石家莊地下水資源動(dòng)態(tài)變化及農(nóng)業(yè)灌溉優(yōu)化

孫菊秋

(河北省秦皇島水文水資源勘測(cè)局，河北 秦皇島 066000)

據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)：我國(guó)華北地區(qū)水資源具有總量少、人均占有量偏低、降水量和徑流量年內(nèi)分布不均等特點(diǎn)，無論生活用水還是農(nóng)業(yè)灌溉用水，地下水占主導(dǎo)地位(約70%以上)。石家莊作為華北地區(qū)典型的缺水型城市，其地下水開采程度連續(xù)多年超過120%，處于嚴(yán)重超采狀態(tài)。大范圍、高強(qiáng)度開采已經(jīng)使京津冀廣大地區(qū)的地下出現(xiàn)大面積降落漏斗，地下水水位逐步降低，對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展造成了嚴(yán)重阻礙[1]。

1 研究區(qū)概況

石家莊地處河北省中南部，跨華北平原和太行山兩大地貌單元，截止到2016年底，石家莊常住人口突破1049萬，全市GDP完成5857.8億元，綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力在全國(guó)城市中排名第31位(河北省第2)，且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件較好，集約化和機(jī)械化水平較高，有“北方糧倉”之稱[2]。石家莊地處平原地區(qū)這一自然條件決定了地下水是主要供水方式，目前多地出現(xiàn)地裂縫、塌陷、地下水水質(zhì)變差等問題，本質(zhì)原因還是超采嚴(yán)重[3]。分析石家莊地區(qū)地下水資源動(dòng)態(tài)變化、制定合理的開采措施已經(jīng)迫在眉睫。

2 地下水動(dòng)態(tài)變化特征分析

2.1 石家莊水文地質(zhì)條件分析

由于石家莊大部分人口和產(chǎn)業(yè)分布在占總面積的80%左右的平原區(qū)，因此本項(xiàng)目只針對(duì)平原區(qū)進(jìn)行研究分析。根據(jù)石家莊平原區(qū)水文地質(zhì)條件、地形、地貌等，可將平原區(qū)分為：西部山前沖積平原區(qū)、東部湖(沖)積平原區(qū)。

(1)西部山前沖積平原區(qū)水文地質(zhì)

本區(qū)域含水層巖性以粗砂、卵石為主，厚度在100～250m之間，無穩(wěn)定隔水層，單位涌水量在110～220m3/(h·m)，水質(zhì)為HCO3Ca型水，水質(zhì)良好。區(qū)域主要由沙河、磁河沖、洪積扇、槐河沖、洪積扇等組成，區(qū)域地層粒級(jí)粗大，多卵石分布，粘性土較少。

(2)東部湖(沖)積平原區(qū)水文地質(zhì)

本區(qū)域含水層由西向東逐漸變薄，粒度逐漸變細(xì)，層次逐漸增多，富水性逐漸降低(上部最好，下部最差)。含水層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層多且薄，厚度在150～250m之間，隔水層發(fā)育穩(wěn)定，總體評(píng)價(jià)富水性較差。單位涌水量在50～100m3/(h·m)，水質(zhì)為SO4HCO3NaMg、HCO3SO4Mg型水，礦化度大于1g/L，淺層水水質(zhì)較差。

2.2 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄變化特征分析

2.2.1 補(bǔ)給變化分析

(1)降水補(bǔ)給變化

降水補(bǔ)給是淺層地下水的主要補(bǔ)給方式[4]，本項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)了石家莊1970～2016年間降水量數(shù)據(jù)，如圖1所示，其中藍(lán)色為該年降水量大于平均量；橙色為該年降水量小于平均量。紫紅色虛線為1970～1975年平均降水量；黑色虛線為1995～2000年平均降水量；紅色虛線為2010～2016年平均降水量。

從圖1可知：50年間石家莊地區(qū)干旱年出現(xiàn)的概率逐年增加，平均降水量也在逐步減少。降水入滲量除了受降水量影響外，還包括巖性及厚度、地形地貌、土壤含水量、植被面積等[5]。隨著石家莊地區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口快速發(fā)展，人為影響降水入滲量已經(jīng)十分明顯，即城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等多地區(qū)道路和建筑覆蓋面積增大，且排水渠道日益發(fā)達(dá)[4]。

圖1 1970～2016年間石家莊平均降水量統(tǒng)計(jì)圖

(2)灌溉回滲補(bǔ)給變化

灌溉回滲補(bǔ)給量較少，且每年大規(guī)模灌溉總天數(shù)在30～50d[5]。隨著噴灌、滴灌技術(shù)的發(fā)展，漫灌已經(jīng)被逐步淘汰，因此耕地回滲補(bǔ)給量忽略不計(jì)，灌溉回滲量主要是渠道補(bǔ)給[6]。但隨著石家莊廣大農(nóng)村地區(qū)建設(shè)水渠，其節(jié)水防滲能力大大增加，回滲量銳減。

2.2.2 徑流變化分析

石家莊地域內(nèi)的主要河流有：沙河、磁河、滹沱河等，其中發(fā)育于山西省的滹沱河水量最大。但自20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)各省市興建水利工程，滹沱河上游水資源大部分被沿河蓄水工程攔下，造成河道頻繁干枯，總徑流量以年均7.5%的速度下降。且由于沿河各地區(qū)開墾種植、灌溉用水的不斷增加，造成河道流量銳減，地表徑流補(bǔ)給地下水作用也大大減小。

2.2.3 排泄條件變化

石家莊平原區(qū)地下水的排泄方式主要有蒸發(fā)排泄、人工開采、河道排泄三種形式，其中蒸發(fā)排泄量從20世紀(jì)80年代開始以年均2.1%的速度增加，而人工開采是地下水的主要排泄方式，2015年石家莊地區(qū)共開采地下水2.6億m3，由于人為影響，目前石家莊地下水水位以2m/a的速度降低。

2.3 地下水動(dòng)態(tài)流向變化特征分析

經(jīng)地質(zhì)調(diào)查，石家莊地區(qū)地下水漏斗形成于20世紀(jì)70年代，分為形成、發(fā)展、穩(wěn)定三個(gè)階段，與降水量有較大關(guān)系，見表1。地質(zhì)調(diào)查表明：石家莊地下水漏斗中心位于山前距離16km左右，如圖2所示，且進(jìn)入新世紀(jì)后，漏斗范圍增大較快。地下水漏斗的形成極大地影響了地下水流向，目前西部和中部的地下水流向東偏南，東部地下水流向?yàn)闁|。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)得，目前石家莊地下水降落漏洞中心水位埋深及面積呈冪函數(shù)減小。

根據(jù)地下水礦化度等值線圖分析：石家莊平原區(qū)地下水自西向東、由淺至深年齡逐漸增加，礦化度也逐步增加，這就代表總體走向?yàn)樽晕飨驏|，總體流向?yàn)椴澈７较颉?/p>

表1 降水量與漏斗中心水位埋深及面積變化情況

圖2 石家莊地下水漏斗中心

3 石家莊地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉優(yōu)化

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，超過70%的被開采地下水用于石家莊農(nóng)村地區(qū)灌溉用水，所以減少灌溉用水是降低地下水超采的重要措施[7]。但如果大規(guī)模嚴(yán)格限制地下水開采則會(huì)嚴(yán)重影響農(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入，因此優(yōu)化農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)成為兩者兼顧的必要途徑之一[8]。本文以2015年灌溉用水為標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上分別壓縮10%、15%、20%，以此來對(duì)種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化[9]。

3.1 模型建立

將石家莊地區(qū)主要作物：稻谷(x1)、玉米(x2)、小麥(x3)、棉花(x4)、大豆(x5)、蔬菜(x6)、水果(x7)為決策變量，以最大灌溉水量Q為約束條件，計(jì)算公式如下[10]：式中，SumQ—最大灌溉用水量；Xi—各類作物種植面積；Zi—各類作物每畝需水量。

(1)

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

(1)壓縮10%灌溉用水

玉米和小麥種植面積增大，可增加經(jīng)濟(jì)效益，稻谷不建議種植(需水量大，經(jīng)濟(jì)效益小)，經(jīng)濟(jì)作物中棉花可大力發(fā)展，適當(dāng)降低水果和蔬菜種植面積[11]。

(2)壓縮15%灌溉用水

玉米種植面積為約束面積，小麥種植減少，稻谷不建議種植，棉花種植面積加大，水果和蔬菜種植面積大幅度降低。

(3)壓縮20%灌溉用水

玉米種植面積為約束面積，小麥種植大大減少(30%以上)，稻谷不建議種植。棉花作為經(jīng)濟(jì)作物大力普及，水果和蔬菜不建議種植，經(jīng)濟(jì)效益差且人力成本較大。

4 結(jié)語

地下水對(duì)于區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，研究分析其動(dòng)態(tài)變化對(duì)于制定開采方案和節(jié)水措施有著極大影響。通過對(duì)近50年石家莊降水量及地下水水位變化分析，得出該地區(qū)地下水開采量遠(yuǎn)大于補(bǔ)給量，應(yīng)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)種植。地下水資源對(duì)于我國(guó)北方地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大，各地區(qū)必須盡快采取積極有效措施進(jìn)行治理。本文只是針對(duì)石家莊地區(qū)進(jìn)行了分析研究，而每個(gè)地區(qū)都會(huì)有其獨(dú)有特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)節(jié)水方案時(shí)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際條件，做到“因地制宜”，不可盲目照搬其他地區(qū)的成功經(jīng)驗(yàn)。