降水对华北农业区地下水保障能力的影响.pdf

第4 3卷第4期2 0 2 3年8月水土保持通报B u l l e t i no fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.4 3,N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 1-1 7 修回日期:2 0 2 3-0 4-1 4 资助项目:国家自然科学基金项目“气候突变模式下华北农业区地下水保障能力响应特征”(4 1 7 0 2 2 6);山西省高等学校科技创新项目(2 0 2 1 L 5 5 9);太原工业学院青年(后备)学科带头人支持计划项目(2 0 2 1 0 4)第一作者:王电龙(1 9 8 1),男(汉族),山东省安丘市人,博士,副教授,主要从事水资源可持续利用方面的研究。E m a i l:s x n d w d l 1 6 3.c o m。通讯作者:冯慧敏(1 9 8 0),女(汉族),内蒙古自治区包头市人,博士,副教授,硕士生导师,主要从事农田水利与水资源可持续利用等方面的研究。E m a i l:f e n g h u i m i n 1 9 9 71 6 3.c o m。降水对华北农业区地下水保障能力的影响王电龙1,2,张光辉3,冯慧敏4,狄 帆5,张西珠1,杜旭婷1(1.太原工业学院 环境与安全工程系,山西 太原0 3 0 0 1 2;2.中国水利水电科学研究院流域水循环与调控国家重点实验室,北京1 0 0 0 8 6;3.中国地质科学院 水文地质环境地质研究所,河北 石家庄0 5 0 8 0 1;4.山西农业大学 城乡建设学院,山西 太谷0 3 0 8 0 1;5.太原理工大学,山西 太原0 3 0 0 0 2)摘 要:目的评估降水对华北农业区地下水保障能力的影响,为该区地下水资源可持续利用提供理论依据。方法建立地下水保障能力(F)评价理论体系,采用地学统计、关联度分析等方法,分析降水对地下水保障能力影响的时空特征。结果随降水量变化,F值空间分布变化明显,多年平均和丰水年以“基本保障”分布为主,枯水年则以“难以保障”为主;随降水量变化,不同区位F发生频次亦不同。在燕山山前平原和太行冀中平原,当降水频率分别 7 5%和5 0%时,F值均在0.5以下;太行豫北平原,当降水频率7 5%时,F值升高至以大于1.0的频次为主;中部豫北平原,当降水频率5 0%时,F值均增大至1.0以上;当降水频率1.0 0可用于农业灌溉的地下水资源量能够满足农业区作物灌溉需求,实现高产稳产。可以适当扩大灌溉农业基本保障0.5 01.0 0可用于农业灌溉的地下水资源量不能完全满足灌溉用水需求。可大力发展节水灌溉,维持农业灌溉可持续性较低保障0.2 50.5 0可用于农业灌溉的地下水资源量不足灌溉用水需求的5 0%。应加快作物种植结构调整,积极发展旱作农业难以保障E Tc)(6)式中:P为作物生育期内降水量(mm)。1.2.3 关联度分析 采用关联系数法分析计算参考数列:地下水保障能力F(X0)与比较数列:最高气温(X1)、最 低 气 温(X2)、日 照 时 数(X3)、相 对 湿 度(X4)、风速(X5)、降水量(X6)、地下水可开采资源量(X7)的关联度。假定每个数列均有N个同期的动态观测值,即:参考数列X0(i),i=1,2N;比较数列Xk(i),k=1,2,37;i=1,2N,则关联系数k(i)可由下列公式算出。k(i)=m i n(i)+m a x(i)k(i)+m a x(i)(7)式中:为分辨系数,一般在01之间,通常取0.5。k(i)为第k条比较曲线Xk与参考曲线X0在i时刻872 水土保持通报 第4 3卷的关联系数,0k1;k愈接近于1,说明它们的关联性 愈 好。m i n(i),m a x(i)为7条 比 较 曲 线 在1,N 区间,i时刻与参考曲线距离的最小值和最大值,即m i n(i)=m i n|X0(i)-Xk(i)|,k=1,2,37;m a x(i)=m a x|X0(i)-Xk(i)|,k=1,2,37;k(i)为i时刻第k条比较曲线与参考曲线的距离,即k(i)=|X0(i)-Xk(i)|,k=1,2,37。于是,关联度(k)可由下列公式算出:k=1NNik(i)(8)式中:k为比较数列Xk对参考数列X0的灰色关联度,k值越接近1,说明关联性越好。1.3 数据来源农业可开采模数采用7个分区内各地级市地下水可开采模数的7 0%作为评价的基值,基值充分考虑了研究区不同区位生活、工业及生态用水权重。地下水可开采模数采用 中国主要粮食基地地下水保障能力与评价理论方法1 7计算数据(地下水可开采模数,如图1所示)。不同区位农业开采量源自相应地区水行政主管部门发布的水资源公报和农业统计年鉴。采用6 3个气象站1 9 7 12 0 2 0年逐日降水、最高气温、最低气温、相对湿度、日照时数和近地风速等气象数据 中国气象数据网(h t t p:d a t a.c m a.c n/),计算作物灌溉需水量。2 研究结果2.1 不同降水年型对地下水保障能力的影响由公式(1)(6)计算得到华北农业区在多年平均年份、丰水年(降水频率2 5%)、枯水年(降水频率7 5%)等3种降水年型下的地下水保障能力空间分布(图23)。由图23可以看出,多年平均年份,地下水保障能力以F值在0.51.0的“基本保障”分布为主,主要分布在中部鲁北平原、中部豫北平原和滨海平原;“较高保障”区主要分布在太行豫北平原,保障能力为1.1 2;“难以保障”区主要分布在中部冀中平原,保障能力为0.2 1(图3)。图2 研究区不同降水年型下地下水保障能力空间分布F i g.2 S p a t i a l c h a r a c t e r i s t i c so fFv a l u e i ns t u d ya r e a i nd i f f e r e n tp r e c i p i t a t i o ny e a r s图3 研究区不同降水年型下7个分区地下水保障能力F i g.3 T h eFv a l u eo f s e v e ns u b-r e g i o n s i ns t u d ya r e a i nd i f f e r e n tp r e c i p i t a t i o ny e a r s丰水年全区仍以“基本保障”分布为主,但分布范围较多年平均年份进一步扩大至滨海平原和太行冀中平原,“较高保障”区仍主要分布在太行豫北平原,但保障能力增大至1.7 2;中部冀中平原保障能力增大至0.3 0(图3),为“较低保障”。枯水年较多年平均年份,“难以保障”分布区范围急剧扩大,而“基本保障”分布范围则急剧减少;中部冀中平原保障能力减小至0.1 8,为“难以保障”;太行豫北平原保障能力减小至0.8 1(图3),为“基本保障”。2.2 降水年型对不同分级地下水保障能力发生频次的影响图4为近5 0a(1 9 7 12 0 2 0年)不同区位在不同降水年型下地下水保障能力发生频次。由图4可以看出:燕山山前平原区F在0.2 51.0之间,在枯水年(降水频率7 5%,1 5a),F值均在0.2 50.5 0之间,为“较低保障”;在平水年偏丰年份(降水频率972第4期 王电龙等:降水对华北农业区地下水保障能力的影响2 5%5 0%)、平水 年 偏 枯 年 份(降 水 频 率5 0%7 5%)和丰水年(降水频率2 5%),“较低保障”发生频次分别为9次、8次和8次,无明显差异;非丰水年份地下水保障能力也有年份达到“基本保障”,但只有当降水量超过6 9 1mm(降水频率 2 5%)时,“基本保障”发生频次才能出现较大提升。图4 研究区不同降水年型地下水保障能力发生频次F i g.4 F r e q u e n c yo fFv a l u e i ns t u d ya r e a i nd i f f e r e n tp r e c i p i t a t i o nc o n d i t i o n s 太行冀中平原地下水保障能力在0.2 51.0之间,当降水量小于5 0 4mm时(枯水年、平水偏枯年份),地下水保障能力均为“较低保障”,只有在平水年偏丰年份和丰水年F才有少量年份可增大至0.5以上,但是发生频次依然较低;太行豫北平原地下水保障能力为“基本保障”和“较高保障”,当降水频率大于7 5%时,多数年份为“基本保障”,发生频次为8次,少数年份为“较高保障”,发生频次为3次,在平水年偏枯年、平水年偏丰年和丰水年,频次则以“较高保障”为主,分别为9次、1 4次和1 1次,“基本保障”只082 水土保持通报 第4 3卷有3次、1次和1次。中部鲁北平原地下水保障能力在0.2 51.0之间,枯水年,以“较低保障”为主,发生频次为1 3次,“基本保障”频次只有2次,在平水年偏枯年份和平水年偏丰年份则以“基本保障”为主,发生频次分别为1 3次和7次,而“较低保障”只有2次和4次,降水量增大至6 3 3mm(丰水年)以上时,地下水保障能力均提升至“基本保障”;在中部冀中平原,当降水量小于5 8 6mm时(枯水年、平水年偏枯水年型和平水年偏丰年型),所有年份均为“难以保障”,只有丰水年,才有较少年份为“较低保障”;在中部豫北平原,枯水年,F值在0.2 51.0 0之间,且以“较低保障”为主,发生频次为7次,在平水年偏枯年型,F均 在0.5 01.0 0之 间,当 降 水 量 增 大 至6 5 4mm以上时(平水年偏丰年份和丰水年),仍以“基本保障”为主,但部分年份地下水保障能力可提升至“较高保障”。滨海平原地下水保障能力在0.2 5 1.0 0之间,且在枯水年,以“较低保障”为主,发生频次为9次,“基本保障”发生频次为4次,在平水年偏枯水年型和平水年偏丰年型,则以“基本保障”为主,频次分别为1 0次和1 2次,“较低保障”为2次,当降水量大于6 6 1mm(丰水年)时,地下水保障能力均相应提升至“基本保障”。2.3 降水量对不同区位地下水保障能力变化趋势的影响图5为研究区不同区位地下水保障能力与降水量相关关系图。可以看出,随着降水量增大,不同区位地下水保障能力均呈增大趋势,反之,降水量减少,地下水保障能力则呈减小趋势。降水量每增大1 0 0mm,燕山山前平原F值平均增大0.0 4,太行冀中平原增大0.0 3,太行豫北平原增大0.1 4,中部鲁北平原增大0.0 6,中部冀中平原增大0.0 3,中部豫北平原增大0.0 5,滨海平原增大0.0 8。太行豫北平原F值对降水变化响应最为敏感,其次为滨海平原。图5 研究区降水量与地下水保障能力相关关系F i g.5 R e l a t i o n s h i pb e t w e e n eFv a l u ea n dp r e c i p i t a t i o n i ns t u d ya r e a3 讨 论基于前人研究基础,改进了农业区地下水保障能力评价方法,对比图2与前人研究成果1 0-1 1可以发现,采用公式(1)(2)及表1所计算的多年平均年份下华北农业区地下保障能力与已有研究成果基本一致,说明本文所用计算方法是准确的。由图25可以看出,降水量和降水年型对地下水保障能力影响明显,且不同区位地下水保障能力随降水变化敏感程度也存在显著差异,这是因为农业区地下水保障能力除受降水影响外,还受地下水可开采模数、相对湿度、最高气温、最低气温、风速、日照时数等因素影响。由公式(7)(8)可计算得到地下水保障能力与地下水可开采模数的关联度最高,为0.7 9,其次是降水量、风速、相对湿度、日照时数、最低气温和最高气温,分别为0.7 6,0.7 3,0.7 2,0.7 1,0.7 0和0.6 6,由于研究区不182第4期 王电龙等:降水对华北农业区地下水保障能力的影响同区位地下水可开采模数(图1)及各气象参数均存在明显差异1 8,导致了不同区位地下水保障能力随降水量变化敏感程度亦存在明显不同。4 结 论(1)降水年型对华北农业区地下水保障能力空间分布特征影响明显。在多年平均年份,地下水保障能力以F在0.51.0的“基本保障”分布为主;丰水年,地下水保障能力仍以“基本保障”分布为主,但分布范围进一步扩大至燕山山前平原、太行冀中平原;枯水年,地下水保障能力F以小于0.2 5的“难以保障”分布为主。对枯水年仍为“基本保障”或“较高保障”的区域,如太行豫北平原,可适当扩大灌溉农业规模,以增加粮食产量,保障粮食安全,对丰水年为“较低保障”或“难以保障”的区域,如中部冀中平原,应压减作物种植规模,或调引“客水”,缓解地下水开采压力。(2)降水年型对华北农业区地下水保障能力发生频次影响明显。在燕山山前平原,F值在0.2 51.0 0之间,当降水频率2 5%时,F值在0.5 01.0 0区间的“基本保障”频次大幅增大;在太行冀中平原,当降水频率5 0%时,小部分年份F值可增大至0.5 0以上;在太行豫北平原,当降水频率7 5%时,F大于1.0的“较高保障”频次大幅增加;在中部鲁北平原,当降水频率2 5%时,所有年份F值均相应增大至0.5以上;在中部冀中平原,当降水频率2 5%时,少部分年份F值可超过0.5;在中部豫北平原,当降水频率5 0%时,部分年份地下水保障能力可提升至“较高保障”;在滨海平原,当降水频率2 5%时,所有年份F值均大于0.5。(3)随降水量的增大,地下水保障能力均呈增大趋势,反之,降水量减少,则呈减小趋势,但不同区位对降水量变化敏感程度有很大差异。太行豫北平原F值对降水变化最为敏感,降水量每增大1 0 0mm,F值增大0.1 4,其次为滨海平原。通过关联度分析得到造成区域差异的主要因素为地下水可开采模数不同。致谢:特别感谢太原工业学院环境与安全工程系赵凯、于娇等同学在论文收集资料及数据处理过程中付出的辛勤努力。参考文献1 张光辉,费宇红,刘克岩,等.华北平原农田区地下水开采量对降水变化响应J.水科学进展,2 0 0 6,1 7(1):4 3-4 8.2 张光辉,费宇红,刘春华,等.华北平原灌溉用水强度与地下水承载力适应性状况J.农业工程学报,2 0 1 3,2 9(1):1-1 0.3 M zA,A aA,I bB,e ta l.I m p a c t so fc l i m a t ec h a n g eo nr u n o f f s i nE a s tA z e r b a i j a n,I r a nJ.G l o b a l a n dP l a n e t a r yC h a n g e,2 0 1 1,7 8(3/4):1 3 7-1 4 6.4 G r e e nT R,T a n i g u c h iM,K o o iH,e ta l.B e n e a t ht h es u r f a c eo fg l o b a lc h a n g e:i m p a c t so fc l i m a t ec h a n g eo ng r o u n d w a t e rJ.J o u r n a lo fH y d r o l o g y,2 0 1 1,4 0 5(3/4):5 3 2-5 6 0.5 S e u n gH Y,J i nYC,S a n gH L,e ta l.C l i m a t ec h a n g ei m p a c t so nw a t e r s t o r a g e r e q u i r e m e n t so f a na g r i c u l t u r a lr e s e r v o i rc o n s i d e r i n gc h a n g e s i nl a n du s ea n dr i c eg r o w-i n gs e a s o ni n K o r e aJ.A g r i c u l t u r a lW a t e r M a n a g e-m e n t 2 0 1 3,1 1 7(1):4 3-5 4.6 Z h uX i u f a n g,Z h a oA n z h o u,L iY i z h a n,e ta l.A g r i c u l t u r a li r r i g a t i o nr e q u i r e m e n t su n d e rf u t u r ec l i m a t es c e n a r i o si nC h i n aJ.J o u r n a l o fA r i dL a n d,2 0 1 5,7(2):2 2 4-2 3 7.7 B e k e l eEG,K n a p pHV.W a t e r s h e dm o d e l i n g t oa s s e s s-i n g i m p a c t so fp o t e n t i a l c l i m a t ec h a n g eo nw a t e rs u p p l ya v a i l a b i l i t yJ.W a t e rR e s o u r c e sM a n a g e m e n t,2 0 1 0,2 4(1 3):3 2 9 9-3 3 2 0.8 M o i w oJP,Y a n gY H,L iH L,e ta l.I m p a c to fw a t e rr e s o u r c ee x p l o i t a t i o no nt h eh y d r o l o g ya n dw a t e r s t o r a g ei nB a i y a n g d i a nL a k eJ.H y d r o l o g i c a lp r o c e s s e s,2 0 1 0,2 4(2 1):3 0 2 6-3 0 3 9.9 冯慧敏,张光辉,王电龙,等.近5 0年来石家庄地区地下水流场演变驱动力分析J.水利学报,2 0 1 4,4 5(2):1 8 0-1 8 6.1 0 张光辉,费宇红,王茜,等.灌溉农业地下水保障能力评价方法研究:以黄淮海平原为例J.水利学报,2 0 1 6,4 7(5):6 0 8-6 1 5.1 1 田言亮,张光辉,王茜,等.黄淮海平原灌溉农业对地下水依赖程度与保障能力J.地 球学 报,2 0 1 6,3 7(3):2 5 7-2 6 5.1 2 王电龙,张光辉,冯慧敏,等.华北平原典型井灌区地下水保障能力空间差异J.南水北调与水利科技,2 0 1 5,1 3(4):6 2 2-6 2 5.1 3 刘敏,聂振龙,王金哲,等.华北平原地下水资源承载力模糊综合评价J.水土保持通报,2 0 1 4,3 4(6):3 1 1-3 1 5.1 4 W a n gD a q i n g,X u H a o l i,S h iY u e.T h eg r o u n d w a t e rp o t e n t i a l a s s e s s m e n t s y s t e mb a s e do nc l o u dc o m p u t i n g:ac a s e s t u d y i n i s l a n d s r e g i o nJ.C o m p u t e rC o mm u n i-c a t i o n s,2 0 2 1,1 7 8:8 3-8 7.1 5 任宪韶,户作亮,曹寅白,等.海河流域水资源综合评价M.北京:中国水利水电出版社,2 0 0 7:1 7 0-1 7 5.1 6 刘钰,汪林,倪广恒,等.中国主要作物灌溉需水量空间分布特征J.农业工程学报,2 0 0 9,2 5(1 2):6-1 2.1 7 张光辉,严明疆,田言亮,等.中国主要粮食基地地下水保障能力 与 评 价 理 论 方 法 M.北 京:科 学 出 版 社,2 0 1 8.1 8 王电龙,冯慧敏,张宝忠,等.降水对华北主要粮食作物灌溉需求影响特征J.农业机 械学 报,2 0 2 3,5 4(1):2 9 8-3 0 5.282 水土保持通报 第4 3卷