提　要　采用精确的水土资源平衡计算模型，辅以田间观测资料，分析计算了华北平原农业水资源量与作物需水量之间的平衡问题。结果显示：在充分供水的条件下，本区农田（884.8万hm²）需水量为 744.36亿m³，相应的作物亏水量为 309.37亿m³，有效灌溉面积（653.2万hm²）上的亏水量为 228.73亿m³；而 1995 年水利工程提供的农业总用水量已达 261.78亿m³，但仍有 116.16亿m³ 的亏水量；文中同时对评价区内农田的有效降水量、灌溉水的田间利用量、毛管上升水量等进行估算。指出，虽然冬小麦的平均水分满足率为 82%，但关键期的水分满足率 (64%) 仍然制约粮食产量的增长，设想通过提高渠系利用系数和优化灌溉等措施，华北平原的农业可望达到水土资源平衡利用的状态。

关键词　华北平原；水土资源；平衡研究

中图分类号　P339

文献标识码　A

文章编号　1000－3037(2000)03－0252－07

1 研究区的基本情况

　　华北平原指我国黄河以北、燕山以南和太行山以东的冲积平原区，即北纬
36°～41°，东经 114°30′～118°30′之间的地带，包括京津的全部、河北省的大部以及山东、河南两省的黄河以北部分，总面积 17.87万km²。行政区包括 21 个地市 210 个县（区），是我国政治、经济、文化的中心地带，但由于半湿润半干旱的气候原因，几乎每年都要遭受旱灾的威胁，是我国水资源压力最大的地区。本区多年平均（1951～1995 年）降水量 554mm，汛期雨量占全年雨量的 75% 以上，年平均气温 13.0℃；根据县级资料的统计结果，1995 年全区总人口 1.06 亿人，耕地面积 884.8万hm², 其余土地为城市、乡镇、道路、林牧等用地；有效灌溉面积
653.2万hm²，作物总播种面积 1313.6万hm², 主要种植有冬小麦、玉米、谷子、水稻、蔬菜、大豆、油类、薯类、棉花、水果等 10 种作物，其中粮食播种面积 1013.3万hm²。为方便起见，本文以行政分区中的 21 个地市（表 1）为基本单元，分别介绍各市以及华北平原的农田水土资源平衡研究成果。

表 1 1995年华北平原水土资源状况
Table 1 Land use and water resources in the North China Plain in 1995

城市名称	区县 个数	土地面积 (km2)	总人口 （人）	年降水量 (mm)	农业供水量 (108m3)	耕地面积 (hm2)	作物播种面积 (hm2)	有效灌溉面积 (hm2)
北京市	14	16807.80	11705000	596	16.39	394393	552967	292433
天津市	12	11919.70	8646700	730	12.03	420140	567187	324353
秦皇岛市	5	7780.828	2599629	725	7.40	200020	229660	113047
唐山市	11	13095.165	6794624	684	28.00	581920	789813	411820
石家庄市	17	11134.715	8020948	609	22.76	564180	882720	508507
邯郸市	16	11631.482	7942796	617	14.50	675393	1006293	501800
邢台市	18	12297.240	6330961	621	14.70	674467	960267	463773
保定市	21	15469.935	9672315	622	26.32	772053	1185700	665353
廊坊市	9	6377.120	3591369	605	7.40	370960	533500	265660
沧州市	17	13453.516	5980193	609	11.90	786800	1095120	417033
衡水市	11	8801.924	4058538	526	12.00	583873	746667	372707
济南市	2	2289.000	1085036	548	3.30	131233	205440	96540
东营市	5	1403.339	1432126	592	6.50	142293	221247	102420
滨州地区	5	6069.973	2402727	579	9.48	275680	385953	174333
德州市	11	10497.060	5178162	548	19.50	564220	869687	432580
聊城地区	8	8662.878	5449900	554	21.40	558240	901960	481413
安阳市	5	5282.039	4025988	446	6.40	313267	541333	242407
鹤壁市	3	2148.211	1420700	481	2.70	100347	173100	71613
新乡市	10	7404.408	4653116	542	10.90	377653	670640	269060
焦作市	4	3693.768	1665577	506	5.10	110893	180240	100960
濮阳市	6	2450.196	3134000	447	3.10	250040	436687	224267
华北平原	210	178670.30	105880405	554	261.78	8848067	13136180	6532080

2 资料收集及处理情况

　　收集 1951～1995 年的降水量站 300 多个，按评价区内每个县（区）各自拥有的降水量站数进行算术平均，取得各县的面平均降水量；蒸发潜力由彭曼 (Penman) 方法计算；水稻的需水量用水面蒸发量与其作物系数相乘得到，其它作物的需水量采用陆地蒸发潜力与其作物系数相乘得到；野外观测资料为 1995 年 2～5 月份的麦地的实测数据，一共有 18 个观测点（图 5），观测内容包括气温、辐射、风速、降水、积温、土壤含水量以及冬小麦物候观测等，其中土壤含水量观测按表土层、10cm、20cm、50cm、70cm、100cm 6个层次进行，时间尺度按旬进行，野外实测数据用来率定模型的参数和检验计算结果，以确保模型结果的可靠性（图 1）；作物结构以 1995 年（正常稍丰）为准，考虑的作物种类 10 种（表 2）。

图 1 实测的土壤含水量与模拟计算结果比较
Fig.1 Comparison of observed soil moisture and computing result

表 2 华北平原各种作物多年平均亏水量
Table 2 Yearly auerage deficit of different crops in the North China Plain

序号	市名称	水稻	小麦	玉米	谷子	大豆	薯类	棉花	油料	蔬菜	水果	合计
1	北京市	1.02	5.49	3.26	0.04	0.28	0.07	0.06	0.14	4.53	0.80	15.68
2	天津市	2.35	4.64	2.63	0.03	0.98	0.04	0.33	0.30	4.15	0.46	15.92
3	秦皇岛市	0.68	0.69	1.15	0.09	0.17	0.45	0.01	0.25	0.89	0.58	4.95
4	唐山市	3.59	5.18	3.93	0.04	0.56	0.3	0.34	0.94	3.56	0.65	19.18
5	石家庄市	0.01	8.43	4.74	0.40	0.46	0.46	0.93	0.72	3.91	1.85	21.91
6	邯郸市	0.19	9.81	3.89	0.71	0.89	0.28	3.90	0.38	2.23	1.02	23.28
7	邢台市	0.00	9.30	3.26	1.26	1.31	0.45	3.49	0.72	2.00	1.35	23.15
8	保定市	0.22	10.94	5.85	0.22	0.89	0.67	0.83	0.83	2.64	1.34	24.44
9	廊坊市	0.00	5.04	2.78	0.04	0.90	0.11	0.45	0.39	2.79	1.27	13.77
10	沧州市	0.00	10.59	4.17	0.37	2.21	0.25	2.89	0.54	1.63	2.73	25.38
11	衡水市	0.00	6.88	3.43	0.45	0.93	0.22	3.15	0.63	1.61	1.72	19.03
12	济南市	0.10	2.31	0.94	0.01	0.14	0.00	0.62	0.01	0.71	0.09	4.92
13	东营市	0.29	1.82	0.54	0.02	0.58	0.01	0.49	0.03	0.74	0.15	4.66
14	滨州地区	0.02	4.02	1.59	0.05	0.53	0.01	0.80	0.04	0.70	0.35	8.10
15	德州市	0.00	8.78	3.83	0.13	0.75	0.08	2.50	0.11	4.27	1.14	21.58
16	聊城地区	0.02	9.37	3.69	0.15	0.54	0.08	1.66	0.81	3.76	1.60	21.68
17	安阳市	0.00	5.37	1.59	0.14	0.26	0.14	1.48	0.43	1.51	0.64	11.56
18	鹤壁市	0.00	1.74	0.64	0.04	0.09	0.03	0.27	0.14	0.33	0.07	3.34
19	新乡市	1.57	5.70	1.68	0.06	0.4	0.17	1.34	0.63	1.75	0.18	13.47
20	焦作市	0.10	1.54	0.92	0.01	0.1	0.05	0.20	0.10	0.84	0.10	3.95
21	濮阳市	0.56	4.29	1.06	0.05	0.53	0.17	0.85	0.37	1.38	0.17	9.42
22	华北平原	10.71	121.92	55.56	4.31	13.5	4.01	26.6	8.51	46.01	18.24	309.37
23	占比例 (%)	3.5	39.4	18.0	1.4	4.4	1.3	8.6	2.8	14.9	5.9	100.0

3 水土资源平衡研究的基本原理

　　水土资源是人类赖以生存的最重要的自然资源，水土资源平衡研究的一个重要内容是研究水土资源在时间、空间上的匹配问题，时空尺度不同，所得的结果会有很大的差异。在华北平原，区年尺度的平衡结果与县月尺度的结果相差达 30% 左右；是否考虑土壤层的调蓄作用，其误差也在 35% 以上。因此，我们尽量地采用较小的时空尺度，以便得到真实可靠的水土平衡计算结果。水土资源平衡研究可分天然状态下的水土资源平衡和人工控制条件下的水土资源平衡两个部分，其中天然状态下的水土资源平衡研究涉及到降水、作物类型、播种面积以及相关的水文气象要素（降水、气温、日照、湿度、风速等），其中降水量是最重要的农业水资源量。天然状态下的水土资源平衡研究的目的是了解降水量在多大程度上满足了作物的需水要求，并回答天然状态下作物的亏水量是多少等重要问题；而人工控制条件下的水土资源平衡研究则是在前者的基础上，增加了人类的影响，其做法是通过灌溉的形式调控土壤水分含量，以便获得较大农业经济效益。针对本区作物种类多、空间变化大，以及资料收集的实际情况，本文水土资源平衡研究采取以县为计算单元，与长系列（1951～1995 年）、短时段（月）和多种作物（10 种作物）类型相匹配的操作方法，并为此建立了精确的农田水土资源平衡计算模型，试图通过模型的计算达到重现历年农田上水土资源平衡状况的效果，回答本区的农业到底需要多少水，经过天然状态下的水土资源平衡后作物的亏水量又是多少水，亏水量的时空分布规律如何等一系列关键性的问题。水土资源平衡研究的结果对于农业水资源评价、作物结构调整、制订灌溉计划和节水研究均有其现实意义。对应于某一地块，农田的水土资源平衡方程如下：

P_t－Qs_t－K_c×PE_t－ΔM_t－(Q_up－Q_uc)_t－η=0 (1)

其中，P_t 为平衡时段 (t) 的降水量 (mm)，t 对应于作物生长期内的月份序数，如棉花 t=6～9，冬小麦 t=9～6，以下 t 的意义与此雷同；Qs_t 为平衡时段 (t) 的产流量 (mm)，通过降水—径流关系求得；K_c 为平衡时段 (t) 的作物系数，作物的需水量由 K_c×PEt 得到；PE_t 为平衡时段 (t )的蒸发潜力 (mm)，由 Penman 方法计算得到；ΔM_t 为平衡时段 (t) 的土壤水分蓄变量，在灌区还包括灌溉水量的影响 (mm)；(Q_up－Q_uc)t 为平衡时段 (t) 内降水入渗量（在灌区还包括灌溉渗入量）与毛管上升水量之差 (mm)；η为平衡时段 (t) 的误差项 (mm), 包括未考虑到的因素。

　　考虑到式 (1) 中的ΔMt 可以从相邻两时段的土壤有效含水量 (ST) 中得到，即：

ΔM_t=ST_t－ST_t-1 (2)

将式 (2) 代入式 (1)，有：

P_t＋ST_t-1－K_c×PE_t－Qs_t=ST_t＋(Q_up－Q_uc)_t＋η(3)

式 (3) 表明，平衡时段 (t) 的降水量 (P) 与土壤前期含水量 (ST_t-1) 之和，减去作物需水量 (K_c×PE_t) 和地表产流量 (Qs_t) 之后，其平衡余项为同期的土壤含水量 (ST_t)、降水入渗补给地下水量与毛管上升量之差 (Q_up－Q_uc)t 以及误差 (η) 三者之和。令 BL_t=ST_t＋(Q_up－Q_uc)_t＋η；土壤最大有效持水量 ( 相当于田间持水量－凋萎含水量 ) 为 ST_max，且 ST_max=120mm；农田的亏水量为 DEF_t，则 DEF_t 和 ST_t 的变化情况有 3 种可能：

(1) 当 BL_t＞120mm 时，　DEF_t=0 (4)

ST_t=120 (5)

(2) 当 0＜BL_t＜120mm 时，DEF_t≤0 (6)

ST_t≥0 (7)

(3) 当 BL_t≤0 时，DEF_t=BL_t (8)

ST_t=0 (9)

式 (4)～(9) 表明，当平衡项出现 0＜BL_t＜120mm 时，说明土壤层未达到田间持水量，不会有地表产流量 (Qs_t) 或由降水入渗产生的地下水量 (Q_up) 的发生，但土壤中的有效蓄水量 (ST_t) 和作物的亏水量 (DEF_t) 并存，注意这里采用的是蓄满产流的原理，并且 DEF≤0, 而 ST_t≥0；当 BL_t＞120mm 时，由于在式 (3) 中的地表产流量 (Qs_t) 可以根据降水—径流关系单独扣除^[4、5]，此时的土壤层已达田间持水量，那么再扣除土壤最大有效含水量 (ST_max) 后，剩下的就是降水入渗水量与毛管上升水量之差 (Q_up－Q_uc)_t 了。因为这种假设和计算会产生误差，所以我们再加入一个误差项，即 (Q_up－Q_uc)_t＋η=BL_t－ST_max；而一旦出现 BL_t≤0 时，说明 t 时段的降水量不能满足作物的需水要求，需要动用土壤中的有效蓄水量 (ST_t)，此时的土壤水蓄变量ΔMt 肯定是负的，并且ΔM_t≥BL_t。图 2 是根据式 (2)～(9) 编写的计算流程图，它描述了某县某作物在 t 时段的水土平衡过程，其中的 PE_t 为累积的蒸发潜力，它与土壤蓄水量 ST_t 为互逆关系，是模型中水量保持平衡的两个重要因子，其平衡的原理是通过土壤水分的调蓄曲线（图 3）实现的。统计某县的农业亏水量时，只要将各种作物的亏水量乘以各自的播种面积后再累加就可以了，即：0.0000667×DEF_t×A_c
（亿 m³），其中 A_c 为第 c 种作物的播种面积（万亩），c=1,2...10；DEF_t 为对应于 A_c 面积上的作物亏水量，t 为作物生长期内的月份序数，0.0000667 为单位转换系数。

图 2 水土资源平衡计算流程
Fig.2 Flow chart of balance between soil and water resources

图 3 华北平原的土壤水分调蓄曲线
Fig.3 Modulation curve of soil moisture in the North China Plain

4 华北平原水土资源平衡的结果

　　经过天然状态下的水土资源平衡计算以后，每个县（区）可以得到各种作物的需水量、土壤水变化量、作物亏水量等 30 个以上的文件，这些文件均以长系列年月的形式表达了在现状年（1995 年）作物结构情况下，该县（区）的农业水土资源平衡状况，基本上达到了重现历史过程，了解华北平原水土资源平衡各分量的时空变化的目的。如果将这些结果与田间实测资料比较，还可以得到灌溉水量和毛管水量等一些很宝贵的平衡数据。表 2 是 2100 个亏水量文件的综合结果，表中显示：华北平原 884.8万hm² 的耕地面积（相当于 1313.6万hm² 的播种面积），多年平均的作物亏水量为 309.37亿m³，其中冬小麦是亏水大户，占总亏水量的 39.4%，其次是玉米和蔬菜，三者的亏水量占全部作物亏水量的 72.3%。图 4 是经过 5000 多个文件整理而成的农田水量平衡图，它显示了天然状态条件下华北平原耕地面积上降水量、作物需水量和亏水量的平衡状态。图 4 清楚地显示：4～6 月份的作物需水量最大，而同期的降水量严重不足，这个时期的亏水量占全年亏水量的 68.9%；但是，7～8 月份的降水量不但满足了农田的需水量，而且有径流量（Qs 和 Qup）产生；尽管降水量与作物需水量的年内分配很不协调，但经过土壤层和地下含水层的天然调蓄作用以后，有效降水量的比例仍然很高，图 4 中的需水量过程线与亏水量过程线之间的面积为有效降水量，占年降水量的 82.2%（表 4）；水土资源平衡计算模型的结果还显示：在不考虑土壤层的调蓄作用情况下，华北平原农田的亏水量为 420.7亿m³，与有土壤层调蓄的结果（表 2）相差 111.3亿m³。

图 4 华北平原天然状态下农田水量平衡
Fig.4 Water balance diagram on farmland in the North China Plain

表 4 华北平原水土资源平衡成果表
Table 4 Balance between land use and water resources in the North China Plain

地名	耕地上的降水量（亿 m3）		农田亏水量（亿 m3）		1995 年的农业供水量（亿 m3）
	天然降水量	有效降水量	耕地面积	有效灌溉面积	毛供水量	实供水量	供水率 (%)
北京市	25.66	18.03	15.68	11.62	16.39	7.05	56.5
天津市	24.71	15.51	15.92	12.29	12.03	5.17	30.1
河北省	288.96	241.88	175.09	125.01	144.98	62.34	46.4
鲁西北地区	98.82	91.29	60.94	46.92	60.18	25.88	51.3
豫北地区	69.19	67.92	41.74	32.89	28.2	12.13	33.7
华北平原	528.23	434.63	309.37	228.73	261.78	112.57	45.7

注：实供水量采用毛供水量乘以渠系利用系数 (0.43) 得到，农业供水量仅与有效灌溉面积有关。

　　如果我们需要研究人工控制条件下水土资源问题时，应该把研究范围缩小到有效灌溉面积上来。华北平原的有效灌溉面积有 653.2万hm²，相应的作物亏水量为 228.73亿m³（表 4）。据 1995 年的水利统计年鉴的统计结果^[3]，华北平原水利工程为农业提供的用水量为 261.78亿m³（其中北京市 16.39亿m³，天津市 12.03亿m3, 河北省 144.98亿m³，鲁西北区 60.18亿m³，豫北区 28.2亿m³），按渠系有效利用系数 0.43 计算，全区的作物亏水量应为 116.16亿m³（其中北京市 4.57亿m³，天津市 7.12亿m³，河北省 62.67亿m³，鲁北区 21.04亿m³，豫北区 20.76亿m³），需要指出的是水利工程的供水量是在超本地水资源承载力的前提下进行的，即包括了外来水量（引黄水量、山区来水量等）和超采的地下水量。图 5 是 1995 年 5 月上旬华北平原的实测土壤含水量分布状况（图中数据为土壤含水量占田间持水量的百分比），这个时候是冬小麦生长的关键期，从图 5 中可以看到，北京、保定和黄河两岸的土壤含水量勉强维持在田间持水量的 60% 以上，而其它大多数的地方均在 60% 以下，水量与产量关系分析的结果使我们知道，土壤含水量低于 60% 时，冬小麦的生长就会受阻，产量将因此受到影响^[6]。面上土壤含水量还会随气候环流的变化而变化，遇上干旱年份或黄河断流，情况还会更糟。

图 5 华北平原 1995 年 5 月上旬土壤含水量
Fig.5 Soil moisture contained in the North China Plain during the first ten days in May 1995

5 现状年农田水土资源平衡分析

　　为了验证计算结果的可靠性，特将亏水大户冬小麦在现状年 (1995) 的田间动态资料，利用水土资源平衡计算模型对麦地里的降水量、灌溉水量、土壤水量和毛管上升水量进行分析计算，因为有人工灌溉水量的介入，式 (2) 中的ΔM_t 应该包括灌溉水量的影响^[7]。有了理论模型的计算和实测资料的相互配合，使我们有可能对麦地水资源利用现状作出比较细致的评价。该年度的农田动态观测点分布情况见图 5，凡图中是标明地名的地方都有实测的观测数据。表 3 是 1995 年 2～5 月份华北平原麦地水量平衡概况，该年度有冬小麦面积 465.85万hm²，作物需水量 135.6亿m³，实耗水量 111.4亿m³，观测期的水分满足率为 82%，相应亏水量为 24.2亿m³。按照单位面积亏水量计算，北京市的缺水量是 210m³/hm²，天津市 420m³/hm²，河北省
420m³/hm²，鲁西北 435m³/hm²，豫北 690m³/hm²。该年度豫北区的水分条件最差，而图 5 中的最差是沧州地区。

表 3 现状年（1995 年 2～5 月）华北平原麦地水量平衡
Table 3 Water balance of the wheat lands in the North China Plain in Februaey-May, 1995

省市名称	有麦面积 （万 hm2）	降水量 （亿 m3）	补水量 （亿 m3）	需水量 （亿 m3）	实耗水量 （亿 m3）	水分满足率 (%) 生长期/关键期	亏水量 （亿 m3）
北京市	17.23	0.2068	3.6354	4.5141	4.1523	92/84	0.3618
天津市	14.10	0.1833	2.9475	3.9064	3.3141	85/56	0.5923
河北省	249.15	3.2392	48.5875	66.7766	56.3116	84/65	10.465
鲁西北地区	100.13	1.5111	20.9533	27.8034	23.4717	84/65	4.3315
豫北地区	84.64	1.5236	16.5054	25.2236	19.3832	77/58	5.8401
华北平原	465.85	6.5223	95.0392	135.5707	111.345	82/64	24.237

　　表 3 中的关键期指的是冬小麦抽穗、开花、灌浆期，相当于 4～5 月份的时间，在此期间里，某旬的土壤水分对冬小麦生长影响最大，则称该旬的水分满足率为关键期水分满足率。在表 3 中我们还可以看到，现状年的麦地亏水量为 24.237亿m³，是天然和人工共同影响下的水土资源平衡结果，而模型输出的同期天然状态下的亏水量为 73.23亿m³（包括降水量、土壤调蓄水量和毛管上升水量，但不包括人工灌溉水量），两者相差 49.0亿m³ 可做为人工灌溉水量的估计值，于是毛管上升水量与误差项之和 (Q₃－Q_uc)_t＋η=46.03亿m³，结果与华北平原的实际情况很吻合；按照冬小麦的缺水份额反推，本年度的农田亏水量约 102.54亿m³，这个结果与模型对 1995 年区内 10 种作物的模拟计算结果（96.9亿m³）也很接近，证明本文的水土资源平衡模型的计算结果是可靠的。

6 基本结论

　　(1) 天然状态下华北平原的农田（884.8万hm²）作物需水量 744.36亿m³，降水量 528亿m³，按月、县时空单元进行水土资源平衡后的作物亏水量为 309.37亿m³，有效降水量 434.63亿m³；按有效灌溉面积（653.2万hm²）计，则作物的亏水量为 228.73亿m³（有关数据列于表 4）。

　　(2) 现状年（1995 年）冬小麦生长期（2～5 月份）的作物需水量为 135.57亿m³，作物实耗水量为 111.35亿m³（包括人工灌溉水量 49.0亿m³），水分满足率为 82%，但关键期的水分满足率只有 64%，是限制产量增长的主要因素；

　　(3) 鉴于现状年有效灌溉面积上的实际灌溉水量为 261.78亿m³，比天然状态下亏水量 228.73亿m³ 大的事实，设想在维持现有灌溉规模的前提下，通过提高华北平原的渠系利用系数（从 0.43→0.65）和优化灌溉（最佳土壤湿度控制在田持量的 72% 或稍大），整体上可望达到水土资源平衡利用的效果。

参考文献

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