黑河流域农业节水的生态水文效应及多尺度用水效率评估

黑河流域面临严重的水资源短缺、生态环境恶化问题，推行灌溉节水、提高农业用水效率是保障农业经济效益、促进水资源可持续利用的重要途径。本研究以灌溉节水-水文过程-生态环境为研究对象，以认识灌溉节水对绿洲的生态水文效应及不同尺度农业用水效率研究为主线，通过对农田、灌区、绿洲等不同尺度生态水文过程关键环节的试验及数值模拟，发展农田及绿洲尺度水文过程模型，揭示灌溉节水的生态水文效应及其对农业用水效率的影响机理和尺度效应，明晰绿洲灌溉节水对生态环境的影响。力求回答: 如何定量化描述灌溉节水对农田水循环的影响？如何建立耦合饱和-非饱和带水动力过程的区域水文模型，以研究灌溉节水对区域生态水文过程的影响？区域水转化对农业用水效率尺度效应的驱动机制及其对农业节水的响应是什么？如何确定提高农业用水效率和改善生态环境的灌溉节水阈值？为建立基于生态环境健康的我国旱区绿洲农业的节水模式提供理论依据。

黑河流域是我国典型干旱内陆河流域，中游绿洲区集中了流域92%的灌溉面积，农业灌溉占到黑河流域总用水量的80%以上。因此充分认识该区域农田水文过程、评价多尺度农业用水效率、探讨节水潜力具有重要意义。在此背景下本项目开展了以下研究：（1）以田间尺度农业水文模型为基础，发展了基于GIS的区域分布式农业水文模型和基于大系统分解协调理论的灌区灌溉水优化模型，并应用于典型灌区及中游绿洲的农业用水效率评价。（2）建立典型农田侧向渗漏及周边土壤水分动态响应的模拟模型，利用田间观测数据对模型进行率定、验证，计算分析了多情景下的侧渗比。（3）建立了基于景观单元的干旱区绿洲水文模型，在对模型率定验证后，预测了规划节水情景下中游绿洲水文过程响应。（4）以中游绿洲不同尺度水资源利用情况为研究对象，通过阈值模型构建、函数模拟、多维调控、方案优选等相关方法，研究绿洲、灌区、农田等不同尺度的节水与灌水阈值。.研究结果表明：（1）中游绿洲尺度灌溉水有效利用系数在0.5左右，农渠以下平均约0.7左右，深层渗漏量约占灌水量的20%；渠系配水空间不合理是导致部分地区农业用水效率较低的主要原因；在不显著影响作物产量及效益的条件下，盈科灌区灌溉水量可减少15%-20%，中游绿洲区可减少约18%。（2）渠系渗漏和田间渗漏是灌溉回归水的主要来源，传统计算方法下灌区灌溉水有效利用系数约为0.5，制种玉米灌溉水分生产率约为0.9kg/m³，考虑排水再利用的灌溉水有效利用系数和灌溉水分生产率比传统计算方法高约15%。（3）农田侧渗量比约12%, 小额多次灌溉及大田块灌溉有助于减小侧渗。节水后渠系水渗漏补给地下水量占地下水补给总量的比例有所减少。若将渠系水利用系数提高至90%，渠系水渗漏补给地下水将减少到12.8%。开展田间节水措施有助于减少中游绿洲ET总量、农田灌溉水深层渗漏量，也减少了地下水总开采量；同时农田深层渗漏补给地下水量也将减少。（4）田间尺度制种玉米、大田玉米和春小麦节水条件下的灌水阈值分别为240-450mm, 230-520mm 和180-320mm；保证盈科灌区引水安全的最小值为1.32亿m³；区域尺度上，优化结果为2020年黑河中游种植面积21.3万ha，其中田间节水配套面积4.3万 ha，粮经饲种植比55:35:10。.本项目共发表论文32篇，其中SCI、EI论文26篇，另有8篇在投。