水管理策略对流域水循环和农业生产力的影响研究

Due to decreasing of the available water resources in Hai River Basin in the recent decades, conflictions for management of water and land resources are emergent and the ecological situations are continually deteriorating. What will happen after the completion of Midway Project of South to North Water Transfer is still demanded to further investigated. This project focuses on the Ziya and Daqing River catchments in the southern Hai River Basin. Based on the VIP ecohydrological model, simulations of the hydrological cycle related processes will optimized and extended, and a water resources management module will be developed. Then an integrated catchment ecological-hydrological cycling modelling system is developed. Fusion method between remote sensing, land surface measurements and VIP model is under explored to retrieve the principal parameter patterns of canopy photosynthesis and transpiration, aiming improving model prediction accuracy. By simulating the synergistic effects of South to North water transfer, agriculture regulation and climate change, the impacts of water management strategies on hydrological cycle and agricultural production are quantified and assessed. New scientific strategies and measures for integrated basin management will be raised by employing the emergy sustainable indices as criterions, which will be guidance of social and economic development.

近几十年来海河流域可利用水资源量显著下降，水土资源配置矛盾突出，生态环境持续恶化。南水北调中线运行后，农业与生态环境将如何变化，有待深入研究。本项目以海河南系子牙-大清河流域为对象，基于VIP生态水文模型，优化和拓展生态-水文关键过程的模拟、构建水资源优化配置模块，集成流域生态-水文循环综合模拟系统。研究遥感、地面观测信息与机理模型的融合方法，反演植被光合和蒸腾过程核心参数的空间格局，提高生态水文过程的预测精度；着重探讨在南水北调引水、农业结构调整和气候变化等因素协同作用下，不同优化目标的水管理策略对流域水循环过程和农业生产力的影响。依据流域资源环境可持续发展指标，提出流域综合管理的方法和措施，为社会经济可持续发展提供科学依据。

项目以华北地区及典型流域为研究对象，探索流域生态水文过程的变化和水资源管理策略对水循环要素和农田生产力的影响。通过更新和拓展自主开发的VIP生态水文模型，增强了模型的功能和模拟精度，主要的更新和拓展包括：构建适用于起伏地形的地面辐射收支模拟方案；将土壤碳循环模拟拓展为土壤碳氮循环模拟；将作物模拟的种类增加为三类，即玉米、小麦和水稻；改进了坡面和河道汇流的模拟方案；构建了流域尺度的水资源优化配置和效益评估模型。利用大型五水转换实验装置,开展增温和空气CO2升高对玉米作物系统生理生态和水热过程影响的实验，结果显示日均温升高2℃下，作物生育期缩短8天，器官生物量分配比例改变，叶长叶宽均减小，叶面积指数下降。日蒸散强度显著增大，但因生育期缩短，生育期总蒸散量略微减少。通过观测发现，水分胁迫和中低等光照条件下荧光产额与光化学产额的关系呈现非线性、非一致性，为构建非线性的荧光-光合作用率关系式提供实验证据。设计了利用遥感植被指数与VIP模型融合的方法反演大尺度作物光合能力参数(光量子利用效率、最大羧化率(Vcmax))的方法，依此模拟分析子牙-大清河流域生态水文过程的变化，发现流域上游山区蒸散和生产力在2000年以来明显上升，主要驱动因子是降水增加和自然植被系统的人为干扰减少，而下游平原区则因土地利用变化导致农业生产力下降；流域内作物产量差的成因是水分胁迫和土壤肥力不足所导致。未来气候变化将增加植被需水，同时作物生产力和水分利用效率提高。对子牙河流域水资源优化配置方案和情景的评估，发现农业用水优化配置导致上游地区农业用水减少，流域出口径流量增加（约5%）。在灌溉水利用系数提高28%，下游有南水北调工程供水补给的情景下，丰水年流域水资源将盈余18%，而在平水年和枯水年，流域水资源亏缺可达8%和26%。准确模拟流域水文过程，合理配置水资源，可以实现流域水系统健康和农业持续发展。