基于最优性原理的干旱区绿洲生态水文研究

干旱区绿洲生态极为脆弱，水资源开发利用中急需形成生态水文的科学认识，最优性原理为干旱区生态水文研究提供了新的理论与方法。本研究以新疆阿克苏河绿洲为主要研究对象，在水文、气象、遥感等资料收集基础上，开展气象监测、地下水监测、土壤水监测、生态调查与植被耗水测定，建立地下水驱动一维和二维随机土壤水模型，开展点尺度、典型剖面以及绿洲的最优性分析，揭示干旱区生态水文相互作用原理，总结生态需水定额、适宜地下水埋深、适宜地下水开采量、适宜灌溉水利用系数等规律性认识，为我国干旱区绿洲的经济、社会、生态的可持续发展提供技术支撑。关键科学问题包括干旱区绿洲自然植被耗水规律、干旱区绿洲地下水土壤水动态与干旱区绿洲生态水文相互作用。主要研究内容包括：（1）气象、地下水与土壤水监测；（2）自然植被调查、监测与遥感分析；（3）地下水驱动的随机土壤水模型研究；（4）生态水文最优性研究；（5）阿克苏河绿洲生态水文调控。

干旱区绿洲生态极为脆弱，最优性原理为干旱区生态水文研究提供了新的理论与方法。本研究以新疆阿克苏地区叶尔羌河下游胡杨林为主要研究对象，主要研究内容包括：（1）气象、地下水与土壤水监测；（2）自然植被调查、监测与遥感分析；（3）地下水驱动的随机土壤水模型研究；（4）生态水文最优性研究；（5）阿克苏河绿洲生态水文调控。主要成果包括：（1）开展了阿克苏绿洲及干旱区河岸带气象、水文、生态监测，取得了丰富的第一手资料；（2）分析了阿克苏绿洲及干旱区河岸带地下水演变规律，发现绿洲地下水位持续下降，自然植被区域地下水位下降尤为明显；（3）建立模型分析了干旱区河岸带植被蒸散发与地下水关系，建立了基于潜在腾发量和地下水埋深的最优输水模式；（4）耦合土壤水动力学模型和Budyko假设，开展流域蒸散发和径流变化的归因分析，结论包括：北方流域蒸散发下降主要由降水减少导致，南方流域蒸散发下降由潜在蒸散发下降和次雨深增加共同引起，人类活动和下垫面变化导致的流域蓄水能力增加是引起蒸散发增加和径流下降的重要因素；（5）在土壤水随机微分方程的基础上，从时域和频域两个角度模拟并分析了以方程稳态解刻画流域中长期水文形态的应用尺度范围和精度，结果表明：给定不同的气象、下垫面条件，当模拟时间足够长时，土壤蓄水量分布均趋于稳定。（6）根据Eagleson的理论，在由冠层导度和植被盖度两个状态变量构建的状态空间中，由供水曲线和需水曲线确定最优植被盖度，按照这一方法得到的科尔沁沙地最优植被盖度为0.318，遥感数据观测的NDVI转换的植被盖度植（0.317）非常接近；进一步地，降雨变化10%，会引起最优植被盖度变化17%；温度变化10%，植被盖度会相应变化16%。