华北平原灌区灌溉方式与土壤类型对水分平衡及地下水耗竭的耦合影响模拟研究

《Agricultural Water Management》：Assessing the impacts of irrigation and soil types on the water balance and groundwater depletion in an irrigation district of the North China Plain based on a coupled SWAT-MODFLOW model

本研究针对华北平原灌区地下水超采严重的问题，通过构建SWAT-MODFLOW耦合模型，量化了不同土壤类型（砂壤土、粉砂壤土、粉土）下灌溉对水分平衡及地下水储量的影响。结果表明：灌溉使实际蒸散量（ET）增加191 mm yr?1，土壤水渗漏量（Wperco）增加134 mm yr?1，且粗质地土壤区地下水耗竭速率（-181 mm yr?1）显著高于细质地土壤区。研究为优化灌溉策略、缓解地下水危机提供了科学依据。

　　

华北平原是我国重要的粮食生产基地，但长期依赖地下水灌溉导致地下水位持续下降，引发了一系列生态环境问题。灌溉在保障作物需水的同时，如何影响土壤水向地下水的转化过程？不同土壤类型是否会加剧或缓解地下水耗竭？这些问题的答案对于实现农业水资源可持续管理至关重要。近日，发表在《Agricultural Water Management》上的一项研究，通过耦合SWAT-MODFLOW模型，首次在区域尺度上系统揭示了灌溉与土壤类型对水分平衡和地下水储量的协同影响机制。

研究团队以华北平原典型灌区——人民胜利渠灌区为研究对象，整合了气象、土壤、土地利用、灌溉制度及地下水动态等多源数据，构建了SWAT-MODFLOW耦合模型。该模型能够同步模拟包气带（vadose zone）水分运移与潜水含水层（phreatic aquifer）动态，关键参数包括土壤饱和导水率（SOL_K）、田间持水量（SOL_FC）、凋萎点（SOL_WP）以及含水层水力传导度（Kx, Ky, Kz）和给水度（S_y）。模型利用2017–2019年实测土壤含水量和地下水位数据进行校准与验证，结果显示土壤含水量模拟的R²＞0.50，RMSE＜0.07 g g^?1；地下水位模拟的R²＞0.50，RMSE＜1.59 m，表明模型具有较好的可靠性。

3.1. 耦合SWAT-MODFLOW模型的验证

模型在9个土壤含水量观测点和14个地下水位观测点均表现出良好的拟合效果。尽管在土壤含水量较高（＞0.2 g g^?1）时模拟值略偏低，在较低值时略偏高，但整体误差在可接受范围内。模型成功捕捉了包气带与含水层的水分交换过程，为后续情景分析奠定了基础。

3.2. 包气带与潜水含水层的水分平衡组分模拟

在年均降水量426 mm、灌溉量300 mm（其中94.3%为地下水）的条件下，灌区实际ET为514 mm yr^?1，土壤水渗漏量（W_perco）为252 mm yr^?1，地下水储量变化量（ΔGW）为-90 mm yr^?1。月尺度分析显示，干旱月份（如2017年6月、2018年3月）的地下水开采是导致地下水耗竭的主要原因。

3.3. 灌溉对水分平衡组分的影响

与非灌溉情景相比，灌溉使实际ET增加191 mm yr^?1，W_perco增加134 mm yr^?1。在无灌溉条件下，地下水储量呈增加趋势（ΔGW=62 mm yr^?1），凸显了灌溉开采对地下水耗竭的显著影响。

3.4. 土壤类型对土壤水渗漏的影响

在灌溉条件下，粉土区因引黄河水灌溉，W_perco高达493 mm yr^?1，地下水储量增加427 mm yr^?1；而井灌区粉砂壤土和砂壤土的W_perco分别为281 mm yr^?1和220 mm yr^?1，地下水耗竭速率分别为-161 mm yr^?1和-181 mm yr^?1。粗质地土壤区由于初始土壤含水量较低、持水能力弱，渗漏量较少，但地下水耗竭更严重。

研究结论强调，灌溉显著改变了华北平原灌区的水分平衡，加剧了地下水耗竭，且土壤质地对这一过程具有重要调控作用。在粉土区，地表水灌溉有助于地下水补给，但可能引发土壤次生盐碱化风险；而在砂壤土区，井灌导致的地下水超采问题尤为突出。因此，需根据土壤类型优化灌溉水源配置（如增加地表水替代比例）、改进灌溉制度（如按作物需水规律精准灌溉），以缓解地下水危机。该研究提出的SWAT-MODFLOW耦合模型为区域农业水资源可持续管理提供了量化工具，其方法也可推广至全球其他半干旱灌区。