黑河输水条件下土壤水地下水相互作用及其生态水文效应研究

黑河中下游气候干旱、植被稀疏、生态脆弱，其植物的生长与发育主要依赖上游来水及其通过侧向流动所转化的土壤水和地下水。受上游来水、绿洲开发与气候的影响，可更新利用的水资源减少引起地下水位下降，加剧植被退化、土地沙化以及生态和生产用水矛盾，其地表水、土壤水、地下水和人类活动有着复杂的相互作用并对区域生态水文过程产生重要影响。本项目拟针对黑河流域中下游生态水文特征，通过观测与模拟研究相结合，探讨河流输水条件下地表水、土壤水和地下水的相互作用机制及其对干旱区河岸植被及区域生态水文过程的影响机理，建立考虑地下水侧向流动及植被动态变化的干旱区河岸植被与区域生态水文模型，为考虑河流输水条件下土壤水地下水变化及其生态效应的评估提供生态水文模式平台。这对于增进干旱区内陆河流域地表水、土壤水、地下水与植被相互作用的理解并最终提高水资源变化及其生态效应的模拟预测能力，具有重要的意义和价值。

黑河中下游气候干旱、植被稀疏、生态脆弱，其植物的生长与发育主要依赖上游来水及河流湖泊侧渗补给所转化的土壤水和地下水。受上游来水、河流输水、调水灌溉、绿洲开发的影响，可更新利用的水资源减少引起地下水位下降，加剧植被退化、土地沙化以及生态和生产用水矛盾，其地表水、土壤水、地下水和人类活动有着复杂的相互作用并对区域生态水文过程产生重要影响。本项目的研究主题是“黑河输水条件下土壤水地下水相互作用及其生态水文效应研究”，其主要的科学目标是针对黑河流域中下游生态水文特征，通过模拟与观测研究相结合，研究并揭示河流输水条件下地表水、土壤水和地下水的相互作用机制及其对干旱区河岸植被及区域生态水文过程的影响机理，建立考虑地下水侧向流动及植被动态变化的干旱区河岸植被与流域生态水文模型，为考虑河流输水条件下土壤水地下水变化及其生态效应的评估提供生态水文模式平台。项目执行四年来，围绕上述科学目标, 在考虑河流输水对土壤湿度和地表通量影响的河岸生态水文模型，以及地下水侧向流动的流域生态水文模型构建与应用方面开展研究，完成了预期目标。取得如下主要成果：构建了考虑河流输水的土壤水地下水相互作用模型，并将其与陆面过程模型CLM4.5耦合，由此建立了考虑河流输水及地下水侧向流动对河岸地下水水位、土壤湿度、植被生长以及陆气通量影响的河岸生态水文模型；利用所构建的河岸生态水文模型及基于观测与模拟分析重建的黑河流域中游5个关键断面（S213桥、G312桥、铁路桥、高崖、平川桥）1979-2013年日平均流量与水位,进行数值模拟，揭示了河流输水条件下地表水、土壤水和地下水相互作用规律及其对河岸植被的影响机理。该项目还将拟三维地下水模型、人类取水用水方案，与陆面过程模式CLM4.5耦合，建立了综合考虑地下水侧向流动与人类取水用水影响的陆面过程模式，为研究干旱区人类用水活动对生态水文过程的影响提供流域生态水文模式平台；利用所构建的陆面过程模型以及所重建的地表地下水灌溉量估计针对黑河流域进行数值模拟，揭示了人类取水用水与河流输水对流域生态水文过程的影响及机理。