地下水的超采对农业灌溉和环境的影响及其对策

地下水的超采对农业灌溉和环境的影响及其对策张蔚榛张瑜芳（武汉大学水利水电学院）开源节流是节水灌溉的重要措施，采用井渠结合利用地下水进行灌溉是开源的重要途径。陕西泾惠渠灌区、河南人民胜利渠灌区采取井渠结合，开发利用地下水，提高了灌溉水的利用率，发挥了节水效果。甘肃的石羊河流域和新疆天山北坡灌区采用井灌井排，不仅对解决水资源紧缺、提高灌溉保证率、降低地下水位，起到了控制土壤盐渍化的效果,对农业增产和发展地区经济也发挥重要作用。但目前北方一些灌区，由于地下水的过量开采，也出现了水位持续下降等一系列生态环境问题。特别是西北灌区降水稀少，蒸发强烈，地下水的补给较少，且相当一部分还要消耗于非耕地的蒸发，维持天然植被的存活。在缺乏排水的条件下灌区内部长期使用含盐的地下水进行灌溉，使地下水矿化度增加，土壤盐渍化加剧，灌区边缘天然植被退化，沙丘向灌区推进。必须采取有效措施严格控制地下水超采，保护生态环境。由于一些灌区对地下水的可采资源量估计过高，目前地下水超采仍有进一步发展的趋势。下面将讨论地下水超采的判别方法，地下水超采的现状，超采对灌区和环境的影响，以及应采取的对策。一．判别地区或灌区地下水超采的方法为了判别流域或地区地下水是否超采，常用的办法有以下几种：1．根据流域和或地区地下水动态观测资料判断地下水是否超采和地下水的超采量的方法。在年内和一定的时期内，地下水位可能由于气象条件的变化而发生一定的波动，这是正常的现象，但如果地下水位持续下降，时段末地下水的埋深超过了时段初的平均埋深，这就表明地下水发生超采。时段初和时段末地下水储存量的差值即是地下水的超采量。在有长期的地区或灌区地下水动态观测资料的条件下，利用地下水位的变化资料判别地下水是否超采是最确切的、也是最直接的方法。这种方法既适用于流域和地区，也可用于灌区。例如，截止1998年海河流域深、浅层地下水超采面积已达到8.9万km2,其中浅层地下水超采区面积4.4万km2,深层承压地下水超采区面积5.6万km2。与50年代相比，全流域已累计消耗地下水储量896亿m3，其中浅层地下水471亿m3，深层水425亿m3。海河流域年平均超采65.3亿m3,其中浅层地下水24.2亿m3，深层水41.1亿m3。2．利用地下水可开采量和地下水的开采系数判别地下水超采1）地下水可采量地下水可开采量是地下水补给量（地下水资源量）中通过水井开采可以利用的那部分水量，习惯上常将地下水补给量乘以开采系数求得地下水可采量。湿润地区或半干旱半湿润地区，灌区地下水的补给一方面来自降雨入渗，另一方面来自地表水的转化（河道、水库、湖泊、和渠道的渗漏，以及田间灌溉水的渗漏转化为地下水），因此，地下水的可采系数可以达到较高的数值（有时可达0.7~0.9）。干旱地区降水量稀少，地下水的补给量大部来自地表水的转化，且有相当一部分消耗于农田和非耕地天然植被的腾发，因而地下水的可采系数应远小于半湿润地区，并在很大程度上决定于地表水的利用条件。由于水利工程的建设、渠道防渗和田间节水技术的推广，都会严重影响地表水对地下水的补给，因此，一个地区地下水可采资源量不是一个固定不变的数量，而是一个随水利条件的改善、灌区的改建、节水措施的实施等地表水的开发利用情况变化的数值。由于地下水可采系数是一个任意性很大的经验系数，华北地区在大量实际资料基础上求得的可开采系数经验值比较可靠，西北地区资料较少，一些地区借用华北地区经验可采系数估算地下水的可开采量，显著偏高。2）开采系数开采系数是地下水的实际开采量与地下水可开采量的比值。在地区的多年平均地下水开采量超过了该地区地下水可开采量（可开采系数大于1），并造成了地下水位持续下降时，即表明该区地下水超采。在《全国地下水资源开发利用规划》中规定，在超采区范围内出现：开采系数大于1.2、年平均地下水位下降速率大于1.5m、年地面沉降速率大于10mm或发生了海水入侵或荒漠化等现象之一者即为严重超采。地下水补给量的计算牵涉到多种因素，可开采系数选择又有很大的任意性，一些地区估算的地下水可采量往往过高，根据偏高的可开采量计算的开采系数过低，不能及时发现地下水的超采和采取防止超采的有效措施。只有在地区可采系数或可采量比较可靠的情况下，才可以采用这种方法确切地判别地下水的超采和计算地下水的超采量。例如，根据国家”七五”重点攻关资料,河北省多年平均小于2g/l的浅层地下水可采资源量为91.68亿m3,小于2g/l的深层承压水量为8.6亿m3。根据水资源公报资料，1994-1999年期间河北省地下水资源开采状况如表1所示。自表1可见1994-1999年6年间浅层和深层地下水开采量累计超出多年平均可采量335.62亿m3,累计超出平原浅层资源量和深层资源量555.3亿m3。3．利用水资源开发利用率、耗用率和地下水开采量与地表水供水量比判断地下水超采1）水资源的开发利用率灌区水资源总量是指扣除地表水资源量与地下水补给之间重复量之后的地表水资源和地下水补给量的总和。一个灌区真正可以消耗利用的水量不能超过这个总量。灌区地表水和地下水供水量的总和与水资源总量的比值即为水资源的开发利用率。由于进入灌区的地表引水量和地下水开采量并非全部为用水部门消耗利用，其中一部分水量将作为地表退水重新回到灌溉渠系或进入排水系统，泻入河流或湖泊水库，一部分将通过深层渗漏补给地下水。这些地表水和地下水还可以被重复利用于灌溉和其他用水部门。因此，水资源的开发利用率只能表示水资源总量的的开发利用程度，并不能说明水资源消耗的程度。表1.1994-1999年期间河北省地下水资源开采状况表年份降雨(mm)浅层地下水资源量(亿m3)深层承压水量(亿m3)多年平均资源当年资源量开采量剩余或超采量资源量开采量剩余或超采量199458591.6887.00110.22-18.54**(-23.22)9.8037.26-28.54199563491.6893.00109.10-17.42(-16.10)9.8034.64-24.36199660191.6893.20111.28-19.609.8033.16-23.36(-17.92)199736591.6846.68127.06-35.38(-81.38)9.8037.94-28.141998537.191.6869.86133.32-41.64(-63.46)9.8036.69-26.891999376.991.6841.41128.21-36.53(-86.80)9.8045.02-35.22近6年平均516.9(多年均值541.0)91.6871.85119.86*-169.11**-388.89.8037.45*-166.51*近6年累计超出多年平均值91.68亿m3的超采量**近6年累计超出当年平原区资源量的超采量3）水资源的耗用率灌区各行业地表水和地下水耗（用）水量的总和（各用水部门，不包括生态耗水）与水资源总量的比值即为社会经济对水资源的耗用率。它反映灌区社会经济对水资源消耗利用的程度，水资源耗用率大于1说明社会经济用水不仅已将水资源总量耗尽，而且正在挪用非耕地的生态用水和动用地下水的储存量。4）灌区地下水与地表水供水比地下水可采资源量与地下水补给量的比值，即通常的地下水可采系数，在已知地下水补给量的情况下乘以可采系数就可以确定地下水可采量。但地下水补给量的确定需要通过复杂的计算。西北干旱地区降雨稀少，地下水的补给主要来自地表水灌溉入渗，地下水的可供水量应主要决定于地表水供水量。半干旱半湿润地区，虽有一定的降雨补给，但灌溉的地表水仍是地下水补给的重要来源。由于地表水供水量是灌区规划和管理的基本数据，因此，可以利用灌区内地下水与地表水供水量的比值来近似地确定灌区地下水可供水量和作为反映地下水开采程度是否适当的参考指标。灌区地下水与地表水供水必须采用适当的比例，除保证耕地农作物用水要求外，也需要使周边非耕地保持适当的地下水埋深，以维持天然植被的存活。为了灌区的持续发展，还需要满足地下水采补平衡，盐分排补平衡的要求，既要避免地下水超采，水位下降，又要防止地下水位过高，造成灌区土壤积盐。我国北方地区，气象、土地利用和水文地质条件有很大差异，特别是降雨量和土地利用条件差别很大。例如,陕西关中灌区年平均降雨在540mm左右，土地利用系数也比较高；宁蒙河套地区、河西走廊、青海和新疆北疆的一些地区降雨在130mm～200mm，而新疆南疆的大部地区年降雨均在50mm以下，蒸发强烈，土地利用系数也较低，各地地下水补给排泄条件也有很大差异，因此，各地适宜的地下水开采量与地表引水量的比例也应是不同的，应根据各地的具体条件确定。地下水灌水量与地表水灌水量的适宜比例，一方面决定于降雨量与蒸发量和作物的需水量，另一方面也决定于土地利用系数和水文地质条件。根据地处半干旱半湿润地区的陕西泾惠渠灌区和河南人民胜利渠引黄灌区井渠结合的实际资料，在降雨量平均540mm的情况下,地下与地表用水量比在0.40～0.60左右可能是比较适当的.。西北干旱地区生态环境脆弱,降雨稀少,蒸发强烈，在缺乏人工灌溉的条件下,天然植被主要靠地下水对根层补给的水量而存活。如地下水缺乏天然补给，地下水位将由于植被和土壤蒸散发消耗而下降。随着地下水位的下降，天然植被吸取不到生存所需要的水分将逐渐衰亡，在天然植被减少到一定程度后，将导致土地的荒漠化。为了保持灌区和周边地区的生态平衡，灌区采用的地下水与地表水用水比例除满足耕地的水资源供需平衡外，还必须满足生态需水和天然植被对地下水位的要求。在缺乏侧向补给条件的干旱地区，灌区可利用的地下水量与渠灌水量之比应小于半干旱半湿润地区。新疆天山北坡降雨量在150mm-200mm以下的地区，在缺乏侧向地下水补给，且采取一定的渠道防渗等节水措施的条件下，灌区内井灌与渠灌用水量比一般估计可能应在0.20～0.25以下。北疆的伊犁河、额尔齐斯河灌区降雨在250-450mm之间，高于天山北坡，低于陕西的关中平原，地下水与地表水供水量的比值估计可能在0.25-0.30左右。新疆的东疆和南疆，降水量在20-50mm以下的灌区内部地下水与地表水灌溉用水量比一般估计可能应在0.10～0.15以下。地下水与地表水供水量的比值超过一定的数量即表明地下水已经超采，正在动用地下水的储存量，并对生态环境产生一定的影响。在缺乏地下水动态观测资料的地区可以根据水资源开发利用率、耗用率和地下水开采量与地表水供水量比判断地下水超采。例如，河西走廊石羊河流域水资源总量为17.5亿m3,近年来年平均地表水和地下水供水总量为26.63亿m3,(其中地表水供水量13.95亿m3,地下水供水量12.68亿m3)耗水总量为17.90亿m3,水资源的开发利用率为1.73,水资源的耗用率为1.03,地下水开采量与地表水供水量比为0.908。流域水资源开发利用的总量已达到水资源总量的1.73倍，消耗的水资源总量达到水资源总量的1.03倍，表明社会经济用水不仅已将水资源总量耗尽，而且正在通过地下水的超采，挪用非耕地的生态用水和动用地下水的储存量。根据1998~2000年资料，武威地区供水量与水资源总量比1.81.~2.26，耗水量与水资源总量比也已达到1.18~154,地下水开采量与地表水供水量比已达到0.922~1.191。表明武威地区在石羊河流域中水资源的开发程度更高，地下水超采更加严重。武威市的民勤县共有三个较大灌区，环河灌区、昌宁灌区和红崖山灌区。环河灌区和昌宁灌区均为纯井灌区。红崖山灌区又分为坝区泉山和湖区两个灌区。红崖山灌区位于石羊河最下游的民勤县绿洲带中，南与武威市凉州区接壤，东西北三面被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围，属典型大陆温带干旱气候，风多沙大，降雨稀少。上游的地下水侧向补给已被位于灌区上部的环河和昌宁两纯井灌区利用，红崖山灌区可利用的水资源总量仅为地表引水量。根据1999-2000年灌区灌溉面积和水资源开发利用资料，见表2，全灌区和坝区泉山、湖区两分灌区水资源利用率分别为7.524~8.096、12.87~13.00、和3.59~4.30，地下水开采量与