基于水转化及作物生长多过程耦合的子牙河平原农业干旱模拟评估研究

The scarcity of water resources and frequent occurrence of drought are the main limiting factors to the sustainable crop production of wheat in the Haihe River Basin. Therefore, for avoiding the agricultural drought, ensuring food security and improving the agricultural water use efficiency, it is critical to quantitatively assess the spatial and temporal characteristics of agricultural drought and its response mechanism. In this study, the distributed coupled model for simulation of water transformation and crop growth processes, named SWAT-CR, is to be developed by coupling the hydrological model SWAT and the crop growth model CERES. Then we select the Ziyahe Plain of the Haihe River Basin as the study area. The distributed hydrological model of Ziyahe Plain is constructed using the SWAT-CR model and GIS/RS techniques, with the data from different scales and sources, and the model is to be well calibrated and validated. The processes of water transformation and crop growth are simulated for winter wheat during 1996-2010, and then some typical agricultural drought indices are calculated and the relationships between the indices and the crop yields are analyzed. On the basis of simulation results, the suitable agricultural drought index is optimally determined for the study area. Further, the temporal and spatial characteristics of agricultural drought are quantitatively assessed with the selected index. Based on the IPCC Special Report, the weather data of four GCMs and three emission scenarios are selected, and the response and evolution of agricultural drought will be predicted under different scenarios for providing scientific guidance for agricultural drought avoidance.

水资源短缺旱灾频发是制约海河流域冬小麦稳产增产的主要因素之一，研究定量描述农业干旱发生的时空特征及响应规律对规避农业干旱、保障粮食安全、提高农业用水效率具有重要意义。本研究将耦合分布式水文模型SWAT与作物生理生长模型CERES，构建可模拟水转化及作物生长多过程的SWAT-CR模型；以海河流域的子牙河平原为典型研究区，借助地理信息系统平台，通过融入遥感技术，使用多尺度多源数据以构建子牙河平原SWAT-CR模型，并进行模型的率定与验证；模拟1996-2010年冬小麦生育期内水转化及作物生长过程，计算多个农业干旱指标并分析其与产量的相关性，优选适宜于研究区的农业干旱指标，并开展农业干旱时空特性的定量评估；选取IPCC最新评估报告中4种GCM模式和3种排放情景的未来气象数据，预测不同情景下农业干旱的时空响应及演变规律，为合理规避农业干旱提供科学参考。

水资源短缺旱灾频发是制约海河流域冬小麦稳产增产的主要因素之一，研究定量描述农业干旱发生的时空特征及响应规律对规避农业干旱、保障粮食安全、提高农业用水效率具有重要意义。本研究以海河平原为研究区，以冬小麦为研究对象，开展农业干旱风险的定量描述与评估，以及农业干旱对气候变化的响应研究。主要的研究内容和取得的成果如下：（1）基于改进的分布式水文模型的农业干旱定量评估研究，修改了水文模型中作物模块有关冬小麦进入越冬期的时间、生育期积温的计算方法等，构建了可进行水转化和作物生长模拟的分布式水文模型，并获得了良好的参数率定与验证结果，优化了不同水文年型下冬小麦的灌溉制度，可平均减少灌溉量23%，并保持产量总体上基本不变，提高CWP12%，在常规年型下，干旱风险较小，约有50%的地区减产率低于20%，但在黑龙港地区减产率相对较高，干旱风险较大；而在二十年一遇的干旱情景下，在各个地区均有明显的减产，最高地区可达60%以上。（2）农业干旱对气候变化的响应预测研究，分析了未来不同排放情景不同时段的降水、气温和辐射的变化趋势，并模拟了不同气象条件下优化灌溉条件下的水均衡要素与小麦生长，结果表明产量在不同时段不同排放情景下均明显增加，CWP总体上均低于历史时段，极端天气事件发生频率在增加，小麦生育期内受到的水分胁迫最高可达现状下的5-6倍，面对的干旱风险极大，在减产率较高的地区，小麦产量的不确定性也较高，干旱风险较大。（3）水文模型的全局参数敏感性分析及优化反求方法研究，建立了基于LH-OAT和MGA的农业水文模型参数全局敏感性分析与参数优化方法，应用小麦试验数据进行了模拟测试，表明该方法可有效的提高模型率定效率。以上研究可为海河平原区制定适宜的农业用水管理模式，以规避干旱风险、提高水资源利用效率、促进社会经济的可续发展提供科学参考。