西北內陸區水資源安全保障技術集成與應用

馮 起，龍愛華，王寧練，鐘德鈺，薛聯青，李福生，席海洋，溫小虎，司建華

（1.中國科學院 西北生態環境資源研究院，甘肅 蘭州730000；2.中國水利水電科學研究院，北京100038；3.西北大學，陜西 西安710075；4.清華大學，北京100084；5.石河子大學，新疆 石河子832003；6.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州450003）

1 水資源安全保障技術國內外現狀及趨勢分析

西北內陸區地處絲綢之路經濟帶核心區，是我國生態安全戰略格局中的重點區域。然而，該區水資源短缺，生態環境問題嚴峻，水資源供需矛盾日益突出，制約了其經濟和社會的發展［1］。據研究，21世紀中葉西北內陸區缺水將達每年220億m3［2］，且水資源利用效率和效益低下［3］。

西北內陸區水資源系統獨特，為高山冰雪-山地水源涵養林-平原綠洲-河流終閭湖泊構成的內陸水文系統和相伴而生的生態系統［4］，在變化環境下，區域的冰川融水、降水徑流、蒸散發等水循環要素必然發生變化，使得西北內陸區水資源系統的變化過程更為復雜、不確定性增大。面向絲綢之路經濟帶生態安全的國家需求，西北內陸區水資源高效利用及綠洲生態保護是迫切需要解決的問題，如何保障水資源安全是當前的熱點。因此，研究變化環境下西北內陸區多尺度水循環過程及水資源安全極為必要。

變化環境下水循環和水安全是國際水問題研究的重大課題，也是地球系統科學前沿［5-6］。世界氣象組織、聯合國科教文組織、國際水文科學協會、地球系統伙伴計劃等組織機構都將變化環境下水循環、水資源安全與適應性作為研究重點。干旱內陸區是氣候變化的敏感區、生態脆弱區，是變化環境下水循環和水資源安全研究的熱點區域。

中國“九五”至“十二五”期間針對西北內陸區水循環和水安全開展了大量研究工作，如國家“九五”科技攻關項目“西北地區水資源合理開發利用與生態環境保護研究”［7］、中國科學院重大項目課題“中國西部氣候與環境演化科學評估”和正在執行的國家自然科學基金委員會重大研究計劃項目“黑河流域生態水文集成”等，已在水循環機理和水資源轉化規律、生態水文過程耦合、氣候變化對水循環和水資源的影響等方面取得了重要進展，打下了由簡單分散向深入綜合層面突破的良好基礎。

2 國內外從事相關研究的主要機構

美國地質調查局（USGS）從事水循環過程演化規律、地表水-地下水轉化、氣候變化對水文水資源的影響分析，在長期監測的基礎上研發了一系列全球著名的水文模型，包括PRMS、GSFLOW、HYSEP模型等，研究成果已在全球范圍內推廣應用［8］。國際水文科學協會（IAHS）主要研究全球陸地水的物理、化學和生物過程，水和氣候及其他物理和地理因素的關系，侵蝕泥沙及其和水文循環的關系，水資源的利用和管理中的水文問題，以及人類活動對水文的影響［9］。WMO通過其科技計劃開展工作，發起的相關計劃包括水文和水資源計劃（HWRP）、世界氣候計劃（WCP）、世界氣候研究計劃（WCRP）等，推動了全球水文、水循環方面的研究［10］。以色列耐特菲姆公司主要研究節水灌溉及自動化系統的集成，已在全球廣泛推廣［11］。美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）主要研究全球跨尺度天氣模擬，涉及大氣環流動力學過程、大氣邊界層動力學過程、云動力學過程、陸-氣聯合過程的物理機制與數值模擬、不同時空尺度精確的數值氣象預報，建立了Gulfstream IV、WP-3D Orions、Rockwell、Cessna Citation II、DeHavilland Twin Otters、Bell 212、MD369 （Hughes 500） 、Aerofab Lake amphibian aircraft等機理模型［12］。丹麥DHI公司長期從事流域或者區域水資源分配、水資源供需平衡模擬，開發了MIKEBASIN水資源分配、供需平衡模型，在水資源規劃管理和科學研究中應用較多［13］。

中國水利水電科學研究院流域水循環模擬與調控國家重點實驗室從事二元水循環基礎理論、流域水循環及其伴生過程、復雜水資源系統配置與調度、流域水沙調控與江河治理、水循環調控工程安全與減災研究，開展了“水資源大系統優化規劃與優化調度經驗匯編”“華北地區宏觀經濟水資源規劃理論與方法”“西北地區水資源合理配置和承載能力研究”“黑河流域水資源調配管理信息系統”“流域水循環演變機理與水資源高效利用”“中國水資源及其開發利用調查評價”等研究項目，研究成果已經應用于我國華北、西北等多個地區或流域，產生了良好的經濟、社會和環境效益［14］。清華大學水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室主要從事水文學及水資源、水信息學、多相流動力學、流域水量調度、數字流域等研究，已開展了“西南河流源區徑流變化和適應性利用”“天河動力學研究”“巴音河-疏勒河流域空中-地表水資源聯合利用試驗”的項目研究，成果已應用于青海巴音河流域、疏勒河流域（建立試驗基地），并開展了初步的試驗示范，試驗效果良好［15］。新疆的國家節水灌溉工程技術研究中心長期從事干旱區節水灌溉理論與技術、干旱區水資源優化配置與高效利用研究，已開展了“干旱區灌溉農業高效用水模式及產業化示范”“準噶爾盆地南緣水資源合理配置及高效利用技術研究”“南疆典型沙區水資源高效利用關鍵技術研究”等項目，研究成果如膜下滴灌技術已在甘肅、陜西、內蒙古、黑龍江、遼寧、廣西、海南等省（區）推廣和應用，推廣面積已達5.2萬hm2，取得了良好的經濟效益和生態效益，同時受到巴基斯坦和塔吉克斯坦等中亞國家的青睞（已推廣膜下滴灌面積0.24萬hm2），我國從節水技術的輸入國變為節水技術的輸出國［16-17］。

中國科學院內陸河流域生態水文重點實驗室從事流域水文與水資源、流域生態水文過程、生態恢復和流域管理等研究，已開展了“荒漠綠洲水熱過程與生態恢復技術”“中國干旱區關鍵地表過程及其調控研究”“綠洲農林復合系統水分高效利用研究與示范”“民勤沙漠化防治與生態修復技術集成試驗示范研究”“干旱內陸河流域生態恢復的水調控機理、關鍵技術及應用”“祁連山涵養水源生態系統恢復技術集成及應用”“寒區水文過程及機理研究”“干旱區綠洲化過程及可持續性的調控途徑與技術”等項目［18］，相關成果已在黑河流域、石羊河流域、祁連山等地區生態恢復過程的水資源綜合調控與管理中得到廣泛應用，取得了良好的經濟、社會和環境效益。

黃河勘測規劃設計研究院有限公司從事水資源安全、水資源綜合規劃、水資源調控、水資源配置等研究，開展了“干旱、半干旱區域旱情監測與水資源調配技術開發與應用”“多維臨界調控模型體系及求解方法研究”“黃河流域旱情監測與水資源調配技術研究與應用”“南水北調西線工程合理調水規模和配置方案研究”“黃河流域及西北諸河水資源綜合規劃”等項目［19］，研究成果在黃河流域、西北內陸河地區廣泛應用與推廣，取得了顯著的經濟、社會和環境效益。

然而，變化環境下面向生態安全的西北內陸區水資源配置研究薄弱，對國家內陸區水安全保障決策的技術支撐不足；特別是西北內陸區水資源“開源”仍主要局限于傳統的地表水與地下水水源，而針對空中水資源、苦咸水、礦井疏干水與再生水等非常規水源的開發與高效利用的技術研發沒有得到足夠重視與實踐［20］；流域尺度的水資源調配等技術體系尚有爭議。

因此，應從開源、節流兩方面重點突破保水節水、空中與地表水資源聯合利用、水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化等關鍵技術，進行水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化配置，構建水資源安全保障體系，緩解水資源短缺壓力，為絲綢之路經濟帶水資源安全保障提供科技支撐。以變化環境下西北內陸區水資源安全保障為需求，構建適宜西北內陸區的水資源安全評價理論方法，定量評價西北內陸區水資源安全狀況，闡明變化環境下水循環演化關鍵過程，集成保水節水、多水源開發利用、荒漠綠洲生態保護等技術體系，創建面向生態的荒漠綠洲水資源調配技術體系、水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化技術，提出西北內陸區水資源配置方案、保障體系與對策，為“一帶一路”水資源安全提供支撐。分析變化環境下水循環演化過程、水資源高效利用及水調控機理和水資源安全評價理論方法；開展綜合保水-節水技術、空中與地表水資源聯合利用技術、水資源調配技術體系和水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化技術研究；提出西北內陸區水資源安全配置方案、西北內陸區水資源高效利用與安全保障對策；將新的理論方法、關鍵技術方案、軟件平臺、技術專利、政策建議等應用于西北內陸區水利、農業、生態建設、環保、水資源評價等，發揮作用，創造社會經濟效益。

3 關鍵科學問題和研究方向

3.1 關鍵科學問題

探究變化環境下西北內陸區水循環關鍵過程，揭示水資源高效利用及綠洲生態保護水調控機理，提出水資源安全評價理論方法是關鍵科學問題。同時，研發西北內陸區綜合保水-節水技術，突破空中與地表水資源聯合利用關鍵技術，構建荒漠綠洲生態保護水調控技術，集成水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化技術是關鍵技術問題。

3.2 研究方向

（1）西北內陸區水資源安全狀況與風險評估。重點圍繞“一帶一路”與生態文明建設這一重要因素，提出變化環境下適宜西北內陸區水資源安全及其風險評價、水資源承載潛力分析方法與模型技術，全面定量評價變化環境下西北內陸區水資源安全風險。

收集西北內陸區不同尺度的水資源、社會經濟、生態環境資料信息，開展西北內陸區水資源評價，分析西北內陸區水資源特征及演變情勢；開展研究區水資源開發利用現狀調查評價，研發西北內陸區水資源安全評估模型，評估西北內陸區水資源安全狀況；構建適宜于西北內陸區水資源承載潛力分析的理論方法和指標體系，在水資源高效利用、非常規水資源開發利用、跨流域調水等多水源開發利用現狀條件下，評估西北內陸區水資源承載潛力；識別西北內陸區水資源供需影響因素，分析其相互作用機制，構建西北內陸區水資源供需分析模型，提出多種情景下水資源供需方案，綜合分析西北內陸區未來水資源供需形勢；建立面向變化環境的西北內陸區水資源安全風險評估理論方法和模型，定量評估西北內陸區水資源安全及其風險。

（2）變化環境下西北內陸區多尺度水循環過程與系統模擬。揭示氣候變化對冰雪融水、森林徑流、草地徑流以及出山徑流變化的影響機制，揭示變化環境下西北內陸區冰雪消融、降水徑流、綠洲耗水的系統水循環過程及其調控機理，預測西北內陸區變化環境下水循環要素及水資源演化趨勢。開展西北內陸區冰川消融、降水徑流、綠洲耗水、地表水-地下水轉化等關鍵水循環要素的時空變化特征研究。

構建高寒山區分布式水文模型、綠洲地表-地下水轉化模型、荒漠綠洲生態耗水模型，分析冰雪消融的變化規律、降水對出山徑流的影響、綠洲耗水規律，闡明變化環境下西北內陸區冰雪消融、降水徑流、綠洲耗水的系統水循環過程。

耦合高寒山區分布式水文模型和綠洲區、荒漠區水循環模型，揭示變化環境下西北內陸區典型流域多尺度水循環機理。

以CMIP5中GCMs氣候變化情景作為驅動，模擬分析未來氣候變化對冰雪融水、降水徑流、蒸散發等水循環要素的影響，分析土地利用變化對水資源的影響，預測西北內陸區變化環境下水循環要素及水資源演化趨勢。

（3）多水源開發利用關鍵技術試驗與示范。解決主要問題即評估西北內陸區空中水汽資源化潛力，提出空中與地表水資源聯合利用技術，集成微咸水、礦井疏干水資源利用技術和面向生態的再生水資源利用技術。

分析空中水資源遷移、轉化過程，揭示其落地后的遷移、轉化及其在水資源系統中的演化特征和一般規律，評估西北內陸區空中水資源開發潛力，確定西北內陸區典型流域空中水資源開發與利用的承載與調控能力。

分析空中水資源化利用對流域水資源的影響，建立“空-地”水循環流域水資源演化模型，揭示“空-地”聯合水資源系統一般動力學特征和變化規律，構建空中與地表水資源聯合利用分析平臺，優化空中與地表水資源聯合高效利用模式，在巴音河—疏勒河開展試驗驗證和效果評估。

分析西北內陸區微咸水和礦井疏干水分布范圍、數量質量，評估微咸水、礦井疏干水開發利用潛力和應用風險，研發西北內陸區微咸水和礦井疏干水的開發技術，形成微咸水和礦井疏干水資源合理利用模式。

分析西北內陸區再生水利用現狀、存在的問題，評估再生水利用潛力和應用風險，集成再生水資源在城市綠化、防護林建設、河湖濕地等的利用技術，提出西北內陸區面向生態的再生水綜合利用模式。

（4）西北內陸區保水節水技術集成與應用。集成水源涵養區水文調蓄功能提升技術、山前生態系統水土保持技術、庫-渠水量高效輸配技術，提出綠洲灌區農田和防護林高效節水技術。

分析山區水源涵養功能空間分異規律，量化不同生態系統水源涵養功能，研發水源涵養功能增儲潛力優化技術、水源涵養林植被空間配置與結構優化技術，集成水源涵養區水文調蓄功能提升技術。

分析山前生態系統的水土流失特征，研發坡地集水、梯田蓄水、田間微集水等水土保持技術，集成集水補充灌溉、抗旱保墑、林灌草配置等技術，提出山前生態系統水土保持技術模式。

建立干旱寒冷地區輸水渠道防滲-抗凍脹的耦合力學模型，提出襯砌材料、結構與凍土地基相適應的渠道防滲抗凍脹技術；建立山區水庫與平原水庫聯合調度模型，集成山區-平原水庫群協同運行模式，提出綠洲灌區水量輸配方案，形成綠洲灌區庫-渠水量高效輸配技術。

分析不同灌溉類型區農田節水灌溉效率及效益，優化西北內陸區農業種植結構，研發滴灌系統信息化控制與管理技術，建立以水權制度為核心的水資源管理模式，集成工程、農藝、管理綜合節水技術，提出西北內陸不同灌溉區適宜的節水灌溉模式。

分析西北內陸區節水模式下農田防護林體系格局演變特征，確定綠洲灌區農田防護林抗逆樹種及配置模式；研發保水劑及非常規水灌溉等防護林建植技術，提出節水模式下農田防護林適宜的灌溉方式及灌溉制度，構建西北內陸區綠洲節水型防護林技術體系。

（5）荒漠綠洲生態保護的水資源調控關鍵技術集成示范。提出荒漠綠洲生態穩定的地下水位控制技術、過渡帶結構優化水分穩定技術，集成荒漠綠洲生態穩定的地表水與地下水聯合調控技術體系；建立面向生態的流域尺度水資源優化調度方案；建立面向生態的多目標水資源優化配置模型，提出流域中、下游生態水量實時調度方案；確定渠系水利用系數的最優化組合，研發綠洲區地表水優化配置技術、河-渠輪灌技術；集成綠洲過渡帶低耗水林灌草優化配置技術、雨養植被恢復集流技術；提出荒漠綠洲生態穩定的地表水與地下水聯合調控技術。

確定荒漠綠洲不同植被類型適宜的地下水位閾值；研發植被生長關鍵需水期適時地下水補水技術，集成綠洲植被群落結構優化的水分穩定技術，地下水采補平衡技術，河道滲灌、渠灌、井灌補水的地下水位控制技術；形成荒漠綠洲生態穩定的地下水位調控關鍵技術體系。

提出不同類型荒漠綠洲過渡帶植被群落優化配置結構。研發荒漠綠洲過渡帶植被群落結構優化的水分穩定技術；集成荒漠綠洲過渡帶天然植被保護、雨養植被補植、低耗水植被引種技術，建立荒漠綠洲過渡帶植被保護水調控技術模式；集成荒漠綠洲過渡帶河岸林退化區更新技術，提出荒漠綠洲過渡帶植被恢復與重建配套生態保護水調控技術模式。

分析西北內陸區社會經濟用水與生態建設需水的雙重需求，研制面向生態的內陸河流域水庫群與引水工程聯合調度新規則、不同流域生態水量調度技術，生態調度模型算法并以典型流域開展案例研究，提出基于生態用水安全的流域尺度水資源優化配置技術及調度方案。

（6）西北內陸區水資源多維協同配置與安全保障體系。集成保水節水、生態水調控、多水源利用等技術，建立西北內陸區水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化配置技術，提出水資源安全保障配置方案與保障體系。

集成西北內陸區水資源安全保障的保水節水、生態水調控、多水源利用等水資源調控技術，解析西北內陸區不同用戶需水量、多種水源可供水量及其時空分布格局，提出西北內陸區水資源供需分析邊界。

分析西北內陸區水資源的經濟、社會、生態、環境等多維屬性特征及關聯性，構建具有時空分析、過程模擬功能的西北內陸區水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化配置模型，提出多維協同優化配置技術。

構建西北內陸區水資源系統網絡關系，應用水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化配置模型，優化提出西北內陸區水資源安全保障綜合配置方案，評估配置方案實施的經濟、社會和生態環境效果。

從供給、需求、技術、政策、管理等方面構建西北內陸區水資源安全保障框架與體系；結合西北內陸區未來水資源安全狀況、經濟社會發展需要與生態文明建設，提出變化環境下西北內陸區水資源安全保障的對策建議，支撐絲綢之路經濟帶水資源安全。

4 基礎和技術前沿問題

4.1 理論創新

揭示西北內陸區空中水汽資源化的轉換規律，建立集冰雪消融、山區降水徑流、荒漠綠洲耗水的系統水循環過程模型，構建適宜西北內陸區的水資源安全評價理論方法。

4.2 技術創新

綜合集成水源涵養區的水文調蓄功能提升、山前生態系統水土保持、綠洲防護林節水、田間水量調控等技術，創新西北內陸區保水節水技術；研發空中與地表水資源聯合利用技術，提出多水源多目標的非常規水資源利用技術，創新水資源開發利用新途徑；從水資源配置、調控、利用等途徑，集成荒漠綠洲生態穩定的地表與地下水聯合調控技術，建立荒漠綠洲過渡帶結構優化的水分利用模式，創建面向生態的荒漠綠洲水資源調配技術體系；構建水資源-經濟社會-生態環境多維協同優化技術，提出西北內陸區水資源安全保障體系和配置方案，突破傳統單一的水資源供需配置方法。

4.3 集成創新

在西北內陸區水資源安全評價和水循環演化過程研究的基礎上，集成保水節水、空中與地表水資源聯合利用、面向生態的荒漠綠洲水資源調配等技術，開展綜合示范應用，提出西北內陸區水資源安全保障方案及其配套技術，支撐絲綢之路經濟帶水資源安全。

開展西北內陸區水資源安全風險評估，為國家內陸區水安全保障決策提供重要科學依據；研究變化環境下西北內陸區水循環關鍵過程，提高預測變化環境下水循環要素及水資源變化趨勢的準確性和科學性；揭示水資源高效利用及綠洲生態保護水調控機理，為西北內陸區水資源開發利用、農業生產和生態建設的管理決策提供理論依據；構建適宜西北內陸區的水資源安全評價理論方法，完善水資源安全評價理論，可促進相關領域的學科發展，提升我國在水資源安全評價研究領域的國際影響力。

（1）空中與地表水資源聯合利用技術開辟了水資源開發的新途徑，保水-節水及微咸水、礦井疏干水、再生水高效利用和荒漠綠洲水資源調配等技術可有效提升西北內陸區水資源利用效率、緩解水資源短缺壓力，改善研究區的生產和生活環境條件，促進西北內陸區的社會穩定和可持續發展，保障絲綢之路經濟帶建設中的水資源安全。另外，示范園區建設可帶動相關行業的發展，增加群眾收入，促進社會經濟發展。

（2）微咸水、礦井疏干水、再生水高效利用技術可促進微咸水在沙產業培育，礦井疏干水在農田灌溉和再生水在城市綠化、防護林建設、河湖濕地等中的綜合利用，減少產業培育及生態保護的經濟投入。保水節水技術在農業生產中的應用，可提高農業用水產值，增加農民收入。項目研發的保水、節水和水資源高效利用技術將有效促進節水產業的發展，提高行業經濟產值，形成水資源高效利用與經濟效益提高的良性循環，促進經濟繁榮。

（3）面向生態的再生水資源利用技術可提高水資源利用效率、降低河道水污染風險、改善居民生活環境質量；水源涵養區水文調蓄功能提升和山前生態系統水土保持技術可有效降低徑流泥沙含量、改善流域水質、恢復森林和草地生態系統服務功能；綠洲灌區農田防護林節水技術、荒漠綠洲生態穩定的地表水與地下水聯合調控技術、荒漠綠洲生態穩定的地下水位控制技術、荒漠綠洲過渡帶結構優化的水分利用模式和流域尺度生態水量調度方案等可促進區域植被恢復、保護植物多樣性、減小沙漠化危害和保護地下水，從而改善西北內陸區的生態環境。