运用SWAT模型评估海河平原井灌限采条件下浅层地下水动态与粮食产量变化

Groundwater overdraft due to extensive irrigation has led to a shallow aquifer depletion crisis in the Haihe River basin. The shallow groundwater table in large well-irrigation area in this basin is declining continuously. The piedmont plain of Taihang Mountains in Hebei province, which is located in the Haihe River basin, is a typical shallow groundwater overexploited region. This study would focus on this well-irrigated plain to solve the dilemma between groundwater depletion and crop production demand. A modified Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model would be used to conduct simulations under different limited irrigation schemes for winter wheat. By comparing the shallow groundwater dynamics, crop yields, crop water productivities, soil water and groundwater balances under different scenarios, the effects of different limited irrigation schemes would be assessed quantitatively. Considering the trade-off between shallow groundwater conservation and crop production, the optimal irrigation schedule that could minimize winter wheat yield loss under the constraint of stopping groundwater drawdown, and the optimal irrigation schedule that could minimize shallow groundwater depletion under the constraint of restricting crop yield reduction would be explored in each subbasin. The results should provide a quantitative reference for the groundwater management policies aimed at limited irrigation schedule for winter wheat to this well-irrigated plain.

高强度农业灌溉导致海河流域井灌区已经大范围出现浅层地下水位持续下降、含水层储水量持续消耗等生态环境问题。本项目以该流域内典型的浅层地下水超采区——河北省太行山山前平原为研究区，拟应用改进了地下水模块的分布式水文模型SWAT，对冬小麦不同的限水灌溉方案进行模拟研究，对比和分析多种限水灌溉情景下该区域的浅层地下水动态、作物产量和水分生产力的变化及土壤水和地下水的均衡态势，进而评估这些限水灌溉方案对浅层地下水压采与农田节水的效应。并从权衡地下水涵养与粮食生产的角度，分别以浅层地下水位不再继续下降为约束条件、冬小麦减产幅度最小为目标函数和以冬小麦适度减产为约束条件、浅层地下水位下降程度最小为目标函数，优化各子流域在冬小麦生育期不同降水水平下的灌溉方案之组合，获得可供推荐的冬小麦生育期的优化灌溉模式。研究结果将为这个亟需实施地下水压采措施的井灌平原在实施不同的冬小麦限水灌溉方案时提供决策依据。

河北省太行山山前平原浅层地下水位持续下降，问题十分突出，然而，该区域又是我国优质冬小麦的重要产区。针对该区域由于浅层地下水多年超采所导致的含水层面临疏干的严峻形势，本项目运用土壤和水评价工具（Soil and Water Assessment Tool，SWAT）这一分布式水文模型，就冬小麦生育期限水灌溉方案下浅层地下水涵养与冬小麦生产之间的权衡进行了定量化研究。此外，还针对另一潜在的压采措施—季节性休耕模式进行了模拟分析，基于“水−粮食−能源”的关联性评估了冬小麦季隔年休耕模式（亦即：冬小麦−夏玉米→夏玉米两年三熟制）下的节水压采效应。研究结果表明：在冬小麦生育期限水灌溉模式下，若要实现浅层地下水的采补平衡，冬小麦最少也要减产约42%；若将“以水为约束”换为“以粮为约束”，在冬小麦减产幅度不超过20%～30%的约束条件下、以浅层地下水位下降速度最小为目标函数，河北省太行山山前平原井灌所用浅层地下水每年仍超采 3.7～7.8 亿m3，浅层地下水位持续下降的情势将难以得到控制。在冬小麦季隔年休耕模式下，为实现浅层地下水的采补平衡，还需要在河北省太行山山前平原大约 90% 的井灌耕地上实施冬小麦非休耕季的“春浇两水”或“春浇一水”的限水灌溉方案，并在夏玉米生育期只采用“雨养”。这就意味着，优化的休耕模式需要在减少冬小麦种植年限（亦即：“减种”）的同时，还要减少灌水次数（亦即：“减灌”），才能达到浅层地下水位不再继续下降的压采效果，而这种模式下冬小麦年均单产的最小减产率约为55%。我们还讨论了“春浇一水”这种较易推广的限水灌溉模式在不同灌溉定额下的压采效果，结果表明可在研究区大约70%的面积上实现浅层地下水采补平衡，冬小麦最小减产率约为40%。而休耕模式因涉及劳动力等更加复杂的社会因素，适宜首先在邯郸、邢台等城市周边进行探索。本项目研究结果可为该井灌平原当前所需的兼顾冬小麦适度生产与浅层地下水限制开采提供科学决策和管理的参考依据。

内容获取失败，请点击重试