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农业活动对区域地下水变化影响研究

刘中培  
【摘要】: 石家庄地区是华北平原耗用地下水支撑农业高产,同时浅层地下水超采较为严峻的典型地区,所以,本项研究选择该区作为重点研究区。农业灌溉驱动地下水开采量不断增大是石家庄平原区浅层地下水急剧变化的主导影响因素。选择合适的农田要素识别和诊断农业活动对地下水变化影响状况,对于缓解农业生产与地下水劣变情势之间的矛盾,促进区域地下水资源合理利用和涵养具有重要意义。 本项研究的目标:通过研究降水变化和农业生产规模不断扩大条件下降水量、农业区地下水开采量和地下水位三者互动关系,识别影响区域地下水变化的农田活动中关键要素,进而揭示农田要素变化对区域地下水的影响特征、机制和现状;然后,针对区域地下水承载力和农业发展状况,对农业活动影响区域地下水变化状况进行诊断分析,提出相应对策。 基于上述目标,以石家庄平原区作为重点研究区,围绕如下三个方面开展重点研究:(1)农业区降水量、开采量变化对地下水位埋深的影响特征与机制;(2)农田要素变化对农业区地下水开采量及其水位影响特征与机制;(3)对农业活动影响区域地下水变化状况进行诊断分析。 本项研究以系统理论为指导,以地学统计方法为主,定性诊断(分析)与定量识别(评判)相结合。首先,研究了石家庄平原区降水特征及其与农业生产之间的适应性,然后,根据区内降水量和开采量变化过程及特征,研究了它们变化对地下水位埋深的影响状况和机制。之后选择种植结构、种植面积和作物产量等,识别农田要素对地下水变化影响的主要因子,以及其影响特征和机制。在此基础上,对农业活动影响区域地下水变化状况进行诊断分析。(1)研究区降水高度集中,在主要耗水作物小麦的生育期内,降水量不足全年的20%,不能满足作物需水要求,该时期降水量与农业生产需水量之间明显不适应。这种不适应状况决定了每年需要开采大量地下水进行灌溉,由此,加剧了地下水超采情势。不过近50年来3-5月份的年代平均降水量总体呈递增趋势,在一定程度上减缓了地下水超采加剧态势。(2)降水量变化不仅影响地下水补给量大小而且还驱动农业开采量增减,叠加影响地下水动态变化。在丰水年,降水入渗补给促使地下水位明显上升或下降幅度显著减缓,同时,农业开采量随着有效降水量增加而减小,降低了开采导致地下水位下降的幅度;在枯水年,由于自然降水供给作物生长的有效水量明显变小,驱动农业开采量增大,进而加剧了地下水位下降幅度。农业活动对地下水影响强度呈现每年雨季前的1-5月份较强、6-12月份较弱的规律,其中每年3月份影响最为强烈,1990-2006年多年平均下降幅度1.005m;每年10月份影响最弱,多年平均下降幅度0.876m。(3)农业开采量已成为区域地下水位不断下降的主导因素。石家庄地区是我国重要的粮食高产区,农业用水量占总用水量的80%左右,地下水占总供水量的80%以上。近30年来(1975-2005)该区水浇地面积以12.1万亩/年扩大,开采井数从1975年的6.75万眼,增至2005年的19.29万眼。(4)农业开采量变化对区域地下水影响呈强化趋势,农田要素变化对区域地下水影响呈弱化趋势。在1982年之前,地下水位与农业开采量之间呈缓型线性正相关;自1982年以来,由于降水量不断减小,地下水位随农业开采量增大而下降的速率远大于1982年前的速率。1956-1981年期间随着耗水作物种植面积和粮食、蔬菜产量的改变,区内农业开采量呈线性相关响应变化,即耗水作物种植面积扩大、产量增加,农业开采量显著增大;自1982年以来,农业开采量变化与耗水作物种植面积和粮食、蔬菜产量之间线性正相关性明显弱化,即随着耗水作物种植面积扩大、产量增加,农业开采量增大的幅度明显变小,这与农业节水增产技术应用及其水平不断提高密切相关。 (5)应用投影寻踪数理方法与MapGIS技术相结合对农田要素影响地下水状况进行了诊断分析,其结果可为农业种植结构调整提供重要科学依据。


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