变化环境下西北旱区农业水资源系统的响应模拟及敏感性评估

Hydrological circle processes and spatial distribution of water amount and relations between water supply and water demand in basins are significantly influnced by climate change and land-use/cover change(LUCC).It pose the great challenges of water supply security and food security. The purposes of the research are to show the influence mechanism of climate change on agricultural water supply and demand, and to improve the capability of agriculture to climate change. The Shiyang River Basin which is the typical inland river in arid area, is selected as the study area. The influnces of climate change and LUCC on the process and machnism of hydrological circle evolution will be studied. Based on the ditributional hydrological model established at basinal scal in arid area,the response of climate change on hydrological processes will be simulated and forcasted, and the contribution of climate change and LUCC on the changes in streamflow will be quantified. Based on the crop water demand model, the main crop water demand process and regional irrigation water demand under climate and LUCC will be simulated and forcasted. The evaluate indexes system of agriculture water system sensitivity under climate change and LUCC will be established and the sensitivity in the future will be evaluated. An adaptation of agricuture water resources system in arid area will be developed.It will provide the bases on the decision of agriculture water resources management and controling. So it has important science significenc and applying perspectives.

全球气候变化和土地利用变化对水循环过程和水量空间分布、水供需关系等有显著的影响，给农业供水安全和粮食安全保障带来巨大挑战。项目以揭示变化环境对西北旱区农业供需水的影响机制，提高农业应对气候变化风险的能力为研究目标。以石羊河流域为典型研究区，通过建立旱区流域尺度SWAT分布式水文模型，模拟气候变化和土地利用变化（LUCC）情景下水循环过程的响应，定量区分历史气候变化和LUCC对区域水资源变化的贡献；预测未来气候变化和LUCC组合情景下水资源的响应；建立区域农业灌溉需水模型，预测未来气候变化下主要作物需水过程以及气候变化与LUCC组合情景下区域灌溉需水量的响应；建立变化环境下农业水资源系统敏感性的评估指标体系，预测未来农业水资源系统的敏感性；提出适应气候变化的农业水资源系统调控模式与种植结构优化调整方案。为西北旱区应对气候变化的农业水管理与调度提供决策依据，具有重大科学意义和广阔的应用前景。

项目采用奇异谱分析、小波分析、Mann-Kendall法和OK空间插值法等多种方法模拟气象水文变量的时空演变特征及多尺度特征，采用统计降尺度模型（SDSM）模拟和预测Hadcm3气候模式A2和B2情景下降雨、气温及参考作物蒸发蒸腾量ET0；基于概念性生态水文模型、SWAT水文模型及VIC分布式水文模型等多种方法区分径流对变化环境的响应，结合SDSM模型预测未来径流；对CFSR、CMFD以及TRMM三种遥感降水数据进行了空间插值校核以及径流模拟，基于贝叶斯平均模型（BMA），分析了CMIP5中CanESM2、CNRM、FGOALS、GFDL.CM3和MRI.CGCM3 5种气候模式的降水数据的不确定性，并模拟了以5种模式及其BMA模型的降水为输入的未来径流；基于作物灌溉定额计算，预测了未来气候情景下作物灌溉定额及区域灌溉需水量，将灌溉需水量分解为种植规模、种植结构、气候变化以及节水工程4个驱动效应，构建了灌溉需水量的LMDI分解模型，提出了气候变化下灌溉定额的全局敏感性分析方法；构建了变化环境下农业水资源系统供需平衡的系统动力学模型（SD），发展了基于虚拟水细分的农业水资源多目标优化配置模型。以西北干旱区石羊河流域、黑河流域等为研究区，研究结果揭示了变化环境下气候水文要素及干旱指标的时空演变规律及多时间尺度特征；预测并获得了Hadcm3气候模式A2、B2情境下未来气温、降雨以及ET0的变化；定性和定量区分了气候变化和土地利用变化对流域径流变化的影响，模拟预测了径流对未来气候变化情景的响应，多源遥感数据中校核后的TRMM数据在SWAT模型中的径流模拟精度较高，BMA模型可以减少不同气候模式降水数据的不确定性；获得了主要作物灌溉定额的空间分布规律以及不同气候情境下的未来变化及区域灌溉需水量的变化，揭示了灌溉需水变化的主要驱动因素以及灌溉定额的敏感气候因子；获得了变化环境下未来农业水资源供需平衡的响应及灌溉缺水率，提出了适应气候变化、提高绿水利用率的农业种植结构调整方案。研究结果可为研究区适应气候变化的区域水土资源规划和管理提供科学依据。