降水对华北农业区地下水保障能力的影响.pdf
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1、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),
2、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
3、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
4、。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)
5、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X
6、k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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、“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
12、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08
13、2 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,
14、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
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