海河流域井灌区在现状和限水灌溉及休耕模式下浅层地下水动态与粮食产量变化的模拟研究

来源：赛杰奥

（1）针对我国海河流域典型的浅层地下水超采的井灌区——河北省太行山山前平原，就浅层地下水位下降漏斗的发展已经构成了对地下水可持续利用与冬小麦稳定生产的威胁这一实际问题，我们对分布式水文模型SWAT的地下水模块进行了有针对性的修改和补充，使之在能够模拟浅层含水层储水量的时空变化的基础上还能够模拟浅层地下水埋深的时空变化，这是迄今为止对于SWAT模型更好地模拟井灌平原农业水文循环的有益贡献。特别是，这一基于水量平衡原理模拟地下水变化的水文模型不但可以从同一方法论角度充分挖掘和利用我国水文地质界多年积累的丰富的地下水资源评价成果，而且与需要更多和更为复杂的参数及初始与边界条件的非饱和—饱和带的动力学模型相比，SWAT模型多采用水文学的“半定量化”参数，这可以避免若使用动力学模型在本研究区这样大的尺度上所面临的需要获得根系层以下、浅层地下水面以上的非饱和带（又称深包气带）的勘查资料和数据这样棘手的问题，换言之，避免了求取那些现阶段难以确定的深包气带水力学参数的问题。这种运用分布式水文模型开展区域尺度地下水动态与作物产量变化的模拟研究，为其他地区类似问题的研究提供了可资参考的模拟思路和有一定参考价值的实际应用案例。

SWAT模型中地下水模块改进和模型构建及率定与验证过程示意图

（2）河北省太行山山前平原是我国冬小麦的主要产区之一，同时也是井灌超采浅层地下水十分严重的区域。我们所选择的这个既具有重要性又具有独特性的区域是在我国开展浅层地下水可持续利用与冬小麦可持续生产之研究的“最佳”场所，这不仅是由于该区域是中国乃至世界上为数不多的由于冬小麦灌溉对浅层地下水情势已造成区域尺度恶化的野外现场，换言之，是一个由于农业生产活动而使得浅层地下水生态遭到破坏、科学上相当于人类活动干扰下的“物理实验场”，而且也是在我们的模拟时段内我国迄今为止在水文地质、农田水利、水文水资源和作物栽培等领域具有多学科野外长期观测试验数据和勘查资料及评价结果最为丰富的区域。在本研究中，我们充分地利用了多年来通过参与国家在多个领域所资助的相关科研项目而持续积累的丰富的气象、土地利用、土壤、作物栽培和农田灌溉方面的数据及水文地质勘查与水资源特别是地下水资源评价等资料。对这些多源、多尺度的数据资料的收集、整理和融合工作，不仅使得我们有可能充分利用这些宝贵的科学信息而持续深入地开展这项富有挑战性的跨学科的农业水文模拟研究，也使得我们有可能通过这样一个典型案例呈现给读者一个有趣而完整的科学故事。

SWAT模拟中的子流域和水文响应单元的空间位置及模型构建、率定和验证所用的多源数据

（3）在我们对冬小麦生育期的限水灌溉情景进行模拟与评估的过程中，“水-粮”权衡的思想始终贯穿在每一个研究环节，具体包括：冬小麦限水灌溉方案的选择、冬小麦限水灌溉情景的评估和冬小麦限水灌溉模式的优化。特别是在优化环节，分别以模拟时段内浅层地下水位基本保持平稳为约束条件、冬小麦减产幅度最小为目标函数和以冬小麦可容许的减产幅度为约束条件、浅层地下水位下降速度最小为目标函数对灌溉模式进行了优化，就是想探寻出“水-粮”权衡中相对平衡的灌溉模式。在对冬小麦季隔年休耕情景的模拟与评估过程中，考虑到季节性休耕还将有益于减少农业机械燃料和井灌抽水用电所带来的能源消耗，我们进一步地将“水-粮”权衡的研究拓展到“水-粮食-能源”关联性的探讨，并贯穿于季节性休耕模式的模拟、评估和优化等研究环节。从浅层地下水压采、作物产量减少和能源消耗节省及水分生产力与能源生产力变化等角度，我们通过17个定量化指标对不同休耕模式下的“水-粮食-能源”关联性进行了评估，并以模拟时段内浅层地下水位在20年内基本保持平稳且水、能生产力均较现状模式有所提高为约束条件、以冬小麦年均产量最高为目标函数对休耕模式进行了优化，这些都体现了我们力求从“水-粮食-能源”关联性的角度对农田灌溉和休耕的策略进行评价这种在研究思路上颇具创新性与实用性的探索。

冬小麦生育期的三种限水灌溉方案和三种优化灌溉模式下浅层地下水涵养与作物生产之间的权衡

在不同休耕情景下表征“水-粮食-能源”关联性的9个评估指标在研究区尺度的计算结果

（4）我国的政策制定与管理（如水资源管理的“三条红线”）的最小行政单元为县（市）域尺度。因此，本研究将分布式水文模型SWAT在现状灌溉、限水灌溉和休耕模式下子流域尺度的模拟评估结果呈现在县（市）域尺度，给出了大量便于政策制定者参考的、包含着丰富的模拟与评估结果的图件与表格，同时也给出了便于流域管理机构参考的水资源三级区尺度上的部分结果，这些都将为地下水超采的治理、耕地资源休养生息战略的实施、高标准基本农田的建设等工作提供定量化的参考依据和具有一定可行性的方案。特别是在本书附录中，我们还将可以实现浅层地下水“采补平衡”这一压采目标的“优化的灌溉模式”与“优化的休耕模式”在各个县（市）域内详细的种植模式与灌溉方案列表展示，这为地方政府相关管理部门提供了详细的可供比较、选择并具有一定可操作性的两种详细的浅层地下水压采方案，这不仅有益于支撑该区域的地下水可持续利用的科学决策，而且也具有重要的实际应用价值。