区域农业开采量与年降水量的互逆效应

区域农业开采量与年降水量的互逆效应

中国北方大部分地区都是半干旱农业区，年平均降水量为534mm。a、水面蒸发量大于1200mm。a、气候降水难以满足作物生长和水分的需求。例如在山东禹城实验研究结果,大气降水仅能满足冬小麦生育期作物耗水量的33.8%、春玉米58.8%和冬小麦-夏大豆55.1%。地下水灌溉是确保华北平原农业稳产、增产的关键所在。在华北平原中、西部地区,农业用水占总用水量的70%以上,其中地下水是主要供水源(表1),以至农业需耗地下水开采量(简称农业开采量)对年降水量变化具有较强的响应性。吴凯等、孙明等、杨永辉等和贾金生等通过实验研究阐明了不同降水量条件下大田作物需耗水规律和机理,但是如何研判一个区域农业开采量的合理性、可靠性及其节水潜力仍然是水资源评价及规划中重要科学难题。因此,探讨农业开采量对降水量变化的响应规律,对研究如何增强水资源紧缺地区农业供水安全性和农业(用水大户)合理、高效地利用地下水资源具有重要意义。1地下水位及灌溉量农田作物需耗水量(Wcp)一般由地下水毛细供水量(U)、降水供给量(P,指作物生长消耗降水供给的水量)、人工供给量(Q,即灌溉量)和消耗土壤含水量(ΔW)组成,表达式为Wcp=U+P+Q±ΔW(1)Wcp=U+Ρ+Q±ΔW(1)实际上,农田作物需耗水量中包括农田蒸散和灌溉渗漏两部分的水量消耗。后者部分储存在土壤中,另一部分入渗补给浅层地下水。对于式(1)来讲,由于研究区内浅层地下水位埋深较大,以至U=0。另外,时间较长的均衡期内,ΔW≈0(Taylor,1983)。于是,有Wcp≈P+Q≈P+I+Q开(2)Wcp≈Ρ+Q≈Ρ+Ι+Q开(2)即华北平原的作物需耗水量主要由降水供给量(P)和以开采地下水为主的灌溉量(Q)组成,地表水灌溉量(I)占有限量。从表1可见,在多数研究分区的Q中Q开占80%以上,所以降水量变化不仅引起降水对农田作物需耗水的供给量改变,而且还引起灌溉量的改变,并主要表现在农业开采量(Q开)的变化上。因此,在遴选研究样本过程中,考虑到降水量、开采量及地下水位埋深的实际监测数据存在由点源到面应用均化的局限性,以及降水和开采对浅层地下水位变化影响的地域对应性和时效不对称性的问题;还考虑到Wcp值大小与灌溉面积、种植结构和用水水平密切相关性。为了最大限度地减小上述问题的不确定性影响,本文采用邢台、邯郸和石家庄所辖平原区的农田区浅层地下水(指潜水及微承压水)开采量及对应区年降水量和区域平均年末浅层地下水位埋深(主要指潜水)作为主要研究依据,选用海河平原农田区地下水开采量及相应范围的农业大田灌溉量和降水量作为研究背景资料。另外,考虑到灌溉面积的相对稳定性(表2),主要选取1986-2000年系列相关数据。2农业科学院的收获规律2.1农业开采量和灌溉量从图1(a)可见,1986-2000年期间华北平原农业区浅层地下水开采量和农田实际灌溉量与年降水量之间呈互逆变化过程。在1986、1989、1992、1997年和1999年降水偏枯年份,农业开采量和灌溉量都呈现峰值;而在1987-1988、1990、1994-1996和1998年降水偏丰年份,开采量和灌溉量呈现谷值。在邯郸、邢台和石家庄平原农业区,不仅农业开采量与对应区年降水量密切互动,而且区内平均年末浅层地下水位埋深也呈逆向动态变化规律(图1(b)～图1(d))。降水量增大,开采量减小,降水对浅层地下水补给增多,浅层地下水位埋深变小;降水量减小,开采量增大,降水对浅层地下水补给减少,浅层地下水位埋深变大。2.2年开采量、年降水量的变化率图2表明,随着年降水量的增大,农田作物需耗水从降水中获取的供给量相应增大,而农田灌溉量减小(图2(a)),农田区浅层地下水开采量也随之减小(图1(a))。在1986-2000年期间,华北农田区的灌溉量与降水量之间变化率为-0.174,开采量与降水量之间变化率为-0.191,均衡点的年降水量518.2mm、年灌溉量473.8mm和年开采量391.4mm(图2(a))。在邯郸农业区,开采量与降水量的变化率为-0.331,均衡点的年降水量和年开采量分别为511.1mm和281.7mm;邢台农业区,年开采量与年降水量的变化率为-0.336,均衡点的年降水量和开采量分别为487.3mm和302.3mm;石家庄农业区,年开采量与年降水量的变化率为-0.354,均衡点的年降水量和年开采量分别为479.2mm和354.4mm(图2(b))。换言之,在地下水灌溉面积和用水水平稳定前提下,年降水量每增加(或减少)100mm,则引起邯郸、邢台和石家庄农业年开采量减小(或增大)28.4～40.1mm(相当于1.1亿～1.9亿m3),华北平原农田地下水开年采量减少(或增大)19.1～19.2mm(相当于11.6亿～11.7亿m3),具体结果如表3所示。在1986-2000年期间,华北平原年降水量的极大-极小差率达-32.5%～+39.7%、年开采量极差率-11.2%～+13.1%,其中邯郸平原年降水量极差率-47.4%～+51.1%和农业开采量极差率-24.6%～+33.8%、邢台平原-42.3%～+39.9%和-18.1%～+27.7%,石家庄平原-39.9%～+74.7%和-33.8%～+18.9%。3均衡降水与年降水量的关系图2中均衡点的年开采量和年降水量是一个区域性的、15年(中尺度)期间作物需耗水阈值,它基本反映出一个地区农田作物需耗水量大小和农业消耗地下水的水平,其量值的大小与各分区气候条件和实际灌溉面积有关(表4),弱化了种植结构或用水水平等方面局部随机性变化影响。就是说,在用水水平和种植结构基本稳定前提下,包括引水工程,一个地区农业开采量的大小取决于当地降水和蒸发等水热气候条件及灌溉面积。研究表明,由于各研究分区的气候条件不同,所以它们的作物需耗水量(Wcp)也各不相同(表5),随降水量增大而减小(图3),以至各分区的均衡点开采量及其对应降水量也因Wcp不同而变化。图3是华北平原各三级区的单位面积农田经济灌溉定额和1998年农业大田(水浇地)实际灌溉量与1986-2000年系列分区区域平均年降水量之间关系,它反映无论是研究区的农田作物极限需耗水量(指经济灌溉定额),还是单位面积灌溉量都与当地年降水量呈密切负相关关系。从邯郸、邢台和石家庄分区来看,均衡点降水量由511.2mm降至479.2mm,则单位面积实际均衡农业开采量(开采模数)从2.83×1012?mm3/hm2·a增至3.54×1012?mm3/hm2·a(图3中Δ点),介于农田作物极限需耗水量与1998年单位面积实际灌溉量之间(详见图3、表4和表5)。当然,不同作物的需耗水量各不相同。由懋正等研究表明,在石家庄山前平原冬小麦的需耗水量351.9～491.5mm和夏玉米386.6～521.0mm。吴凯等在1986-1995年期间的山东禹城实验研究结果,冬小麦生育期作物需耗水量平均485.5mm,夏大豆生育期作物需耗水量平均362.5mm,春玉米生育期作物需耗水量平均413.8mm,夏玉米生育期作物需耗水量平均397.9mm。本文研究结果,在邯郸、邢台和石家庄平原,以种植小麦、玉米、棉花和豆类为主,所以若以冬小麦和夏玉米的作物需耗水量值作为基数,则邯郸、邢台和石家庄农业区开采地下水供给水量占相应作物的需耗水量的58.2%～88.9%。随着降水量的增大,作物消耗降水供给水量增多,其中偏丰水年份占62.6%～80.2%,而偏枯水年份降水供给作物需耗水量仅占15.2%～32.1%,因此农业开采量随降水量增大而减小。1986-1995年农田实验研究结果是冬小麦农田需耗水量413.8mm,夏玉米397.9mm,以至在相同降水量条件下,种植夏玉米所消耗的降水供给量小于冬小麦。4农业开采量评估农业区浅层地下水开采量对年降水量变化的响应规律及其研究方法,具有如下应用意义:(1)在枯水年份不仅农业开采量显著增大,而且地下水对农业(粮食)安全的保障作用与责任更加显著,所以在地下水资源规划与利用中,应采取“丰限枯保”的农业区地下水开采对策,需要更加重视连续枯水期地下水对农业安全保障的地下水资源储备,适度限制丰水年份农业对地下水的开采数量,以便进一步增强连续干旱年份期间地下水对农业用水的供给安全保障能力。(2)可借鉴图2～图3的表达方式和内涵,研判和率定农业开采量的利用水平、合理性和节水潜力,以及检核相关统计资料的可靠性。如果数据点进入图2(a)中右上限区或左下限区,为异常点,需要查明原因;若在左上限区或右下限区,属于正常值,其中左上限区是偏枯水年份农业开采量状况,右下限区表示偏水年份农业开采量状况。若数据点落在趋势线上方,表明农业开采量尚有节水潜力;数据点在趋势线下方,表明该农业区高效用水。在上述分析基础上,通过图3检核实际农业开采量的节水潜力大小,评价实际农业开采量的合理性和现状利用水平。如果实际开采量落在区域平均、单位面积地下水可开采量趋势线与经济灌溉定额趋势线之间,表明该区农业开采量处于合理状态。实际开采量愈接近经济灌溉定额趋势线,表明该地区农业开采量愈高效,节水潜力愈小;相反,农业开采量偏高,节水潜力愈大。如果实际开采量落在区域平均、单位面积地下水可开采量趋势线之上或经济灌溉定额趋势线之下,都属于异常情况,需要查明原因。(3)根据降水预测成果,利用图2方法可推测未来年份的农业开采量,指导农业生产。图2中趋势线,应是预测理论值。(4)为评估未来不同气候条件下