三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究_吴镇江.pdf

节水灌溉Water Saving Irrigation三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究吴镇江1，孙青言1，陆垂裕1，秦紫东2，郭辉2，杨晶亮3（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100038；2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080；3.水利部小浪底水利枢纽管理中心，郑州 450099）摘 要：三江平原水稻面积变化及其引发的地下水开发利用活动对当地地下水动态变化产生了严重影响。为明确三江平原地下水补排特征及其存在的问题，基于2000-2014年变化情景下的土地利用构建动态水循环模型，在其他参数和假设不变的情况下，建立逐年的静态水循环模型及预测水文模型，模拟在各土地利用情景和规划水稻种植规模下的水文过程，对比各情景下的地下水通量，探求地下水补排平衡下的水稻种植规模。结果显示：基于动态水循环现状模型分析，三江平原地下水超采严重，年均地下水蓄变量为-3.13 亿m3；对现状水资源配置格局下各静态土地利用模型对比，在2005年的水稻种植规模下，年均地下水蓄变量为-0.25 亿m3，实现了地下水补排平衡；建立在水资源配置新格局下的预测模型，对各子流域中的水稻面积同比放大，确定在水稻种植规模为304.1 万hm2时，地下水年均蓄变量为-0.84 亿m3，三江平原实现了地下水补排平衡。关键词：土地利用变化；水量平衡；适宜水稻面积；MODCYCLE；三江平原；地下水采补平衡；水稻种植规模中图分类号：S271；P641 文献标识码：A DOI：10.12396/jsgg.2022232吴镇江，孙青言，陆垂裕，等.三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究 J.节水灌溉，2023（3）：9-16.DOI：10.12396/jsgg.2022232.WU Z J，SUN Q Y，LU C Y，et al.Study on the suitable rice planting scale based on the balance of groundwater replenishment and drainage in Sanjiang Plain J.Water Saving Irrigation，2023（3）：9-16.DOI：10.12396/jsgg.2022232.Study on the Suitable Rice Planting Scale Based on the Balance of Groundwater Replenishment and Drainage in Sanjiang PlainWU Zhen-jiang1，SUN Qing-yan1，LU Chui-yu1，QIN Zi-dong2，GUO Hui2，YANG Jing-liang3（1.State Key Laboratory of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin，China Institute of Water Resources and Hydropower Research，Beijing 100038，China；2.Heilongjiang Provincial Water Conservancy and Hydroelectric Power Investigation，Design and Research Institute，Harbin 150080，China；3.Xiaolangdi Project Construction and Management Center，MWR，Zhengzhou 450099，China）Abstract：The change of rice area and the groundwater development and utilization activities in Sanjiang Plain have a serious impact on the local groundwater dynamics.In order to clarify the characteristics of groundwater recharge and drainage and the existing problems in the Sanjiang Plain,a dynamic water cycle model was built based on the land use under the changing scenarios from 2000 to 2014.With other 文章编号：1007-4929（2023）03-0009-08收稿日期：2022-09-06基金项目：黑龙江省应用技术研究与开发计划资助项目（GA19C005）；黑龙江省重点研发计划项目（JD22B001）；流域水循环模拟与调控国家重点实验室自主研究课题（SKL2022ZD02）。作者简介：吴镇江(1998-)，男，硕士研究生，主要从事水文模拟及地下水方面研究。E-mail:。通讯作者：孙青言(1984-)，男，正高级工程师，主要从事水文模拟及地下水方面研究。E-mail:。9三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究 吴镇江 孙青言 陆垂裕 等parameters and assumptions unchanged,a year by year static water cycle model and a prediction hydrological model were established to simulate the hydrological process under various land use scenarios and planned rice planting scale,to compared the groundwater flux under various scenarios,and to explore the rice planting scale under the balance of groundwater recharge and drainage.The results showed that based on the analysis of the status quo model of dynamic water cycle,the groundwater overdraft in Sanjiang Plain was serious,and the annual groundwater storage variable was-313 million m3;Comparing various static land use models under the current water resource allocation pattern,under the rice planting scale in 2005,the annual average groundwater storage variable was-0.25 billion m3,realizing the balance of groundwater recharge and discharge;The prediction model was established under the new pattern of water resources allocation,and the rice area in each sub basin was enlarged on a year-on-year basis.It was determined that when the rice planting scale was 3.041 million hm2,the annual average groundwater storage variable was-0.84 billion m3,and the Sanjiang Plain has achieved the balance of groundwater recharge and discharge.Key words：land use change；water balance；suitable rice area；MODCYCLE；Sanjiang Plain；balance of groundwater exploitation and replenishment；rice planting scale0引 言三江平原是我国重要的粮食生产基地，其水稻种植面积占全区耕地面积的55%左右1。20世纪90年代以来，随着水稻种植规模的增加，地下水开采量急剧增加，形成了局部范围的地下水降落漏斗2。因此，掌握三江平原地下水动态变化规律及其影响因子对该地区水稻种植规模规划有重要的指导意义。目前适宜水稻种植规模的评价方法较为多元化，主要包括：计算地下水可开采模数和农业需水量3,4；建立 GIS 和DNDC模型估算作物耗水量5；建立模拟分析数学模型6；建立以线性规划为基础、以灌溉效益最大化为目标的优化模型7；对生态需水约束计算8；通过多标准评估（MCE）和GIS技术分析土地适宜性9 规划适宜的水稻种植规模。很多学者也针对三江平原开展了适宜水稻种植规模研究，王韶华等3通过对地下水可开采模数和农业需水量进行分析评价，在考虑了三江平原环境用水的前提下分析了适宜水稻种植的面积；刘伟等10通过时间序列模型建立了三江平原597农场的地下水埋深预测模型，为597农场和整个三江平原的井灌水稻提供了决策依据；付强等11建立了非平稳时序模型，运用随机过程模拟三江平原创业农场井灌水稻的地下水动态变化，对三江平原的适宜井灌水稻规模做出规划。然而，影响地下水补排平衡的因素除了水稻种植规模，还有降水、地表水等其他水文过程12,13，如果仅进行地下水模拟难以精确反映其他因素对地下水采补平衡的影响，可能使水稻种植规模的确定不够准确。因此本文以与地下水紧密耦合的综合性水文模型 MODCYCLE14,15为工具，从降水-土壤水-地表水-地下水各环节开展水稻种植规模变化对地下水补排关系的影响分析，为三江平原的水资源调配和种植结构调控提供参考。1研究区域概况三江平原位于黑龙江省东北部，是黑龙江、松花江与乌苏里江汇流的三角地带（见图1）。由于该地区在气候、水文、地形地貌、农业管理等方面的相似性，一般将其作为整体，单独进行水资源管理和水循环研究。三江平原土地总面积约10.9 万km2，其中平原区面积占三江平原总面积的52.8%，是三江平原人类社会活动的主要区域1,16。三江平原土地利用类型较为复杂，受人类活动的影响，不同土地利用类型间存在明显的相互转化，其中2000-2014年间水稻变化最为剧烈，占区域总面积的比重从9.0%增加到22.8%2,17（图2），致使地下水降落漏斗扩大，对地下水的影响逐年加剧。2研究方法2.1技术思路利用2000、2005、2010、2014年的土地利用数据（见图3），对 2000-2014年内缺失土地利用数据的年份进行线性插值，构建基于动态土地利用模式的三江平原现状水循环模型，通过率定和验证18，实现了对于现状水循环过程的近似模拟。利用该模型，开展现状水稻种植规模下三江平原地下水的采补平衡分析。现状年地下水处于超采状态，说明当前水稻种植面积并非三江平原的适宜水稻种植规模。基于现状水循环模型，利用模拟期内每年的土地利用数据（包括插值获得的土地利用数据）分别建立对应的静态土地利用模式的水循环图1三江平原概况Fig.1Overview of Sanjiang Plain10三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究 吴镇江 孙青言 陆垂裕 等模型，通过对比模型模拟的地下水水量平衡结果，确定现状