海河流域水系统演变关键机制与区域水资源供需分析

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1、海河流域水系统演变关键机制与区域水资源供需分析一、项目简介海河流域含京津冀，是我国水资源短缺和用水矛盾最突出的地区。本成果围绕海河平原水资源供需的三大关键分项：山区径流变化、浅层地下水补给、农田用水与区域水量平衡开展研究，揭示了山区来水演变的关键驱动机制，实证了浅层地下水下降后土壤厚不饱和层的水分亏缺状态，对南水北调实施后海河平原水资源的供需平衡进行了科学分析，指出了未来水系统演变的可能方向。重要发现如下：1、将统计检验和物理模型等手段结合，实现对水文突变背后的关键驱动因素的推断，拓展了辨析水文演变关键驱动因素的研究思路。海河流域径流减少的现象已

2、被现有研究广泛证实，但驱动这一现象的关键机制仍不明确，特别是对于众多人类活动在水系统演变中所起的作用还缺乏有力的科学证据。研究选取流域内控制北京、石家庄等城市来水的八个关键子流域，利用SequentialMann10-Kendall统计方法，发现径流发生突变的关键时期为1978-1985年，进而提出利用突变期内最可能的影响因素来推测影响径流的关键因素的研究思路。根据该思路，得出70年代末农业大发展带来的用水增加是山区来水减少的关键因素。在此推测的基础上，通过分布式水文模型发现在滹沱河流域气候变化仅造成24%的径流减少，人类活动是主因；进而，通过对

3、比农业活动最剧烈的大寨所在流域和相邻流域，证实了农业用水在影响山区径流减少中的核心作用。研究思路的可靠性得到验证，农业用水是海河流域山区来水减少的关键驱动因素这一发现被确立，为海河流域上游来水的调控与管理指明了方向。2、揭示了山前平原区地下水大埋深条件下农田对地下水的补给机制，实证了土壤厚不饱合层的水分亏缺状态。通过钻取20米深的土壤剖面，对深层土壤剖面土壤颗粒及土壤含水量的分析发现，农田节水使表层0-3.5米土层水分亏缺增加，减少了灌溉和降水对地下水的补给，但3.5米以下土层仍保持田间持水量状态，可保证地表充沛降水和灌溉水等特殊条件下地表水对地

4、下水的补给，回答了华北大埋深条件下地表能否有效补给地下水的科学问题。此外，太行山山前平原区降水对地下水的补给机制被重新定义，根据三个剖面分析，由于节水造成土壤水亏缺，只有一次降雨或者数次连续降雨超过170mm时降雨才可能入渗补给地下水。该成果在第36届国际水文地质大会做特约报告，被国际著名地下水专家加拿大的JozsefToth教授肯定，获BestLectureAward。103、利用多种研究手段量化了海河平原农业用水的时空分布和区域水量平衡，突破了我国农业用水单纯依靠统计数据的局限。基于改进的三大作物模型和遥感手段，估算了不同时空尺度海河平原的农

5、业用水量和灌溉需水量，拓展了评估农业耗水的方法体系；通过多模型耦合实现地表-地下水联合模拟，评估了区域水量供需平衡，确立了山前平原区南水北调实施后水量基本平衡、低平原区仍然亏缺的未来水资源态势。该研究的系统性得到加州大学JournalofVadoseZone副主编ThomasHarter教授的高度肯定。二、主要完成人及其贡献1、杨永辉（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），排名第1，研究员，副主任。是科学发现1、2、3项核心思想的提出者，设计了项目的整体研究思路。主要贡献为：完成了有关山区来水的研究工作，参与了土壤剖面特性和土壤水分

6、亏缺状态等的数据分析和研究，对农业用水的评估方法利用DSSAT模型进行了前期研究，并在后期指导了棉花模型以及地下水模型的整合和模拟。投入到该研究的工作量占本人工作量的90%。是所有8篇代表性论文的通讯作者，同时是第1、2、6项代表性论文的第一作者。2、杨艳敏（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），排名第2，副研究员。10是科学发现3的主要贡献者，主要贡献为：完成COTTON2K作物模型的中国区域的矫正，增加整枝和打顶的功能；以三大作物模型为基础，结合蒸发皿系数等传统农作物耗水计算方法，分析了河北平原区各种作物、不同年份、不同区域的耗

7、水量。同时用遥感的手段分析了海河流域灌溉需水量的时空分布，并分析了其时空分布差异的驱动原因。投入到该研究的工作量占本人工作量的90%。是第4篇代表性论文第一作者。3、韩淑敏（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），排名第3，副研究员。是科学发现第2项的主要贡献者，用土壤深层取样的方法对20米深的土壤剖面进行分析，验证了降雨对地下水的补给可能由于山前平原包气带加厚而减少的假设。提出在太行山前平原区，只有一次降雨或者几次连续降雨超过170mm时才存在降雨入渗补给地下水的条件。投入到本项目的工作量占总工作量的80%。是代表性论文第5项的第一

8、作者。4、胡玉昆（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），排名第4，助理研究员。是科学发现第3项的主要贡献者，利用多模型综合