简要信息

【获奖类型】应用一等奖

【任务来源】国家自然科学基金重点项目、水利部科技创新项目、黄河水利委员会

【课题编号】资010107

【课题起止时间】2003年1月～2006年12月

【完成单位】中国水利水电科学研究院  武汉大学  黄河水利科学研究院  黄河勘测规划设计有限公司   华北水利水电学院  西安理工大学  黄河水利委员会供水局

【主要完成人】阮本清、张仁铎、李会安、杨金忠、韩宇平、王修贵、张春玲、蒋任飞、王成丽、蒋晓辉

立项背景

在黄河流域，由于人口增加和经济发展，驱动水资源需求不断上升，然而由于水资源自然条件薄弱，导致供水量增长停滞不前。突出的区位优势和相对薄弱的水资源条件，形成了黄河流域可持续发展的主要矛盾。

黄河流域在水资源短缺的同时，由于流域耗水结构及其复杂，使得流域至今仍存在着耗水机理不清、水平衡机制不明等问题，给流域水资源管理带来了很大的不确定性，为此研究黄河流域的水平衡问题不仅对于弄清黄河流域用水状况，加强黄河水资源管理，实现黄河水资源的可持续利用具有重要的现实意义和广阔的生产应用前景，而且通过本研究可以提高引黄灌区水平衡研究水平，促进区域尺度的水循环研究，具有重要的理论研究意义。

南水北调是构筑我国黄淮海流域乃至整个北方地区社会可持续发展的水资源保障体系的有效途径。工程在对给城市供水时，由于存在着受水区和水源区的不同丰枯遭遇，某一时段当受水区来水较为充沛时，受水区当地水资源就足以解决当地的用水问题，那么南水北调工程的输水渠道则有可能有多余容量，这个时候分析黄河的用水需求和水源区的可调水量，南水北调中线工程向黄河相机补水则成为可能，这一方面可以部分的解决黄河的用水和生态环境问题，另一方面则充分地发挥了南水北调工程的效益。因此，中线工程向黄河相机补水研究就显得颇为必要。

黄河流域的水资源不仅供应着流域内的各类用水需求，同时还担负着北方一些地区的应急供水任务。实施黄河应急调水行动，对解决黄河下游乃至华北地区的特枯干旱问题意义重大，但同时也对黄河流域上中游的发电、灌溉、生活等造成了不同程度的影响。为使得引黄水发挥更好的效益，同时促进节水、保护生态环境，合理调水的补偿机制研究势在必行，通过研究可以弄清在干旱年份实施应急调水中黄河水资源效益的转移情形，在水权水市场理论的指导下探索调水受益区向调水区实施有效补偿的有效措施，为黄河水资源管理制度创新和完善提供参考依据。

详细科学技术内容

在规律探索方面：

（1）通过对宁蒙河套灌区水资源开发利用、土地利用、植被组成等实地调查和对以往工作成果的充分挖掘整理，确定研究区主要耗水结构及耗水量影响因素，科学评价研究区供用水演变规律和生态环境现状；

（2）利用遥感等3S先进技术估测研究区灌溉面积和种植结构；

（3）根据典型区的水循环特点和类型，研究水平衡要素的计算方法，对关键水平衡参数进行试验标定，定量分析各要素间的相互制约和转化关系；

（4）利用系统分析和时空变异理论，研究分析灌区水平衡要素的时空变异性规律；

（5）通过潜水蒸发的测坑试验，建立非等温条件下潜水蒸发的数学模型，并以测坑试验和数值模拟试验为基础，推求有作物生长条件下的潜水蒸发经验公式；

（6）在收集整理南水北调中线工程水源区、受水区有关规划设计成果和中线工程沿程受水区用水过程的基础上，分析水源区与受水区的丰枯遭遇关系；

（7）基于水资源价值理论、水资源准公共物品特性和水资源开发利用外部性理论，初步提出应急调水补偿的经济学理论构架；

（8）利用建立的应急调水损失与效益评价计算仿真模型体系，对设计的多种黄河流域应急调水仿真过程进行相应的损失与效益评价，并对各次应急调水过程的益损比进行分析。

在模拟调控方面：

（1）分别构建灌区水盐均衡集总模型、地下水流模型，以及区域溶质运移简化模型，研究分析节水灌溉对地下水的影响、灌区水盐转化运移规律以及生态脆弱区的适宜节水强度，为宁蒙河套灌区节水规划和节水工程设计提供参考依据；

（2）针对以往区域耗水量计算存在的问题，建立基于四水转化理论的灌区耗水量计算模型，计算典型区总耗水量和耗用的黄河水量，为黄河水资源统一调度提供参考依据；

（3）开发基于数值模拟的河套灌区水资源合理配置模型，为灌区的水资源规划和调度提供参考依据；

（4）通过对南水北调中线工程向黄河相机补水量的分析和计算，为南水北调近期工程调度、黄河下游水资源调度提供技术支持；

（5）开发黄河应急调水补偿测算的仿真模型，为合理调水和经济补偿提供了工程调度及补偿测算决策支持平台；

在管理政策方面：

（1）通过黄河流域典型灌区水平衡机制与耗水量的研究，就灌区地表地下水联合调度、水资源合理配置、节水型社会建设、生态需水管理、黄河流域水资源统一调度等提出合理化的政策建议；

（2）研究向黄河相机补水对黄河的作用，提出水资源调度和管理的政策措施；

（3）构建黄河应急调水补偿机制整体框架，包括应急调水涉及的补偿主体、补偿对象、补偿范围与补偿形式以及与补偿的相关制度，探讨补偿资金的筹措方式，提出有效实施应急调水补偿的相关政策建议。

发明及创新点

本研究成果在大型灌区水平衡机理、耗水量计算、相机补水、应急调水补偿等关键技术研究中取得了如下重大突破与创新：

（1）通过潜水蒸发的测坑试验，以冬小麦和夏玉米为参考作物，研究探明了宁蒙灌区作物在不同生育阶段、不同地下水埋深等情况下地下水有效利用率和有无作物情况下潜水蒸发规律。

（2）在考虑土壤表面水汽对热、水分传输的影响和地下水汽的流动情况下，建立了非等温条件下潜水蒸发的数学模型。主要引入作物累积温度（GDD）、作物腾发强度（ET）、地下水埋深（H），并以测坑试验和数值模拟试验为基础，推求有作物生长条件下的潜水蒸发经验公式。

（3）建立了典型灌区总体水平衡模型、地下水平衡模型，以及农区－非农区－水域水均衡模型，研究了人类活动强烈干预下的区域水平衡机制，探明了水均衡要素之间相互转化和制约关系。

（4）提出了适宜节水强度的概念。在分析地下水埋深与土壤盐渍化、土地沙漠化关系的基础上，制定了年内不同季节的灌区地下水位控制标准，根据灌区节水规划制定了不同的节水方案，通过地下水数值模拟模型的数值仿真计算，研究了各方案不同地下水埋深所占面积的变化，得出了典型地区的适宜节水强度。

（5）考虑到变量空间分布特征以及水资源的时空分布规律，根据多孔介质中区域饱和-非饱和水分运动的特征，分别建立了基于迦辽金有限单元法的河套灌区地下水数值模拟模型，以及区域溶质运移简化模型，为分析区域地下水流特性及溶质运移问题提供了新思路。

（6）利用小波分析理论和地质统计学原理，对内蒙河套灌区地下水位的时间和空间变异特性进行了研究。在研究地下水位的多时间尺度变化的同时，做出了整个灌区的地下水位高程及其估计误差的空间分布图，为分析整个灌区的水量平衡提供了重要的参考信息。

（7）从灌区水循环角度出发，系统分析了灌区耗水量影响因素及其时空变异规律，摸清了各种类型的耗水机理，将区域供水、耗水和排水相结合，建立了基于四水转化理论的灌区耗水量计算模型，详细计算了区域实际总耗水量和耗黄河水量，探明了典型灌区引、耗、排之间的相互关系。

（8）系统地建立了应急调水损失与效益评价计算模型，包括应急调水引起的水电站发电损失、灌区的农业生产损失等评价模型，以及调水给下游带来的生产生活效益等评价模型，并建了基于现代计算机信息技术的应急调水损失与效益评价计算的仿真模型体系，为流域管理部门进行应急调水损失与效益评价、实施决策提供了操作便捷、使用灵活的技术平台。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

委托水利部信息研究所对国内外科技文献检索和查询结果表明，“关于利用各模型进行全面水均衡关系分析尚未查见，检索到的论文的作者均为委托课题组成员；国内外对潜水蒸发问题的研究都是从考虑到潜水埋深和潜水蒸发强度，没有涉及主要引入作物累积温度的参数进行潜水蒸发计算；未见除委托课题组成员以外作者发表的关于适宜节水强度、河套灌区地下水位的空间变异性方面、南水北调中线工程对黄河的相机补水量方面，以及黄河应急调水补偿模拟仿真方面的内容。”多项研究成果除委托课题组成员发表的研究成果外均未见报道。

成果应用情况及社会经济效益

本课题研究成果可以应用到流域水平衡分析、流域水资源规划、流域水资源的合理配置与调度、流域水资源综合管理等方面，也可以应用到区域水资源相关研究与规划制定等方面。

2006年以来，研究成果进入了应用期，本项目成果分别提交给黄河水利委员会水文局、黄河水利委员会规划计划局、黄河水利委员会财务局、宁夏水利厅、宁夏水利厅灌溉管理局、内蒙古水利厅、内蒙河套灌区管理总局等单位进行审阅使用，经过近几年的实践，这批研究成果得到了成功的应用，产生了良好的经济、社会和生态环境效益。

在项目研究期间和研究任务完成后，项目组分别通过不同的方式对项目研究成果进行推广应用，通过会议宣讲、出版专著、发表论文等方式使得该成果产生了广泛的影响，多项研究成果被引用。随着研究的深入和社会需求的增加，本研究成果未来也将具有良好的推广应用前景。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

通过该项目的研究，业已取得了一定的研究成果，解决了许多以往没能解决的问题。但受各种条件的限制，在流域水平衡研究方面仍有许多问题需要进一步深入研究。进一步研究的建议和设想：

（1）实验区观测内容和点网布局的改进；

（2）基于网格单元的地表水、土壤水和地下水耦合模拟方案；

（3）适合河套灌区的具有可持续性的地表、地下水联合利用模式；

（4）发展和完善生态耗水理论及计算模型；

（5）节水型社会建设对灌区水资源利用与生态质量的影响。

黄河流域水平衡技术关系图