基于水土生态可持续的干旱区绿洲水资源利用研究

摘要

焉耆盆地位于新疆巴音郭楞蒙古自治州北部，为典型的干旱区绿洲。近些年来，由于绿洲内部水土资源的过度开发以及人类活动的影响，导致灌区土壤呈现盐渍化、博斯腾湖水矿化度升高、水生态环境系统恶化等一系列问题，尤其是博斯腾湖水位已长期接近法定最低运行水位1045m。如果上述问题得不到妥善解决，将会严重制约绿洲经济-社会-生态系统的稳定与可持续发展。因此，研究焉耆盆地绿洲水土资源开发，合理配置绿洲灌区地表水地下水用水量，妥善安排生产、生活和生态用水关系，促进绿洲水资源合理开发与高效利用，对于实现绿洲水土生态系统的可持续发展与经济社会的繁荣稳定具有重要意义。
　　本文首先采用生态水文学方法，多角度论述了基于水-土-生态安全的地下水合理调控区间，在此基础上，利用Modflow软件对研究区地下水资源量及可开采量进行数值模拟;为研究绿洲农业用水结构（地表水地下水利用比例）对农业可持续发展与水资源可持续利用的影响，以绿洲典型区为研究对象，通过对典型区水盐数据的采集与分析，建立了典型区“两水”联合开发利用方案集合，确定了较适宜的“两水”开发利用模式;采用趋势外推法和用水定额法相结合的方式对研究区规划水平年各业需水量进行了预测，并以缺水量最少与供水成本最低为目标方程，建立了基于多目标约束的水资源合理配置模型，并利用元胞多目标粒子群算法对该模型优化求解;根据水资源配置结果，采用格序理论、理想解法并结合水资源承载指数模型，对不同水平年的水资源承载力情况与社会经济发展规模进行分析。本文主要研究结果如下:
　　(1)采用生态水文学方法对研究区地下水水位与地表植被生长、农田土壤盐渍化及潜水蒸发关系进行定量分析，提出绿洲灌区适宜的地下水水位调控区间宜为3.0m～4.5m，地下水埋深处于该深度对于植被正常生长、农田土壤盐渍化防治、适度发展高效节水农业以及维护绿洲水资源安全都是合适的;根据地下水水位调控要求，利用Modflow软件对研究区地下水资源可利用量进行数值模拟，结果表明地下水年开采量为4.0亿m3较合适，此时研究区地下水平均埋深为3.11m。
　　(2)以焉耆盆地绿洲典型区为例，以典型区地下水最大可开采量为目标函数，以防治土壤盐渍化、地下水水位动态平衡、水盐均衡等因素为约束条件，建立了典型区地表水地下水联合开发利用模式的数值方程。利用Modflow软件对典型区不同地下水调控水位进行水均衡模拟，提出两水联合开发利用调控方案集合，在此基础上，利用盐均衡模型对不同调控方案进行模拟。结果表明:通过对不同调控方案下的地下水水质、作物根层土壤盐分、作物用水量与水资源利用这4因素综合考虑，典型区作物生育期地下水位调控在2.5m～3m左右为宜，地表水地下水引水比应控制在1.06～3.02之间;农田土壤排盐采用冬、春灌结合方式，洗盐定额为2700 m3/hm2，冬灌采用隔年冬灌方式，每隔5～10年所有耕地再增加一次春灌，农田排灌比宜为11.5％～11.9％。
　　(3)采用趋势外推法和用水定额法相结合的方式对研究区规划水平年各业需水量进行预测，结果表明:研究区2015年各业总需水量为138936.5万m3，2020年各业总需水量为131635.8万m3，2030年各业总需水量为125930.2万m3;随着产业结构的调整及高效节水农业的不断发展，农业用水所占比重逐渐降低，2030年降至各业用水总量的83.36％，工业用水所占比重逐渐上升，2030年达到各业用水总量的12.06％。
　　(4)以绿洲缺水量最小及供水成本最低为目标方程，综合考虑博斯腾湖运行水位、地下水开发利用“双控指标”等因素，建立了基于多目标约束的水资源合理配置模型。利用Matlab软件结合元胞多目标粒子群算法对该模型进行优化求解，结果表明:不同规划水平年，焉耆盆地各业供水量分别为138936.5万m3（2015年），131635.8万m3（2020年）与125930.2万m3（2030年），供需水量平衡，无缺水现象发生，此时博斯腾湖运行水位均在1045.0m以上;研究区绿洲农业灌溉规模宜控制在15.33万hm2为宜，较现状年减少6.48万hm2;不同水平年，高效节水农业发展比例宜控制在总灌溉面积的62.7％～80.6％，农业引水比（地表水地下水用水量比值）应控制在2.653～3.278。
　　(5)根据干旱区水资源特点，并结合焉耆盆地实际情况，建立了涵盖水资源、社会、经济和生态系统这4个方面、15项评价指标的水资源可持续利用能力评价体系。采用格序理论对评价指标进行权重计算，利用正、负加权理想解方法对不同水平年水资源承载力值进行评价，并根据水资源承载指数模型对研究区经济发展规模进行定量计算，结果表明:人口密度、农村人均生活用水量、GDP增长率、万元工业增加值用水量、单位面积灌溉用水量及森林覆盖率是影响水资源承载力的主要因素;研究区2011年、2015年、2020年及2030年的水资源承载力综合值分别为0.4989、0.5307、0.5441与0.5459，承载力综合值呈缓慢上升趋势，承载力等级由Ⅳ级上升为Ⅲ级;在现状经济技术水平和社会生产条件下，研究区水资源可承载的经济发展规模为405亿元人民币。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 选题依据

1．2 研究目的与意义

1．3 国内外研究综述

1．4 主要研究内容及创新点

1．5 研究方法与技术路线

1．6 本章小结

第2章 焉耆盆地基本概况

2．1 地理地形

2．2 气候条件

2．3 河流湖泊

2．4 社会经济

2．5 水资源现状

2．6 水资源开发利用

2．7 本章小结

第3章 基于水土生态安全的地下水水位阈值及可利用量研究

3．1 基于水土生态安全的地下水水位阈值确定

3．2 基于水土生态安全的地下水可利用量评价

3．3 讨论

3．4 本章小结

第4章 基于水盐均衡的绿洲典型区地表水与地下水联合开发利用模式研究

4．1 典型区概况与数据采集

4．2 典型区水盐均衡模型的建立

4．3 模型求解

4．4 讨论

4．5 本章小结

第5章 焉耆盆地供需水量预测

5．1 研究区需水量预测

5．2 可利用水量预测

5．3 本章小结

第6章 基于水土生态可持续的焉耆盆地水资源合理配置

6．1 水资源合理配置背景说明

6．2 水资源合理配置模型建立与求解

6．3 模型计算结果分析

6．4 讨论

6．5 本章小结

第7章 焉耆盆地水资源承载力变化研究

7．1 水资源承载力评价指标体系建立

7．2 水资源承载力评价模型

7．3 水资源承载力评价

7．4 水资源承载力下的经济发展规模分析

7．5 讨论

7．6 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 主要结论

8．2 研究展望

附录

参考文献

致谢

作者简介