降水、农业活动与地下水关系研究
在区域水循环转化关系中，降水是水循环的基础，各类水资源均是由降水量转化形成或由降水所派生（刘昌明等，1989），因此，作为地下水直接或间接的补给来源，降水在区域地下水变化过程中是重要的影响因素；同时，降水的多少及分布影响农田灌溉量的大小，而农田灌溉量影响地下水的开采量，因此，降水对地下水的影响具有直接作用和间接作用两种方式。研究降水、农业活动、地下水之间的关系对于将来有效控制地下水下降、调整农业用水结构、采取农业节水措施、制定农业长期用水战略具有重要意义（杨永辉等，2001）。在抽取地下水作为灌溉水源的农业区，降水量的多少以及农业开采量的多少成为区域地下水位变化的主要影响因子。张光辉以京津以南河北平原区作为研究区，解析了农业开采量和地下水补给量及其水位的动态变化规律，指出开采量与降水量之间存在两极互逆效应，即年降水量较少时，地下水补给量降低，而农业开采量增大，两者从源、汇两个方向加剧地下水系统水量负均衡态势，导致地下水位下降或下降幅度增大；年降水量较大时，情况相反，两者从源、汇两个方向加大地下水系统水量正均衡态势，导致地下水位上升或下降幅度减缓（张光辉等，2006）。贾金生（2002）以栾城县为例指出一般情况下农作物产量与需水量成正比，即产量愈高，需水量愈大，并以1974～2000年资料，绘制了粮食产量和平均地下水位关系的“X型”曲线。在降水、农业开采量及地下水之间关系的量化方法研究上，目前多采用回归分析法。张永强等（2001）分析了太行山山前平原地区地下水位变动过程，发现年降水量与年地下水位下降速率呈高度线性相关，并且相关系数较大，年降水量每增加100mm，则地下水位可回升0.66m。张光辉等（2003）指出近40年以来，海河流域降水量减少，引起了该流域山区地下水资源量减少了6.2%，平原区减少了18.4%。郭长城等（2004）研究了栾城县种植结构对地下水开采量的影响，指出冬小麦、夏玉米种植面积每增加10%，年灌溉需水量就要增加300～350m3/hm2。刘志国等（2007）利用110个观测井地下水位埋深的平均值，分别与人口、灌溉面积、供水量、城镇生活用水量、降水、地下水供水量等对地下水水位有较大影响的因子进行相关分析。贾金生等（2002）选择降雨量的减少、农业产量的大幅度提高、种植结构的变化以及上游水利工程的修建作为主要影响因子，分析了其对地下水位下降的影响；并利用Visual Modflow软件模拟了农业灌溉开采地下水量增加减少情况下地下水位的响应情况。
农业活动对地下水流场影响分析
农业开采地下水量的多少与灌溉农业生产规模(产量、播种面积等)密切相关。在以地下水作为主要灌溉水源的地区，粮食产量的持续增加，必然会引起地下水开采量的增大，当开采量大于地下水可开采量时便会导致地下水位不断下降。由图6-29可以看出，近50年来研究区粮食产量呈持续增加趋势，其中1961～2000年增长速率最快，年平均增长11.5万t，2000年以后有所减缓；蔬菜产量在1990年以前较小，增长速率亦不快，1990年以后，产量开始大幅度增加，年平均增长78.9万 t，2005年以后增长速率有所减缓。图6-29 近50年蔬菜产量增长趋势(据河北省统计局，2009)从图6-30可以看出，随着蔬菜产量的增加，地下水位以对数函数形式呈增加趋势。粮食产量对地下水位亦有较大影响，由图6-31 a可以看出，随着粮食产量的增加，地下水位以指数函数形式呈增加趋势，且在不同年代粮食产量对地下水位的影响程度有所不同。在天然流场和超采初期(20世纪80年代以前)，在粮食作物灌溉水源中，地表水占很大比例，地下水超采量不大(1974年开始超采)，随着粮食产量的增加，地下水位下降幅度较小，为-0.3m/10万t(图6-31b)。在漏斗形成阶段，受气候干旱和人类活动影响，地表水资源日益枯竭，粮食作物灌溉水源主要以地下水为主，占灌溉总水量的80%以上，随着粮食产量的增加，地下水超采量不断大幅增大，地下水位异变幅度亦不断加剧，从图6-31c可以看出，粮食产量每增加10万t，地下水位平均埋深下降0.5m；在严重超采和压采严管阶段，粮食产量对地下水位的影响更加显著，粮食产量每增加10万t，地下水位下降1.3m(图6-31d)。图6-30 蔬菜产量对地下水位的影响回归方程通过α=0.01显著水平的F检验(F值为374.29)图6-31 粮食产量对地下水位的影响回归方程均通过α=0.01显著水平的F检验(F值分别为447、18.81、72.05和15.65)a—总体趋势；b—1980年以前(天然和超采初期)；c—1981～1995年(漏斗形成阶段)；d—1995年以后(严重超采和压采严管阶段)
灌区主要作物灌溉需水量
作物灌溉需水量指通过灌溉补充的士壤原有储水量和有效降水量不能满足作物蒸发蒸腾、冲洗盐碱以及其他方面要求的水量（陕西省水利水士保持厅，1992）。对于旱地作物，灌溉需水量等于作物蒸发蒸腾量加上创造良好农田生态环境所必需的冲洗压盐水量，减去有效降水量、地下水补给量和生长期内的士壤水分利用量（段家旺等，2004）。如果不要求盐碱化冲洗和地下水补给量忽略时，作物全生育期的灌溉需水量近似等于作物蒸发蒸腾量减去有效降水量。因此，作物需水量是灌溉需水量研究的重要组成部分。一、作物系数Kc的确定作物系数指作物不同生育期中需水量与可能蒸散量之比值。作物系数Kc是农作物本身生物学特性的反映，它与作物的种类、品种、生育期、群体叶面积指数等因素密切相关（陈玉民等，1995）。根据各月田间实测需水量和利用同一时段的气象因素计算的参考作物需水量来计算，即灌区农业节水对地下水空间分布影响及模拟式中：Kc为作物系数；ET0为参考作物腾发量；ETc为作物需水量。作物系数的准确性很大程度上取决于实测作物需水量的精度，根据灌区灌溉试验站历年的实测需水量资料分析，经筛选之后得出灌区冬小麦、夏玉米等4种主要作物历年各月Kci和全生育期总Kc，然后进行算术平均，得出历年平均各月的作物系数和历年平均全生育期总作物系数，其结果见表4-1。表4-1 泾惠渠灌区历年平均作物系数Kc值 Table4-1 past years average crop coefficient Kcvalues in Jinghui Canal Irrigation District（据陈玉民等，1995）二、参考作物需水量ET0计算公式参考作物蒸发蒸腾量（ET0）采用彭曼-蒙蒂斯（penman-Monteith）方法计算，彭曼-蒙蒂斯公式是联合国粮农组织（FAO，1998）提出的最新修正彭曼公式，并已被广泛应用且已证实具有较高精度及可使用性（阮本清等，2007）。该公式以及计算中需要的参数如表4-2所示。表4-2 彭曼公式各参数项的确定 Table4-2 Each parameter definition of penman三、参考作物需水量ET0影响因字分析根据灌区1950～2005年气象资料，采用通径分析原理分析研究泾惠渠灌区ET0主要气象影响因素，主要气象因子包括：最高气温（X1）、最低气温（X2）、平均气温（X3）、相对湿度（X4）、风速（X5）和日照时数（X6）等（表4-3）。通径分析理论于1921年由SewallWrixht提出，并经遗传和统计工作者不断发展完善，已证明在几乎所有的相关变数系统中作因果分析都是有效的（蔡甲冰等，2008；赵伟霞等，2009）。这一理论广泛应用于各个领域，为解决许多复杂的相关分析问题提供了一个简捷而灵活的方法。通过通径系数绝对值的大小，直接比较各自变量在回归方程中的重要作用，对于一个多变量的系统中抓住关键因子，改变依变量的反应量具有很好的实用价值（郑健等，2009；蔡甲冰等，2011）。在多变量的研究中，通径分析比相关分析更加全面，更加细腻。表4-3 泾惠渠灌区气象因子与参考作物需水量的通径分析 Table4-3 path Analysis between meteorological factors and ET0-pM in Jinghui Canal Irrigation District注：Xi（i＝1，2，3，4，5，6）分别为最高气温、最低气温、平均气温、相对湿度、风速和日照时数。从表4-3中可知，灌区各气象因子对参考ET0都有不同程度的影响，根据各气象因子对ET0的直接作用和间接作用分析，最高气温、最低气温及平均气温对ET0的影响明显比其他气象因子影响作用大。最高气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为2.1012和-1.4676；最低气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为7.7622和-7.1028；平均气温对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为-8.7018 和-8.054；相对湿度对ET0的直接作用系数、间接作用系数分别为-0.895和0.2344；其他气象因子对ET0的直接作用系数、间接作用系数相对较小，说明在泾惠渠灌区影响ET0的主要气象因子是大气温度和相对湿度。通过各气象因子的间接作用分析，最高气温、最低气温及相对湿度通过平均气温对ET0具有较强的作用，间接作用系数分别为-8.6541，-8.6129，-8.1727。风速和日照时数通过气温对ET0具有一定的负面影响。
