中国内陆河流域尺度的水资源利用率提高研究--黑河流域水-生态-经济管理试验示范

水资源是人类生存和社会发展中最重要的成分，中国内陆河的可持续发展所面临的生态问题源自有限的水资源和高的人口压力这两个方面的不协调。通过总结“黑河流域水-生态-经济系统试验示范研究”项目近几年在涵养水源、绿洲尺度的水利用率提高和流域水-生态-经济系统中的水资源配置的部分试验成果和研究进展，以实际事例展示了在流域尺度上提高水资源利用率的可行性和潜力。加强基础研究、引入“虚拟水”等创新意识、通过专家和管理层的结合可进一步提高流域水资源利用率。     

黑河流域水资源研究进展

作为典型的内陆河流域,黑河流域历来是研究寒区、旱区水文与水资源的热点地区。水资源是联系该流域生态系统和经济系统的纽带,更是其社会经济环境可持续发展最主要的限制因子。因此,对于黑河流域水资源的研究非常广泛,也取得了很多高水平的研究成果,这些研究内容主要包括：上游产流区的冰雪变化与黑河径流量、黑河出山口径流变化特征及其对气候变化的响应以及径流量的模拟与预测;中下游耗散区的水资源利用状况及对策;同位素、水资源承载力以及水资源管理的理论方法和措施。今后的重点应从流域的宏观尺度,开展黑河流域生态经济的综合研究、生态水文学和水污染问题的研究。     

“干旱区水循环与水过程模拟重点实验室”在新疆挂牌

2009年5月,中国科学院新疆生态与地理研究所干旱区水循环与水过程模拟重点实验室喜获新疆重点实验室授牌。该实验室瞄准国际水文水资源科学研究领域前沿,以干旱区内陆河为主要研究对象,针对新疆水资源利用与调控、水环境污染与修复以及国际河流水资源开发利用等关键问题,将对干旱区内陆河流域开展以下五个方面的重点研究:降水-冰雪径流过程;水耗散和转化过程;水文过程的尺度转化及不确定性;水环境污染与修复;跨境河流水安全等,以期为新疆经济、社会、生态的协调发展提供强有力的科技支撑。     

新疆十大水生态环境保护目标及其对策探析

新疆除额尔齐斯河为最终注入北冰洋的外流水系外,其他河流均为典型内陆河流域。长期以来,由于灌溉农业大规模发展,人工绿洲不断扩大,用水量不断增加,绝大多数内陆河流都处于水资源过度开发利用状态,对自然绿洲及水生态安全已构成严重破坏和威胁,未来社会经济可持续发展与生态环境保护面临严峻的水资源瓶颈制约。系统分析了新疆水资源及生态环境特征、水资源利用情况及水生态环境保护目标,并对生态需水量进行了分析预测;针对涉水的水源涵养区及草原生态系统保护、塔里木河流域生态环境保护、水资源开发与保护、大坝建设与河流生态环境保护、土壤盐碱化改良与灌排调控保障、地下水资源超采区治理及开发利用与保护、乌伦古湖和额尔齐斯河河谷林生态环境保护、库鲁斯台草原生态环境保护、艾比湖等其他重要湖泊及湿地生态环境保护10大环境保护问题进行了分析讨论,研究提出了具体的生态环境保护目标和对策措施。认为,在当前贯彻实施最严格的水资源管理制度的过程中,调控新疆灌溉农业发展规模,破解用水结构与方式不合理、用水效率效益低、生态用水被挤占、地下水超采、农业用水不断增长等问题是核心;经济社会总用水量的持续增加对新疆水生态环境已造成了严重影响。研究结果对于干旱区内陆河流域水资源可持续利用,生态环境保护,优化水资源配置具有一定的参考意义。     

近50 a来黑河流域水资源问题与流域集成管理

 基于黑河流域器测水文等资料,分析了近50 a来黑河流域水资源形成区——上游山区水资源变化的历史背景和趋势、平原绿洲-荒漠耗水区3个循环带水资源时空变化及区域耗水特征,以及水资源管理政策变化下的流域中下游水环境问题和社会经济系统水循环过程中的水问题,探讨了解决内陆河流域水问题的水资源集成管理和区域可持续发展对策。     

黑河流域水资源信息系统设计

建立黑河流域水资源信息系统的目标是为黑河流域水资源合理利用与经济社会和生态环境协调发展的研究提供基础数据和技术支撑,并辅助建立流域决策支持系统和水资源模型。本文介绍黑河流域水资源信息系统的设计和应用,共包括27个图层的空间数据、40 a气候和水文序列、以及部分NOAA AVHRR和TM遥感数据,是我国西北内陆河流域最完整的水资源信息系统之一,已被应用于黑河流域水资源合理利用以及水文和生态基础研究。     

河西内陆河流域水生态安全评价研究

水安全评价相关研究已有较多成果,但绝大多数采用P-S-R(压力-状态-响应)及其扩展模型,且评价指标体系的优化校准几乎从未提及。本文将W-SENCE(与水有关的社会-经济-自然复合生态系统)模型引入水生态安全评价领域,从水生态安全的自然属性和社会经济属性方面构建水生态安全评价指标体系,结合模糊系统分析及改进生态位理论对指标体系分析、优化,以优化后指标体系对河西内陆河流域2014-2017年的水生态安全状况模糊综合评价。结果表明:指标B3(工业增加值)、B13(河川基流量)、B17(产水系数)、B20(引水量)的改进生态位宽度值相对最大,对指标体系影响相对最小,建立优化指标体系时剔除。优化后指标体系中,指标C11(多年平均降水量)、C16(蓄水量)、C17(地表水源供应量)、C18(地下水资源供应量)、C24(生态环境用水量)、C29(节水灌溉面积)权重最大,为流域水生态安全主要影响因子,表明加大水利基础设施投入,发展节水灌溉农业,保护生态环境是提高内陆河流域水生态安全状况的最有效措施。2014-2017年,黑河流域水生态安全状况持续好转,石羊河和疏勒河流域水生态安全状况均呈持续恶化趋势,应作为重点治理区域,内陆河流域水生态安全状况“整体改善,局部恶化”趋势仍在持续。结果可为河西内陆河流域水行政、生态环境管理、生态风险决策提供理论支持。     

黑河流域2004-2010年水足迹和水资源承载力动态特征分析

 中国是水资源短缺国家,水资源时空分布不均,水资源已成为制约中国社会经济可持续发展的重要因素。利用生态足迹法构建了黑河流域农业用水、工业用水、城镇公共用水、生活用水和生态环境用水5个二级水资源账户,并利用水资源负载指数,研究了黑河流域2004—2010年水资源承载力、水足迹和水资源负载动态特征。结果表明,黑河流域水资源承载力从2004年的16.36 hm2增加至2010年的24.40 hm2;总水资源生态足迹从2004年的571.81 hm2减少至2010年的486.73 hm2;而水资源生态赤字从2004年的555.45 hm2下降至2010年的462.33 hm2;黑河流域水资源负载指数高,水资源开发潜力很小;黑河流域水资源承载力增加与降水量有密切关系。     

黑河流域水资源管理制度历史变迁及其启示

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源,是生态环境的组成要素和控制性因素。水资源的可持续开发和利用是维持生态系统健康和区域可持续发展的关键,而水资源可持续开发利用的关键是水资源的科学管理。水资源的不合理开发利用使水资源短缺问题成为限制内陆河流域经济发展和生态环境保护的主要瓶颈问题。研究和完善水资源管理制度和相关的管理机制,是水资源管理科学研究的主要内容和前沿方向。对西北地区黑河流域历史时期的水管理机构和管理制度进行系统梳理,总结流域水资源管理制度存在的问题,以便从中汲取经验教训,转变水资源管理理念,完善水资源管理制度,实现水资源的可持续开发利用。     

中国干旱内陆河出山径流对流域气象要素与全球气象指数的响应特征研究

干旱内陆河出山径流及其影响因素分析对于流域水资源评价、流域经济生态安全保障具有重要意义。基于1960-2012年塔里木河流域"三源流"与黑河流域的出山径流、降水、气温资料及4个全球气象指数监测数据,采用小波分析方法研究了各水文气象要素的周期特征,以及流域出山径流对气象要素与气象指数的响应特征。结果表明：（1）各水文气象因子多具有1~2个显著周期,周期多在2~7 a尺度范围内。（2）叶尔羌河、黑河出山径流与流域降水分别在6~17 a、2~16 a周期上关系显著。各出山径流与流域降水、气温的多尺度共振周期性差异,反映了各径流来源构成及其与气象要素年际动态方面的差异。（3）各流域出山径流对气象指数的响应特征不同,这在显著时频域以及径流响应时滞等方面均有表现。此研究可为气候变化条件下干旱内陆河流域生态-水文过程响应及水资源管理提供依据。     

黑河“97”分水方案适应性分析

黑河“97”分水方案自2000年实施以来,流入下游水量明显增加,缓解了下游生态环境恶化趋势,但在丰水年难以完成分水指标,其适应性受到各方关注。本文在分析“97”分水方案的技术特点及背景条件变化对分水方案适应性影响的基础上,通过构建黑河水资源配置模拟模型,对分水方案在不同需水条件和黄藏寺水库建成运行后长系列年（1958-2012年）实施情况进行了模拟,分析评价了黑河“97”分水方案的适应性。研究表明,由于分水方案制定和实施前后黑河经济社会、水系连通性等背景条件发生了较大变化,在现状工程和需水条件下,不能完成“97”分水方案的分水要求;在中游退耕至2000年水平和黄藏寺水库建成的情况下,虽然可以完成“97”分水方案的分水要求,但仍存在地下水超采情况,因此,基于20世纪80年代中期黑河经济社会和1955-1986年水文条件的“97”分水方案与黑河流域现状存在一定的不适应性。     

基于空天地一体化的黑河流域自然资源要素综合观测网络构建

立足自然资源管理的新要求,全国自然资源要素综合观测网络工程已于2020年全面启动和建设。黑河流域作为西北地区第二大内陆河流域,且处于丝绸之路经济带的核心地段,迫切需要在黑河流域开展试点研究。依托黑河流域现有观测研究基础,采用融合共建、改建升级和空白添建3种方式,分流域、分级别布设观测台站13个,基本覆盖了黑河流域草原、森林、河流、湖泊、荒漠、湿地、农田等主要地表资源类型。结合遥感观测和人工样地调查,初步构建起黑河流域自然资源要素综合观测网络。通过建立统一的运行维护和质量管理体系,确保观测数据的真实性和可靠性。从应用效果来看,黑河流域自然资源要素综合观测网络已基本形成了局部控制的立体化观测能力,可有效获取资源间耦合作用过程、变化趋势和速度等关键数据,对提高黑河流域自然资源认知能力、科学管理和战略决策具有十分重要的意义,对其他流域开展自然资源观测研究也具有重要的借鉴和示范意义。     

基于Kriging插值的黑河分水后中游地下水资源变化

水资源短缺是西北地区内陆河流域面临的共同难题.20世纪黑河下游地区河水注入量的持续减少,使得依赖河水补给的地下水相应减少,从而出现了一系列的生态环境问题.为了恢复黑河下游生态环境,从2000年开始了黑河生态应急输水工程,实施水量的统一调度.中游地表水利用量的减少无疑会对地下水资源产生影响.根据黑河中游地下水观测数据,运用普通Kriging插值法.对分水前的20世纪90年代和分水后的2004-2005年间的地下水位和储量变化进行对比分析,发现中游甘州区、临泽县和高台县地下水位不同程度上都在下降,其范围在1.3～2.68 m,地下水可开采储量也随之减少,估算减少总量约为8.23×108m3.究其原因,一方面是由于分水使得地表水转化为地下水的数量减少,占总减少量的60.8%;另一方面,河水供给的减少促使中游地区转而大量开采地下水.两方面共同作用,使得中游地区地下水资源量日益短缺.     

黑河流域水资源的统一管理与承载能力的提高

黑河流域中、下游水资源利用矛盾十分尖锐，利益调整也极为复杂，1999年成立了黑河流域管理局，为实现以流域为单元，进行统一规划、统一调度、统一管理，建立权威、高效、协调的流域管理体制创造了条件，并在2000年和2001年实施“全线闭口、集中下泄”全流域水资源定量分配。实践证明只要掌握山区水资源动态、实施退耕还林还草与退水、从农业节水开发流域水资源潜力，完全可以取得成功。尽管在实施国务院批准的跨省区的分水方案时，还存在诸多困难，但只要加紧采取“保护上游、整治中游、拯救下游”的综合治理、强化全流域水资源统一管理、加快流域全面节水步伐、加大科技投入等四方面措施，就能突破流域水资源瓶颈障碍，力求不增加流域消耗水量，而达到经济增长，并使流域生态系统逐步走向良性循环。     

黑河流域中游盆地地下水补给机理分析

分析地下水水循环机理是有效评价地下水资源量和合理开发利用地下水资源的前提。对此,利用皮帕尔（Piper）图解法分析地下水的水化学特征类型,结合区域构造水文地质和环境同位素,分析黑河中游盆地内不同地区的地下水补给机理。结果表明,位于黑河较上游地区两个相邻山前冲洪积扇之间的地下水水力联系微弱,分别来自于不同的补给来源;不同区域的黑河沿岸地区,受地理地形控制,地下水补给来源存在显著差异;以榆木山隆起相隔离的张掖盆地和酒泉盆地,地下水水化学特征和同位素存在显著差异,处于不同的地下水补给单元;利用放射性同位素氚含量,初步估算出不同地区地下水的更新期,其地下水年龄均低于32 a。为合理开发利用黑河中游地下水资源、保护脆弱的生态环境提供科学依据。     

额济纳天然绿洲景观变化及其生态环境效应

基于研究区1987年LandsatTM和2001年LandsatETM+遥感影像资料,综合运用遥感与GIS技术手段,结合景观格局分析软件APACK,就近15年来额济纳天然绿洲景观格局变化进行了分析,并进一步探讨了由此所引起的生态环境效应。研究结果表明:1)天然绿洲面积与水域面积急剧缩减,绿洲荒漠化程度加剧;2)绿洲景观与荒漠景观过渡地带为各景观生态类型相互转化最为剧烈的区域;3)景观多样性与景观异质性程度减小,景观稳定性降低;4)景观变化所引起的生态环境效应包括地下水矿化度升高、水质下降,植被退化与物种多样性降低,沙尘暴危害加剧以及生态难民数量增加等。     

黑河流域绿洲环境演变因素研究

根据历史和现代研究资料,系统分析了影响黑河流域绿洲演变的自然和人文因素。自然因素包括气候、地质地貌、风沙活动及自然灾害等方面,是绿洲演变的大背景。人文因素包括战争、民族习惯与政府政策导向,交通、政治、经济地位,人口压力及资源需求的增长。人文因素是十分错综复杂的,自人类社会形成以来就愈来愈强烈,而且加剧自然因素的作用程度与范围,甚至在一定时空条件下完全可以掩盖自然因素对绿洲的作用。基于上述认识,认为对于整个流域来讲,上、下游应将水源涵养和生态保护作为建设重点,中游作为经济建设的重点区域,上、中、下游优势互补、共同发展,达到整个流域资源、环境、经济的可持续发展。     

民勤绿洲水资源利用与生态系统退化分析

石羊河流域生态平衡失调,生态系统退化在我国干旱、半干旱地区内陆河流域中具有典型的代表性。通过对石羊河流域近代地表水资源开发及其绿洲变迁,近年来流域用水量分配,降水特征及其对植被的影响,流域下游民勤绿洲地下水位、水质的变化等因素多年来观测研究,认为：降水量对天然植被的生长没有大的作用;由于人口的增加,流域地表水资源分配不均,水资源开发过度,地下水位急剧下降,造成流域生态系统退化。流域经济因素促进社会因素的变化,社会因素的变化导致自然环境的变迁,社会、经济、自然诸因素相互作用,通过水资源的变化驱动石羊河流域生态系统的变化。     

黑河流域典型区土地利用格局变化及影响比较

在黑河流域选择两个典型区域进行土地利用变化的空间差异与影响的对比研究,利用20世纪60年代以来的三期遥感数据,通过定量表征指标体系,对比分析了两个区域不同空间土地利用格局变化和土地利用类型变化的分异特征,定量评价了土地利用变化对不同区域绿洲系统的稳定性和水资源空间分配的影响。结果表明：过去35年来两个对比区域不同的土地利用格局变化,形成了显著的绿洲沿河流的溯源迁移和以基于下游老绿洲的渐进性绿洲外围拓展两种不同模式,前者导致流域水资源过度集中消耗于流域上游和源区,中下游水资源可利用量急剧减少,在35年间下游荒漠化土地增加了85.1%,灌溉绿洲萎缩了25.5%;后者则不同,水资源利用量的空间配置在区域下游具有小幅度集中,区域绿洲系统整体的稳定性较高。从流域整体的水土相互关系出发,合理规划干旱内陆流域土地利用模式和空间土地资源配置,对于促进流域整体的可持续发展具有重要意义。