干旱地区农业水资源管理对水文过程的影响机理研究

Investing the impact of agricultural water management on surface water and groundwater hydrological processes is important to agricultural water resources management. As the agent that responds to water resources management policies, farmer’s crop planting and irrigation decisions can directly determine agricultural water use and affect hydrological processes in watersheds. Using a representative arid agricultural region – the middle reach of the Heihe River Basin – as the case study, and farmer’s individual decision-making mechanism as the key point, this project will investigate farmer’s crop planting and irrigation decision mechanism by combining machine learning and economic optimization methods. Following that, an agent-based model will be built to simulate agricultural water use processes under the influence of water management policies. The agent-based model will then be coupled with a distributed surface water-groundwater hydrological model to simulate the impact of water management policies on surface water and groundwater hydrological processes, focusing on the spatial distribution and variation pattern of river flow and groundwater table in the case study area. This project will aid our understanding of hydrological and water cycle processes under the influence of human activities, and provide simulation tool and decision support for developing and evaluating water management policies in arid agricultural regions.

解析干旱区农业水资源管理对地表水和地下水水文过程的影响是水资源管理的重要内容。作为对水资源管理政策进行响应的主体，农户个体的农作物种植和灌溉决策直接影响农业用水过程，进而对流域水文过程产生影响。本项目选取我国典型干旱内陆河流域黑河流域中游为研究区，以农户个体的决策机制为切入点，融合机器学习和经济优化方法，解析水资源政策影响下农户个体的农作物种植和灌溉决策机制，以此构建基于主体的模型模拟水资源政策影响下的农业用水过程，进而将该模型与研究区分布式地表水-地下水水文模型进行耦合，探究河道径流和地下水水位这两项关键性水文变量在研究区的空间分布特征和变化规律，揭示水资源管理政策对地表水和地下水水文过程的影响机理和作用机制。本项目将提升对人类活动影响下流域水文水循环机理的科学认识，为干旱地区农业水资源管理政策的制定和评估提供模型工具和决策支持。

解析干旱地区农业水资源管理政策对地表水和地下水水文过程的影响是流域水资源管理的重要内容。作为对水资源管理政策进行响应的主体，农户个体的农作物种植和灌溉决策直接影响农业用水过程，进而对流域水文过程产生影响。本项目选取我国典型干旱内陆河流域黑河流域中游为研究区，以农户个体的决策机制为切入点，对地表水和地下水水价、地下水位限制和下游生态流量约束等管理政策影响下农户的决策机制进行了量化表征，构建了基于主体的模型模拟了上述水资源政策影响下的农业用水过程，进而采用深度耦合技术将基于主体的模型与分布式地表水-地下水水文模型进行耦合，构建了分布式流域水资源管理模型。该模型的特色功能是可以实现“分布式水资源管理政策实施-地表水和地下水水资源利用-流域生态水文响应”的全过程模拟。采用情景分析方法对不同管理政策影响下的地表水和地下水用水量、地下水埋深、河道生态流量等关键性生态水文变量进行分析。研究发现水资源管理政策对农户的地表水-地下水用水量、地下水埋深、河道生态流量等变量的影响呈现较为明显的非线性特征，且该影响在流域内不同灌区之间具有明显的空间差异性。该空间差异性的主要影响因素是地下水位埋深、灌区到河流的距离和水力传导系数。研究还发现，若采用分布式水资源管理方式在空间和时间上动态调整地表水和地下水使用比例，可以在不降低农业灌溉总用水量的情况下减少地下水埋深、增加河道生态流量，缓解上下游和灌区之间的用水矛盾。这些研究结果提升了人类活动影响下生态水文过程的科学认识，为流域水资源管理政策制定提供了决策支撑。基于上述模型构建和政策分析的研究成果，迄今已发表学术论文6篇（另外还有2篇论文在审稿返修中），实现了项目的预期目标。