海河流域水资源演变与驱动机制

海河流域含京津冀及周边三省,是我国水资源短缺和用水矛盾最突出的地区。中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心团队围绕不断加剧的水资源短缺,研究了流域水资源演变的关键驱动机制:山区径流变化、农业需水和虚拟水外输,分析了流域水资源演变的主要原因,并对未来的可能调控提出了建议。研究首先选取海河流域的八大山区子流域,分析了20世纪60年代以来的径流变化,确认70年代开始山区来水逐渐减少,径流减少的关键时期是1978—1985年,推断农业用水增加是径流减少的核心驱动因素;其次,基于作物模型、作物系数法和遥感等手段,量化了海河平原农业用水的时空格局和区域水量平衡,通过对比农业耗水量、地下水水位变化和南水北调中线供水量,确立了山前平原区南水北调实施后为实现水量平衡需控制用水的进一步扩大、低平原区仍然亏缺的未来水资源态势;最后,通过粮食贸易的虚拟水分析,指出本地区外输虚拟水达90亿m~3,是造成水资源短缺的重要原因,减缓虚拟水外输或输入一定虚拟水是缓解区域水资源压力的可选方案。     

协同调控水-农业-生态的干旱区多水源优化配置

干旱区农业发展往往以挤占生态用水和超采地下水为代价,考虑水-农业-生态互馈关系的水资源优化配置有助于平衡利益冲突。该研究以地下水均衡、经济效益和生态用水满足度为调控目标,构建基于水-农业-生态协同调控的多水源优化配置模型,并推求协调发展度计算式,提出了结合NSGA-Ⅱ算法和协调发展度的协同优化算法,分析石羊河流域水、农业和生态之间的权衡和协同关系,确定水-农业-生态协同提升下的水资源配置方案以及适宜的农业和生态用水比例。结果表明,现状条件下,六河子系统的水资源优化配置方案的经济效益可提升1.9%,实现地下水正均衡0.59亿m³;全流域农业和生态用水比例为90%: 10%,渠井用水比为67%: 33%。平水年保障蔡旗来水为3.48亿m³/a时,能够以牺牲中游1.6%的经济效益实现生态用水满足度和地下水均衡量分别较基准情景提升4.8%和18.6%。研究为协同调控复杂的水-农业-生态关系提供了一种有效方法,可为干旱区流域水资源规划与管理提供参考。     

虚拟水理论及其在粮食安全中的应用

中国的水资源短缺直接影响到粮食生产,进而影响粮食安全。运用虚拟水理论,通过虚拟水战略,使缺水的国家和地区以贸易的方式获得本地区所需要的水资源,促进商品生产和服务,进而稳定本地区经济可持续发展。该文着重介绍了农作物和畜牧产品的虚拟水计算方法,并结合中部四省区在农业生产中的实例,指出虚拟水战略作为解决水资源短缺的一种备选方案,通过虚拟水贸易使虚拟水在全球范围进行配置。作为一种调节手段,可增加水资源紧缺地区的水资源供应,从而维护区域或国家的水资源安全和粮食安全。对实现水资源的优化配置和粮食安全生产有着重要的理论和现实意义。     

考虑风险价值的不确定性水资源优化配置

保障区域农业用水的可持续发展,对水资源进行优化配置至关重要。由于粮食主产区水资源配置过程中存在许多不确定性因素,在追求最小用水成本时,也存在着较大的风险,因此该文以三江平原涵盖的七台河、佳木斯、双鸭山、鹤岗和鸡西5个重要粮食主产区为研究区域,以区间两阶段随机规划模型为基础,引入风险偏好,构建地表水和地下水优化配置模型。结果表明,双鸭山和鸡西的配水过程中地表水缺水量很大,主要开采利用地下水;佳木斯作为粮食生产面积较大的行政区,需要外来水进行补给;七台河和鹤岗的种植面积较小,综合考虑引水成本和粮食收益,引用较少的外来水来降低成本;最后得出不同来水水平下,各种风险偏好下水资源优化配置的最小成本的变化规律,即在低来水水平下,用水成本从344.2×108~355.4×108元增加到411.5×108~430.7×108元;在高来水水平下,总用水成本从422.5×108~435.3×108元降低到351.7×108~365.3×108元;在中来水水平时,总用水成本则呈现出先增加后减少的规律。该模型兼有区间两阶段和风险价值模型的特点,综合衡量成本和风险,可有效节约用水成本,并能增强水资源系统规避风险的能力,并以佳木斯2014年实际用水为例,计算得到相对误差在15%以内,较为真实地反映水资源优化配置过程中的不确定性和风险性,为提高水资源利用效率和区域水资源规划管理提供依据。     

中国“农业北水南调虚拟工程”现状及思考

基于中国南北方粮食调动的变化分析,结合农业水足迹与虚拟水理论,提出中国在实施南水北调实体工程建设的同时,自1990年已经形成并运行着一个“农业北水南调虚拟工程”。计算结果表明,该工程在1990－2008年期间年均调运虚拟水量已超过200亿m3,远大于南水北调实体工程目前的调水规模;北水南调虚拟工程调水量总体上呈增加趋势,依靠现有南水北调实体工程难以支撑中国北方粮食生产,解决这一问题的唯一出路只能是依靠科学技术,大力发展现代节水农业,提高粮食生产的综合用水效率。考虑到中国南北方经济状况的现实差距,以及“农业北水南调虚拟工程”的长期运行,建议国家实施区域虚拟水贸易战略,同时,加强区域农业水足迹演变与控制研究,制定区域农业水足迹相关技术标准,为实施区域虚拟水贸易战略提供科学依据与政策支持。     

西北干旱地区农业健康用水量计算模型研究

农业健康用水量的确定是西北干旱地区可利用水资源在农业与其他用水行业之间合理分配的基础。依据农业健康用水量的内涵和判别标准,建立了西北干旱区农业健康用水量多目标分层优化计算模型。该模型以各业用水及总用水的综合效益最大为目标函数,依据一定的优化次序计算区域农业健康用水量。并以黑河流域为例,应用模型计算各县级行政单元过去年(1999年)、现状年(2006年)和未来年(2020年)在不同来水频率下的农业健康用水量。结果表明:1999年、2006年和2020年水资源配置按模型计算结果重新调整后,流域经济用水总量(包括农业与工业生产用水)所占比例分别降低2.7%、4.6%和2.1%,而综合用水效益分别增加7.1%、16.6%和13.1%,生态效益提高更为显著,分别为27.6%、37.4%和13.6%,证明了模型的可靠性与农业健康用水的可行性。对照不同水平年农业用水健康结果,2006年较1999年、2020年较2006年农业实际用水状态均趋于健康,流域农业用水比重分别下降3.4%和2.0%,综合用水效益分别提高31.1%和91.6%。此外,如果按照以往农业用水分配次序,2020年在50%、75%和95%来水频率下,可预测流域缺水率分别达到10.6%、13.8%和25.9%,表明水资源将进一步趋紧,需采用农业健康用水标准重新配置水资源,达到有效降低缺水损失的最终目的。     

岔路河流域水资源合理配置研究

水资源合理配置是实现水资源可持续利用的有效调控措施之一。以岔路河流域为研究对象,对该流域的水资源特征进行了分析,采用多目标规划建立流域水资源配置模型,以2007年为规划水平年,以经济效益最大和用水量最小为规划目标,对水资源进行配置。结果表明：在保证生活及生态用水的前提下,节约农业灌溉用水,以发展乡镇工业,从而实现可利用水资源量效益的最大化。     

基于作物生产水足迹的陕西省水资源压力评价

作物生产水足迹可以反映农业生产过程中的水资源利用效率及其真实占用量,对作物生产水足迹的量化可为各地区明确农业生产过程的用水情况,根据当地水资源禀赋合理调整农业种植结构,提高用水效率提供理论支撑。以陕西省为研究区域,在构建了考虑渠系水面蒸发损失的水足迹量化方法的基础上,对陕西省主要作物生产水足迹(WFP)进行量化,并构建了反映水足迹与区域水资源关系的水资源压力指数(βt)和蓝水资源压力指数(βb),分析了陕西省2000—2012年作物生产水足迹与水资源压力指数的时空分异特征。结果显示:作物生产水足迹在作物间、区域间均有较大差异,且在研究时段内均呈现下降趋势,全省综合作物生产水足迹由1.382 m3·kg-1减小到0.931 m3·kg-1;全省年均作物水足迹总量为127.39×108 m3,绿水比例为50.22%;陕西省βt、βb多年均值分别为0.255、0.187,渭南市、咸阳市两地βt、βb分别为0.610和1.200左右,是水资源压力最为严重的地区;除陕南地区外,陕西省其他区域均面临着水资源不可持续的挑战。     

基于虚拟水战略的农业种植结构优化模型

以往灌区水资源优化配置研究着重于经济效益而忽视了社会效益和生态效益,这不适于生态环境及人类生存环境极其脆弱的西北干旱缺水地区。该文在总结原有优化模型基础上通过设置当地人民生产生活条件及环境改善对物质水需求的刚性约束条件,提出基于虚拟水战略的区域农业产业结构优化模型,并以民勤县为例进行模拟计算。结果表明,随着虚拟水贸易系数的增加,粮食作物的种植面积有所减少,而蔬菜类作物的种植面积大幅度增加;其经济效益与用水效益都明显提高,区域粮食依赖性也随之加剧。方案7、8在贸易基础上实施技术节水,在一定程度上保证了粮食安全,节约了宝贵的水资源,有利于旱区生态环境改善。该模型求解出的优化方案为制定合理有效的旱区农业产业结构调整政策有一定的借鉴作用。     

农业用水及其生态社会效应的研究

研究建立了农业用水水资源城市人口非线性动力学模型,并探讨了农业用水的生态效应和有关稳定性问题。研究结果表明水资源城市人口 农业用水三者之间关系是非常复杂的非线性关系,盲目、超规模的农业用水将使城市城镇化抑或城镇农村化;稳定的城市人口与农作物生物总量成线性关系,低灌溉效率下农业用水的增加非但不能使农业增产,还将导致农作物生物总量的减少和城市规模的减小;为达到增加农业用水时既可使农业增产,又支持城市扩大的目的,惟一途径是提高农业灌溉效率     

农产品水足迹评价研究进展

水足迹是消费者或生产者直接或间接使用水资源量的衡量指标,并被广泛应用于全球或区域虚拟水贸易分析研究。本文从全球、国家或地区等不同空间尺度对农产品水足迹评价研究进行了比较全面的综述。近十几年来,农产品水足迹研究从2008年以前的全球农产品贸易虚拟水量分析评价为主,转向2009年以后国家或地区空间尺度的农产品形成过程中所消耗的直接和间接水量的详细核算研究为核心。水足迹评价具有明显的空间分布特征,为了获取准确、全面客观的农产品生产水足迹信息,必须要考虑区域地理特征、土壤理化特性、气候变化、生产技术及污染物生态毒性等因素的影响。水资源管理决策制定时应综合考虑农产品绿水、蓝水和灰水足迹,因为农产品的蓝水足迹表征了社会淡水资源的直接消耗,对国际市场贸易决策制定具有重要意义,而农产品灰水足迹评价则更明确地反映了农业生产对环境的影响程度。实现全球或区域农业水资源保护与可持续利用,不仅要提高农业生产水资源利用效率,还应该调整农业生产结构、农产品虚拟水贸易的模式和方向,减少农产品流通过程和饮食消费的水资源浪费。     

吉林省农作物虚拟水时间演化与空间重构研究

虚拟水从植物累计蒸发蒸腾量的角度对农作物耗水量进行测算,更贴近农业的实际耗水量。运用虚拟水理论、ArcGIS标准差椭圆分析方法和空间重构模型,对2000年、2005年、2010年、2017年吉林省县域地区6种主要农作物虚拟水空间布局及其特征进行了分析。从农业水-土资源空间匹配视角,提出了农业虚拟水空间重构的3种主要模式。结果表明:(1)2000年以来吉林省农作物虚拟水总量呈明显上升趋势,由147.46亿m³,上升到2017年的247.95亿m³;(2)吉林省单位面积农作物虚拟水由东到西呈逐渐增加趋势;(3)吉林省农业虚拟水和播种面积空间重心均位于长春市区,但虚拟水空间重心位于播种面积的西部;(4)吉林省农作物单位面积虚拟水由高到低,依次为水稻、葵花籽、玉米、烟叶、蔬菜、大豆。若要实现农业水、土资源的空间匹配,需结合区域自然气候条件,农作物耗水量区域差异等多方面因素,对吉林县域农作物种植结构与布局进行优化和调整。     

虚拟水战略下的北京市农业产业结构调整

北京市水资源短缺,农业用水量巨大,实施虚拟水战略从外部引入虚拟水资源是优化北京市农业产业结构,实现北京市水资源优化配置的重要途径。该文计算了北京市国民经济贸易中的虚拟水量,研究了北京市虚拟水贸易的历史和发展趋势。在此基础上建立了基于虚拟水战略的水资源配置模型,并将其应用于北京市农业产业结构调整研究。结果表明,在水资源约束下北京市农业在国民经济中的比重将进一步下降,生态农业、观光农业等都市农业类型是北京市农业发展的方向。     

新疆城乡居民虚拟水消费结构及其用水效率评价

水足迹模型是评估人类消费结构对水资源影响的有效方法。结合1995~2007 年的统计资料, 运用水足迹模型, 对新疆城乡居民虚拟水消费结构进行综合评价, 并引入水文和社会水资源稀缺度、集约利用度等指标, 考察城乡居民用水效率。结果表明: 1995~2007 年间新疆全社会总水资源足迹呈现上升趋势, 从1995 年的108.95×10⁸ m³ 上升到2007 年的158.40×10⁸ m³, 增幅达45.4%; 城镇居民虚拟水消费结构多样性指数平均值比农村居民高0.69, 说明城镇居民的虚拟水消费结构更加合理; 不同社会群体的消费多样性指数呈上升趋势,表明居民消费品分布逐步分散化, 饮食结构单一化在逐步改善; 水资源集约利用度从1995 年的7.58 上升到2007 年的22.22, 水资源利用效率有较明显提高。     

黄河流域九省区农业水资源利用效率评价和障碍因子分析

为了解黄河流域九省区农业水资源利用现状,明晰提高九省区农业水资源利用效率障碍因子。基于熵权Topsis模型,以黄河流域九省区为评价单元,从资源利用效率、经济效益、生态效益准则层中选取14个评价指标,构建九省区的农业水资源利用效率的综合评价指标体系,评价黄河流域九省区2004年、2009年、2014年、2019年的农业水资源利用效率,并对九省区的农业水资源利用效率进行障碍因子诊断。结果表明：(1)2004—2019年,青海、内蒙古、河南、山东的农业水资源利用效率较高,陕西、甘肃、山西的农业水资源利用效率相对较低。(2)2004—2019年,各省区的农业水资源利用效率整体提高,且九省区之间的农业水资源利用效率差异逐渐减小。(3)地均水资源占有量(A6)、人均生态环境用水量(A13)是山西、山东、河南、四川、陕西、甘肃、宁夏的主要障碍因子,人均生态环境用水量(A13)、农业水资源利用效率系数(A4)是青海的主要障碍因子,地均水资源占有量(A6)、用水的农业生产总值(A9)是内蒙古主要障碍因子。因此,九省区水资源禀赋及生态环境用水量是影响其农业水资源利用效率的主要因素。     

中亚棉花生产需水量与虚拟水贸易变化趋势

棉花是中亚重要的出口农产品之一,在水资源日趋严峻形势下,评价棉花生产需水和虚拟水贸易对区域水资源管理具有重要意义。本研究基于中亚175个站点长期气象数据,利用ArcGIS空间插值和作物系数法,结合棉花空间分布情况,首先估算了中亚五国的棉花需水量和单产需水量;基于单产需水量和国际粮农组织(FAO)的棉花产量和贸易数据,分析了1992年以来棉花的生产需水量、虚拟水贸易变化趋势及影响因素;最后评价了虚拟水贸易对中亚水资源的影响。研究结果表明:1)中亚棉花需水量为761.0～1033.9mm,单产需水量为2834.4～5732.1 m~3·t~(-1),其中产棉大国乌兹别克斯坦为4263.8 m~3·t~(-1)。2)1992—2017年,中亚地区棉花收获面积减少和产量偏低,导致总产量下降,生产需水量从初期的不足300亿m~3下降到目前的不足200亿m~3;棉花消费量增加导致出口量降低,净出口虚拟水量从初期的200亿m~3左右下降到目前50亿m~3;年均棉花生产需水量、净出口虚拟水量和净出口占生产需水量的比值分别为237.2亿m~3、147.4亿m~3和62.1%。3) 1992—2017年,乌兹别克斯坦和土库曼斯坦通过棉花出口分别输出其可更新水资源总量的18.4%和12.7%,加剧了咸海流域水资源短缺。因此减少农田输水损失,提高棉花水分利用效率,是提升中亚棉花总产、减少棉花生产耗水、提升棉花出口贸易、减少虚拟水外输的有效措施。     

基于遗传投影寻踪模型的黑河中游地区农业节水潜力综合评价

农业节水潜力综合评价是进行节水规划的重要依据。目前,区域农业节水潜力的定量研究和综合评价研究仍存在不足。为此,本研究以地处西北内陆的黑河中游地区为研究单元,以流域统计资料和野外参与式农户调查资料为基础,借鉴层次分析方法原理,考虑区域社会经济发展水平、水文水资源状况、农业水资源开发利用、农业节水水平和生态环境对区域农业节水潜力的影响,建立了区域农业节水潜力综合评价指标体系。并针对各个单项评价指标的不相容问题,提出基于实码加速遗传投影寻踪的区域农业节水潜力综合评价模型,利用最佳投影方向判断各指标对综合评价目标的贡献大小和方向,通过投影指标值大小对黑河中游地区各区县(甘州区、民乐县、临泽县、高台县和山丹县)农业节水潜力实现水平进行评价。结果表明:水利投资占GDP比例、渠道防渗面积比和管道输水面积比等指标对区域农业节水潜力的影响较大,而人均粮食产量、人均水资源拥有量、供水量模数等指标影响较小;2005年,甘州区、民乐县、临泽县、高台县和山丹县的投影值Z(i)=(1.366 5,1.170 4,1.239 1,1.259 6,1.158 6),故甘州区、高台县和临泽县农业节水技术水平较高,山丹县和民乐县农业节水技术水平较低,节水技术应用潜力空间较大。研究结果可为区域节水农业技术持续发展提供科学依据和决策支持。     

基于数据包络分析的河套灌区农业生产效率评价

为了科学评判农业生产水平,实现资源优化配置,该文运用数据包络分析(data envelopment analysis,DEA),同时考虑蓝水、绿水等多种要素,分析了河套灌区5个区域2000-2008年的农业生产相对效率,并对非DEA有效决策单元(decision making unit,DMU)提出建议。结果表明:各区域农业生产综合效率差异不显著。杭后和五原效率的提高主要取决于能否有效利用生产技术,而生产规模是影响前旗效率的主要因素。为实现DEA有效,21个非DEA有效DMU的各投入平均调整幅度分别为16.66%(蓝水),22.23%(绿水),19.46%(盐渍化灌溉面积),20.66%(非盐渍化灌溉面积)和23.82%(农业人口)。灌区应该调整产业结构,改善灌溉设施,加强土地管理,同时在现有绿水资源利用情况下,建立节水高效型种植结构。该研究为探寻河套灌区农业高效生产模式,指导其他灌区农业系统改善提供参考。     

区域灌溉水利用效率测算分析

在对内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗水资源利用现状和农业灌区用水现状进行实际调查与分析的基础上,根据首尾测算分析法的计算原理,选择代表不同灌溉方式的典型样点灌区,开展相关的田间测试试验,分别用水量平衡法和田间测试法对典型样点灌区灌溉水利用效率进行客观、科学的计算,从而得出科尔沁左翼中旗灌溉水利用效率。通过测试与评估农业灌溉中不同类型田块及不同灌溉技术下的灌溉水有效利用系数,得出样点灌区主要灌溉方式低压管灌、喷灌和膜下滴灌的灌溉水利用系数分别为0.865,0.874,0.906。在2014年的水文气象条件、灌区灌溉系统状况以及灌区的管理等综合因素条件下,科尔沁左翼中旗的灌溉水有效利用系数为0.880。计算结果符合灌区实际情况,为进一步提高灌区灌溉水有效利用效率、更好的发展灌区节水灌溉提供决策依据。     

石羊河流域多目标水资源配置模型及其应用

石羊河位于甘肃河西走廊内陆河流域,降雨稀少,生态环境脆弱,水是控制生态系统演变和限制社会经济发展的关键因子,水资源的合理配置是流域水资源持续利用的基础。遵循生态平衡原则、效率原则以及公平性原则,以流域生态需水满足度最大为生态目标、流域总的净效益最大为经济目标、流域内各计算单元人均净效益变率的均方差最小为社会公平目标,建立了水资源配置多目标评价函数。从供水、节水、结构调整、虚拟水等措施假设不同的水资源模拟配置情景,通过计算单元优化配置模型和水资源转化模拟模型的耦合模型得到各方案的配置结果,由多目标评价函数评价各方案的优劣,提出了流域水资源合理配置的方案。