地下水禁采，引用外调地表水渠灌冬小麦时因地制宜地考量“以水定产”提供定量参考。

图2 不同的限水灌溉情景与现状灌溉情形相比黑龙港地区各县（市）在模拟时段内多年平均冬小麦产量的变化量及变幅和冬小麦生育期灌溉所用深层地下水开采量的变化量及其削减量占深层地下水总开采量之比Fig.2 Average variation in winter wheat yield under different limited irrigation scenarios compared with the current irrigation schedule during the simulation period and the variation in deep groundwater exploitation for winter wheat irrigation and the proportion of the deep groundwater exploitation reduction to the total deep groundwater exploitation in each county of the Heilonggang region

由表2可见：黑龙港地区范围内多年平均的冬小麦生育期在限水3次、限水2次和限水1次的灌溉中所用的深层地下水开采量分别约为8.21×108m3、5.47×108m3和2.74×108m3。这意味着：若每年分别有8.21×108m3、5.47×108m3和2.74×108m3的外调地表水可替换黑龙港地区冬小麦生育期灌溉所用的深层地下水，则可实现该地区冬小麦限水灌溉中不再开采深层地下水，因为这种禁采是落实“华北平原地下水超采综合治理行动方案”的刚性要求。然而，尽管这有助于黑龙港地区因地制宜地实现“以水定产”从而避免承压含水层的枯竭，但同时会造成该地区多年平均的冬小麦单产量分别减少约445 kg/hm2、1 647 kg/hm2和2 670 kg/hm2，减幅分别约为9%、35%和57%，总产量分别减少约4.53×108kg、18.69×108kg和30.59×108kg，减幅分别约为8%、34%和56%（表3）。

表2 估算的黑龙港地区范围内模拟时段冬小麦生育期在限水灌溉情景下多年平均的井灌所用深层地下水开采量Table 2 Estimated average deep groundwater exploitation for winter wheat irrigation under the limited irrigation scenarios during the simulation period in the Heilonggang region

表3 估算的黑龙港地区范围内模拟时段冬小麦生育期在限水灌溉情景下多年平均的冬小麦产量及其与现状灌溉情形相比的变幅Table 3 Estimated average winter wheat yield and the variation under the limited irrigation scenarios during the simulation period compared with the current irrigation schedule in the Heilonggang region

本文基于已有的研究[10-11,14]而计算的结果是根据现状灌溉情形和限水灌溉情景中冬小麦产量的模拟数据及冬小麦井灌所用深层地下水开采量的估算数据得到的。这里特别需要说明的是，我们在黑龙港地区所开展的区域尺度农业水文模拟研究的时段为1993—2012年，而“南水北调东线工程”和“南水北调中线工程”及“引黄入冀补淀工程”的通水时间分别是2013年和2014年及2018年。因此，在上述计算中并未考虑这些外调引水工程的通水对该区域的影响。

值得注意的是，南水北调东线一期工程北延应急供水工程于2022年3月25日启动，入河北省水量1.45×108m3[17]，引黄入冀补淀工程于2017年11月16日试通水，向河北省农业灌溉供水3.65×108m3[18]。若这2部分引水量均能用于黑龙港地区冬小麦生育期的灌溉，则每年或许有大约5.10×108m3的地表水可供灌溉。黑龙港地区在禁采井灌所用深层地下水的前提下，现状灌溉、限水灌溉3次和限水灌溉2次情景下所需的外调水量与上述5.10×108m3的地表引水量相比，其缺口分别约为4.52×108m3、3.11×108m3和0.37×108m3。若实施限水灌溉1次，则所需的外调水量与5.10×108m3的地表引水量相比，尚有2.36×108m3的盈余。此外，黑龙港地区微咸水和咸水的可开采资源量约为9.15×108m3[16]，河北省多年平均的微咸水利用量约为2.46×108m3[19]，尚有一定的利用潜力。因此，若现阶段的引水量能得到保障，则缺水量可以考虑进一步利用浅层微咸水和半咸水及坑塘蓄水，如此，便有望实现置换井灌冬小麦所用深层地下水量9.62×108m3的目标。

需要提及的是，本文所提出的引用外调水进行渠灌及水利部门目前开展的“河道生态补水”有使黑龙港地区内的某些农田产生次生盐渍化的潜在风险，而规避这种风险的农田水利工程（排水明沟或暗管）应该未雨绸缪。

4 结语

（1）在河北省黑龙港地区，探讨兼顾禁采井灌所用深层地下水与确保冬小麦产量稳定的灌溉策略是水安全和口粮安全的管理决策所需的科学研究。

（2）在河北省黑龙港地区，对冬小麦若能采用外调地表水的渠灌来替代深层地下水的井灌，且每年能外调引水量约9.62×108m3，则本文提出的“以渠水换井水”的方案既可满足政府对“保产量”这一口粮须绝对安全的“刚性要求”，又可实现“防耗竭”这一承压水需生态安全的“刚性目标”。

（3）在河北省黑龙港地区，若每年的外调引水量只能分别达到约8.21×108m3、5.47×108m3和2.74×108m3时，则对冬小麦禁采井灌所用深层地下水将不得不付出单产减幅分别约为9%、35%和57%的代价。

本文紧密结合当前国家对水安全和口粮安全的战略需求，基于我们近10年来在华北平原典型的深层地下水严重超采区—黑龙港地区所开展的农业水文模拟研究工作，在区域尺度上宏观地评估了对冬小麦灌溉时禁采深层地下水而采用“外调地表水渠灌”对其产量的影响，这些基于多年定量研究的结果所阐述的观点可供政府相关管理部门针对该区域兼顾水安全与口粮安全进行决策时参考。

致谢：感谢河北省农林科学院旱作农业研究所的李科江研究员就黑龙港地区深层地下水井灌现状所给予的指教，感谢水利部南水北调规划设计管理局副局长姚建文教授级高级工程师就南水北调工程的有关引用水问题所给予的指教，感谢水利部水利水电规划设计总院水资源一处陈飞高级工程师就“南水北调东线一期工程北延应急供水工程”和“引黄入冀补淀工程”在黑龙港地区的线路所给予的指教。