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中国七大流域的耗水分配及影响要素:分离灌溉与雨养耗水

尹礼唱  
【摘要】:快速增加的水资源需求,各种生态恢复工程措施的建设以及气候变化造成的不稳定的水资源供给会使得未来区域水资源短缺问题更加突出,进而加剧自然生态系统耗水与人类社会经济部门耗水,尤其是农田灌溉耗水的冲突。为缓解冲突,保证自然生态系统和社会经济系统可持续发展,需要以整体的视角来量化不同部门间的耗水量,而不是将自然生态系统和社会经济系统分割,尤其是自然生态系统和农田灌溉系统的分割,制定更加科学的水资源管理政策。而如何在大尺度长时间序列上整体量化不同部门的耗水量还有待进一步解决。本文首先提出一套作物耗水模型与ET分解算法来对我国七大流域1982-2015年的自然生态系统耗水量、农田雨养耗水量、农田灌溉耗水量及人类可用水量进行量化,采用多源遥感数据和观测资料数据,包括土地利用、植被指数、作物产量、气象站点数据集、各省有效灌溉面积、土壤性质和基于机器学习算法得到的蒸散发产品,作物耗水模型涵盖了归一化植被指数重构、大尺度灌溉与雨养作物制图、作物根系深度动态变化、作物kc系数、灌溉阈值、非生长季蒸散发和地表径流,通过土壤水平衡方程耦合各个模块,设置灌溉与雨养情形,得到两种情形下的蒸散发比值,假设该比值在ETmachine产品中是保持不变的,从而进行分解得到灌溉作物的灌溉耗水和雨养耗水,进一步结合土地利用类型数据,得到自然生态系统耗水量,农田雨养耗水量和农田灌溉耗水量。应用该方法获取不同流域不同部门耗水的时空动态特征,并进一步分析人类活动和气候变化对不同部门耗水的影响相对重要性,厘清主导因子,为水资源管理政策提供科学依据。本文的主要结论如下:(1)模型在大尺度上的长时间序列的模拟的R~2能够达到0.65,表明模型能够较好的模拟大尺度上的农田雨养耗水和农田灌溉耗水,具有成为整体分析人地耦合系统水资源分配的有力工具的潜力。(2)1982-2015年间,农田灌溉耗水量与农田雨养耗水量的空间格局均呈现出南高而北低,主要与南方的灌溉作物种植方式有关。各流域的自然生态系统耗水量所占比重大,而农田雨养耗水与农田灌溉耗水的占比较小,主要原因是自然生态系统的面积远高于农田生态系统的面积。七大流域整体的水资源变化情况较为剧烈,其中降水、蒸散发、自然生态系统耗水量和灌溉耗水量表现出显著上升的趋势,增幅分别为1.9 mm、1.18 mm、1.17 mm和0.25 mm,而农田雨养耗水量表现出显著下降的趋势,下降幅度为0.24 mm(p0.5)。在各个流域上,以长江流域和黄河流域的耗水变量变化幅度较为明显,同时其变化趋势与整体上是保持相对一致的,而其他流域的耗水变量变化并不显著。(3)1982-2015年间土地利用变化剧烈,在整体上养农田和灌溉农田分别呈现出显著下降和显著上升的趋势。灌溉农田上升主要集中在黄河流域、长江流域及珠江流域。气候朝着暖湿化方向发展,温度、辐射和降水都表现显著增加。(4)自然生态系统耗水主要受到气候变化的调控,人为因素的作用较小。灌溉耗水量受到人为因素和气候变化的共同调控。


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