水资源约束下的阿克苏河流域适宜绿洲规模分析

阿克苏绿洲是中纬度干旱区典型的绿洲灌溉系统,制定绿洲适宜发展规模、明确适宜耕地面积,可为实现绿洲的生态稳定与可持续管理提供科学依据。以中国西北干旱区的阿克苏河流域为研究对象,基于作物需水量和绿洲适宜面积模型的水热平衡法,借助典型绿洲结构模型,计算了阿克苏绿洲的适宜耕地面积。结果表明：2010-2015年阿克苏灌区的作物需水量高达740.3 mm,较20世纪60年代的539.6 mm增加了37.2%;考虑到山区来水和下泄塔里木河干流的水量要求,阿克苏绿洲的可用水量为42.6×10⁸ m³;阿克苏河流域绿洲已处于不稳定状态,耕地面积超过了水资源承载能力。计算得出绿洲适宜规模为12 430 km²,与现有水平相当。基于作物需水量和绿洲适宜面积模型的水热平衡算法计算的阿克苏绿洲的适宜耕地面积分别为4 674 km²和4 211 km²,需要在当前耕地水平上退耕18%至26%。     

干旱区平原绿洲散耗型水文模型——Ⅰ模型结构

针对干旱地区平原绿洲水土资源利用的特点,建立了以农区土壤水为中心的干旱区平原绿洲散耗型水文模型。散耗型模型考虑了水在不同介质和不同形态之间的交换或转化,并重点考虑人类活动如引水灌溉、地下水的开采等对水平衡的影响。模型把研究区划分为河段、泉井、水库湖泊、农区和非农区五类水均衡模块,水均衡模块之间通过地表渠系、地下水侧渗进行水量交换。应用模型可以对研究区农区、非农区各自的蒸发量、农区向非农区地下水迁移量等干旱区主要水分散耗项进行分析。     

干旱区平原绿洲散耗型水文模型——Ⅰ模型结构

针对干旱地区平原绿洲水土资源利用的特点,建立了以农区土壤水为中心的干旱区平原绿洲散耗型水文模型。散耗型模型考虑了水在不同介质和不同形态之间的交换或转化,并重点考虑人类活动如引水灌溉、地下水的开采等对水平衡的影响。模型把研究区划分为河段、泉井、水库湖泊、农区和非农区五类水均衡模块,水均衡模块之间通过地表渠系、地下水侧渗进行水量交换。应用模型可以对研究区农区、非农区各自的蒸发量、农区向非农区地下水迁移量等干旱区主要水分散耗项进行分析。     

基于LPJ模型的制种玉米碳水通量模拟研究

Lund-Potsdam-Jena Dynamic Global Vegetation Model(LPJ)模型是由Lund University,Pots-dam Climate Research Centre和Max-Planck-Institute for Biogeochemistry,Jena联合开发的植被动态模型,该模型以气候、土壤质地和CO2数据作为输入模拟植被与环境的碳水交换过程。为了利用高时间分辨率的输入数据,对模型的代码进行了改写。张掖绿洲盈科站位于干旱区绿洲典型的农田生态系统。应用其观测资料作为LPJ的输入,模拟了张掖绿洲制种玉米的碳水通量,并用涡动观测到的潜热和CO2通量验证蒸散发和NEE的模拟结果。结果表明LPJ模型能够较好地模拟制种玉米与环境之间的碳水交换,蒸散发(ET)的模拟值与观测值的R2为0.8;NEE的模拟值与观测值的R2为0.79。     

干旱区绿洲地下水位调控方法与模型研究进展

适宜的地下水位是干旱区绿洲健康稳定发展的基础。从地下水生态水位的调控机理、调控方法、调控模型和应用实践入手,综述了干旱区绿洲地下水生态水位调控的研究进展:地表水与地下水相互转化规律是干旱区绿洲地下水生态水位调控的理论基础,掌握人类活动强烈影响下的地表水与地下水的响应关系是关键;地下水的补给、排泄和开发利用是实现地下水位调控的三个主要途径,不同调控方法在作用环节、适用性及效果方面存在显著差异;基于不同的研究重点,目前形成了以水资源配置、水循环过程和生态过程为核心的三类调控模型;建议继续深化强人类活动影响下干旱区绿洲生态水文响应机理与演变规律研究,构建基于调控措施-循环转化-响应反馈的地下水生态水位调控体系。     

河西内陆河流域的水循环分析

通过对我国西北内陆区水循环分析,剖析了河西内陆河流域的水循环特点,即在山区形成水资源、在平原散失水资源和在人工绿洲区产生二元结构;揭示了流域内的水资源以水循环为纽带,相互转化并互相联系;并对山区消耗水量,走廊、盆地、人工绿洲建设引起的地表水与地下水转化的变化和消耗水量的增加,以及内陆河下游水分亏缺问题作了分析评价;并提出了要传递流域水循环整体概念、评价山区与平原绿洲之间的局地水循环、实现在西部开发中实施内陆河流域综合治理的良性循环等问题的讨论。     

互补相关原理在绿洲月蒸发量估算中的应用

互补相关原理反映了区域蒸发能力和实际蒸发的互补关系,可根据常规气象观测资料计算区域实际蒸发量,但目前主要用于湿润、半湿润地区.本文利用位于干旱区的新疆叶尔羌河平原绿洲的水文、气象观测资料,用水量平衡模型计算了年实际蒸发量,用修正Penman公式计算了年蒸发能力,验证了互补相关原理在该绿洲的适用性.利用CRAE(Complementary Relationship Areal Evapotranspiration)模型计算了绿洲的月蒸发量,年蒸发总量与利用水量平衡方法计算得到的结果基本一致,且蒸发量年内变化过程比较合理,表明利用CRAE模型计算干旱区绿洲月蒸发量是可行的.     

塔里木河下游胡杨林耗水数值模型

基于SHAW（Simultaneous Heat and Water）模型,以基本观测要素、植被参数和土壤剖面水热观测数据为模型的输入,对河岸胡杨林的耗水过程、土壤剖面水分变化和能通量进行了较小时间尺度上的模拟研究。结果表明,采用SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值间存在较大偏差。因此,为了进一步提升水热耦合SHAW模型在干旱区的实用性,引入了地下水位因子GSI（Groundwater-Soil water Interaction）,建立了改进的SHAW（GSI-SHAW）模型,解决干旱区荒漠河岸林耗水过程模拟的方法问题。采用SHAW模型和GSI-SHAW模型对胡杨耗水量的模拟进行了对比研究。结果显示,SHAW模型和GSI-SHAW模型模拟的胡杨耗水量与观测值的相关性系数分别为0.8533、0.9075,其平均相对误差分别为21.4%、16.9%,可见,改进的SHAW模型的模拟值更加接近试验观测值。地下水位的考虑一定程度上提升了传统SHAW模型的模拟精度,为干旱区自然植被耗水量的计算提供了新的方法和科学依据。     

SRM融雪径流模型在黑河流域上游的模拟研究

以黑河流域上游作为典型干旱区流域, 探讨了SRM(Snowmelt Runoff Model)融雪径流模型的可操作性. 在论述模型结构、参数意义的基础上, 重点研究以MODIS雪产品为基础的积雪面积衰减曲线的获取方法, 细化了退水系数的获取, 并分析了其中存在的问题. 通过利用WinSRM1.10版本对黑河上游2004年融雪期进行径流量模拟, 结果表明: SRM模型在以融雪水为主要补给的黑河流域上游有着较好的径流量模拟精度, 拟合优度确定系数R2为0.020, 体积差Dv为7.124%. 在实际应用中应最大限度利用已有的气象水文资料, 以更为准确地描述融雪径流过程. 针对数据稀缺的问题, 需要加强小流域的观测, 改进SRM模型以更适用于以融雪为主的我国西北山区流域.     

西北干旱区地下水生态功能评价指标体系构建与应用

西北干旱区降水稀少、蒸发强烈,水资源紧缺,自然湖泊湿地、天然植被绿洲和土壤盐渍化程度对地下水生态水位具有强烈依赖性,因此,西北干旱区地下水生态功能评价指标体系构建成为一个重要课题.本文基于对干旱区不同类型生态状况与地下水位埋深之间关系的机制研究,构建了以浅层地下水埋藏状况为核心要素的"西北干旱区地下水生态功能评价指标体系",它由地下水对自然湿地景观维持性、天然植被绿洲维持性、农田土地质量维持性及其隶属的6项要素指标构成;在石羊河流域中、下游平原区应用结果表明,该套指标体系可为西北干旱区地下水功能评价提供参考,同时还表征石羊河流域中、下游平原区地下水生态功能脆弱,生态功能较弱和弱的分布范围占示范应用区总面积的87.86％,地下水生态功能强、较强分布范围仅占5.07％.由此可见,进一步提高西北干旱区地下水生态功能保护能力刻不容缓.     

西北干旱区SG-SPAC系统水力模型的建立

文章论述了西北干旱区水资源的特点，利用现代农田水分研究方法研究了干旱区地表水、地下水、土壤、植物、大气连续体（SG－SPAC）系统的水分转化规律，建立了地表水、地下水和土壤水之间的水力耦合模型，为干旱区的水资源规划、开发和生态环境保护奠定了科学的基础。     

Study on Water Internal Recycle Process and Mechanism in Typical Mountain Areas of Inland Basins,Northwest China: Progress and Challenge

The water resource and its change of mountainous area are very important to the oasis economic system and ecosystem in the arid areas of northwest China. Accurately understanding the water transfer and circulation process among vegetation, soil, and atmosphere over different hydrological units in mountainous areas such as snow and ice, cold desert, forest and grassland is the basic scientific issue of water research in cold and arid regions, which is also the basis of water resource delicacy management and regulation. There are many research results on the hydrological function of different land covers in mountain areas, basin hydrological processes, however, there are only very limited studies on the water internal recycle at basin scale. The quantitative study on the mechanism of water internal recycle is still at the starting stage, which faces many challenges. The key project “Study on water internal recycle processes and mechanism in typical mountain areas of inland basins, Northwest China” funded by National Natural Science Foundation of China will select the Aksu River and Shule River Basin, which have better observation basis, as study area. The internal mechanism of moisture transfer and exchange process of different land cover and atmosphere, the internal mechanism of water cycle in the basin, and water transfer paths in atmosphere will be studied through enhancing runoff plot experiments on different land cover, analyzing the mechanism of water vapor transfer and exchange between different land covers in the watershed by isotope tracing on the water vapor flux of vegetation water, soil moisture and atmospheric moisture, improving the algorithms of remote sensing inversion and ground verification on land surface evapotranspiration on different land cover, and analyzing the water vapor flux from reanalysis data, and the coupling modeling of regional climate model and land surface process model. At last, the effect of different land cover in hydrological process of mountain area, and the impact of land cover on downstream oasis will be systematically analyzed.     

基于涡动相关仪验证的SEBS模型对黑河中游地表蒸散发的估算研究

在我国西北干旱和半干旱地区, 农业收获主要依靠灌溉保证, 灌溉绿洲的蒸散发(ET)是当地水资源的主要消耗. 通过遥感估算区域灌溉绿洲的ET对于地区合理利用水资源极其重要, 利用MODIS/Terra 影像, 基于物理过程的地表能量平衡模型(SEBS), 结合WRF模式输出的气候驱动数据和地面观测数据来估算黑河中游地区的地表通量和日蒸散发(ET_daily). 估算的ET用不同下垫面的涡动相关仪观测数据进行验证, 结果显示: SEBS模型估算的不同下垫面的ET_daily具有很好的拟合效果(R²=0.96, P<0.001), 在灌溉绿洲估算的ET_daily比实测值偏高, 说明干旱、半干旱地区灌溉绿洲土壤水分胁迫是影响ET的主要因素. 模型估算绿洲作物生长期间的ET_daily和实测的ET_daily平均相对误差为12.5%, 精度在观测的能量不闭合误差以内且精度比戈壁和沙漠地区高.     

黑河流域典型景观植被带陆面过程同步观测研究

为了解内陆河流域不同尺度内与水循环及生态过程有关的水分、热量分布规律,在黑河流域上中下游选取3个典型植被景观带建立观测场,并布设环境观测系统(ENVIS)进行环境要素的同步观测.结果表明,山区森林草地灌丛复合生态区陆面是冷性湿润的下垫面,中游绿洲荒漠接触带是干性、较湿润的下垫面,下游荒漠河岸林景观带是干热性的下垫面.     

Groundwater simulation using a numerical model under different water resources management scenarios in an arid region of China

Groundwater plays an important role in the economic development and ecological balance of the arid area of northwest China. Unfortunately, human activity, for example groundwater extraction for irrigation, have resulted in excessive falls in groundwater level, and aquifer overdraft in the oasis, disrupting the natural equilibrium of these systems. A groundwater numerical model for Minqin oasis, an arid area of northwest China, was developed using FEFLOW software to simulate regional groundwater changes under transient conditions. The vertical recharge and discharge (source/sink terms) of the groundwater models were determined from land-use data and irrigation systems for the different crops in the different sub-areas. The calibrated model was used to predict the change for the period from 2000 to 2020 under various water resources management scenarios. Simulated results showed that under current water resources management conditions groundwater levels at Minqin oasis are in a continuous drawdown trend and groundwater depth will be more than 30 m by 2020. Reducing the irrigation area is more effective than water-saving irrigation to reduce groundwater decline at Minqin oasis and the annual groundwater budget would be −0.978 × 10⁸ m³. In addition, water-diversion projects can also reduce the drawdown trend of groundwater at Minqin oasis, and the groundwater budget in the Huqu sub-area would be in zero equilibrium if the annual inflow into the oasis was enhanced to 2.51 × 10⁸ m³. Furthermore, integrative water resources management including water-diversion projects, water-saving irrigation, and reducing the irrigation area are the most effective measures for solving groundwater problems at Minqin oasis.     

概念性水文模型在出山径流预报中的应用

根据HBV水文模型的基本原理，建立了西北干旱区内陆河出山径流概念性水文模型。该模型反映了我国西部山区流域的径流形成特征，将山区流域划分为高山冰雪冻土带和山区植被带两个基本海拔景观带来对山区径流的形成和汇流过程进行模拟计算，以常规气象站的月气温和降水量为模型的初始输入，模拟计算月出山径流量。应用该模型对河西走廊黑河祁连山北坡的山区流域水量平衡进行了模拟计算，并对年径流和逐月分配进行了预报。结果表明，从枯水年到丰水年，降水量、蒸发量、径流量和径流系数均增加，而冰川融水和积雪融水对出山径流的补给比重则减少，这表明了冰雪融水对径流的具有调节作用。黑河山区流域径流系数远比干旱内流区的平均值大，但要小于全国的平均径流系数。所提出的内陆河山区流域出山径流的模拟和预报模型对年径流量和月分配的预报具有较好的精度，可用于黑河以及其他西北干旱区内陆河出山径流的预报，为内陆河流域中下游的水资源分配和开发利用提供依据。     

干旱区间歇性河流河道两侧地下水运动模型及其求解方法

本文根据间歇性河流河道充水和停水过程周期性重复出现的水文特征,建立了河道两侧区域地下水运动的一维非稳定流模型,提出了把流量边界条件与水位界条件相互转换来求解模型的一种方法.最后应用上述模型分析西北某内陆河下游间歇性输水条件下河道两侧地区地下水位恢复状况,为输水生态效应的定量评价提供了理论基础.     

The Mechanism of Groundwater Salinization and Its Control in the Yaoba Oasis, Inner Mongolia

The arid area is one of the most concerned areas among the water resources researchers and economists. Northwest China will be an important developing region of China in the 21st century. Yaoba is a well-irrigation oasis within this arid area, which is located in the Alxa area west of the Helan Mountains and next to the Tengger desert in the east. It has contributed greatly to the local stock raising and agriculture since its development in 1970. However, the groundwater which the oasis depends on to survive has been getting salinized gradually and more serious in recent years.A comprehensive study was carried out using the methods of groundwater environment isotope analysis, lithofaci-es and palaeogeography, calculations of water-rock interaction and the existing form of chemical components in groundwater etc. It has been found that the salinization of groundwater is mainly caused by reinfiltration water solving the salt in soil which is deposited simultaneously with the sediments and accumulated in th