不同水资源管理技术对区域地下水生态系统服务影响的模拟评估——以印度西部乌塔尔邦为例

《Frontiers in Water》：Impact assessment of different water management technologies on regional groundwater ecosystem service

本文通过MODFLOW模型模拟评估了不同水资源管理技术（WMTs）对印度西部乌塔尔邦Shahpur区块Rasoolpur Jatan村地下水动态的影响。研究对比了四种情景：传统土渠灌溉（Ea=60%）、减少6%渗漏损失、激光平地技术节水17%以及50%甘蔗改种雨季玉米。结果表明，仅通过改进灌溉效率无法逆转地下水位下降趋势，而调整高耗水作物种植结构可使地下水位上升0.54 m/yr，是实现地下水可持续利用的关键策略。研究为干旱区农业水资源管理提供了科学依据。

　　

引言

地下水作为支撑农业、生态系统和人类福祉的关键自然资源，在灌溉用水供给、粮食生产、气候调节、河流基流维持及生物多样性保护等方面发挥着重要作用。然而，在印度西部乌塔尔邦Shahpur区块的Rasoolpur Jatan村，地下水位持续下降已成为严峻的可持续发展挑战。该研究通过田间试验与数值模拟，系统评估不同水资源管理技术对地下水动态的影响，旨在构建区域地下水可持续利用策略。

材料与方法

研究区域位于北纬29°20′–29°23′、东经77°33′–77°36′，海拔237–245米，属热带半湿润气候，年均降雨量873毫米。土壤以冲积土为主，甘蔗为优势作物（种植面积213.3公顷），灌溉完全依赖地下水。研究采用MODFLOW模型构建三维地下水流动模型，网格划分为26行×30列（单元大小80米×80米），设置三个应力期模拟水文年动态。模型输入参数包括水力传导系数（K_xx/K_yy/K_zz）、给水度（S_y）及边界条件，通过2012年监测数据校准、2015年数据验证，模型拟合优度R²达0.94（校准期）和0.93（验证期），RMSE分别为0.27米和0.40米。

研究设定四种管理情景：情景1（基线）为土渠灌溉（应用效率E_a=60%）；情景2通过渠道防渗减少6%渗漏损失；情景3采用激光平地技术节水17%；情景4将50%甘蔗面积改种雨季玉米。通过对比2015年雨季前基准水位（223.31米）与2030年模拟水位，评估各情景下地下水位波动及节水潜力。

结果

模拟结果显示，基线情景下地下水位以每年0.59米的速度下降，至2030年水位降至213.84米。情景2（节水6%）使下降速率减缓至0.46米/年，水位升至215.96米；情景3（激光平地）进一步将下降速率降至0.10米/年，水位达221.67米；而情景4（作物调整）则实现水位年均上升0.54米，2030年水位预测为232.05米。地下水节约量方面，情景2–4分别为24.54、69.53和159.56公顷·米。

讨论

研究表明，单纯提升灌溉效率（如情景2–3）虽能减缓地下水位下降，但无法根本扭转透支趋势。土渠灌溉的低效率（E_a=60%）导致大量渗漏损失，加剧了地下水超采。激光平地技术通过均匀配水减少田间浪费，但其节水效果仍不足以抵消高耗水作物（如甘蔗）的需水量。情景4的显著改善凸显了作物结构调整的核心作用：甘蔗生长期需水量达1800–2200毫米，而雨季玉米仅需500–600毫米，替代后可降低70–75%的灌溉需求。该结果与印度西北部其他地下水超采区的研究一致，强调需将技术措施与种植政策协同实施。

环境与经济维度上，作物多样化还能减少甲烷排放、增强含水层韧性，但面临市场风险与政策障碍。甘蔗因有糖厂保底收购而被视为“经济作物”，而玉米缺乏价格保障机制，需通过补贴、保险及价值链建设推动转型。模型不确定性主要源于含水层非均质性及参数简化，未来可结合蒙特卡洛模拟提升预测可靠性。

结论

MODFLOW模拟证实，Rasoolpur Jatan村的地下水开采模式不可持续。仅依赖灌溉技术改进无法解决水资源赤字，必须结合作物多样化（如甘蔗改种玉米）及制度创新（如水价政策、社区管理）才能实现含水层平衡。研究为类似干旱农业区的水资源规划提供了量化依据，未来需集成气候变化预测与社会经济模型，优化策略适应性。