节水条件下玛纳斯河流域水循环过程模拟研究

摘要

节水措施作为重要的人类活动，通过上游山区水库修建、中下游渠系防渗及田间滴灌技术，有效地提高了水土资源利用效率，有力地推进了绿洲化进程。同时，节水措施的大面积推广影响了下垫面、蒸发和入渗等水循环要素，原有的水循环方式发生改变，进而影响区域生态系统和生态环境的演变。在变化环境、水资源短缺等全球环境问题日益受到关注的今天，清楚地认识节水条件对区域水循环的影响，对深入理解变化环境下干旱区水文循环过程、正确评估人类活动对生态系统的影响具有重要意义。 作为我国膜下滴灌节水技术的发源地，新疆玛纳斯河流域经过二十多年节水技术的推广应用，已发展成为新疆最大的绿洲农耕区和我国第四大灌溉农业区。节水技术对水循环要素及水循环过程的影响还未实现精确、定量的分析评估，节水条件对流域水循环的影响研究仍处于定性或半定量阶段。本文针对节水条件下流域水循环过程的模拟问题，系统地分析了节水技术对流域降水、径流、入渗和蒸散发水循环要素的影响，提出了节水条件下区域水循环过程模拟模型，分别从现状总结与分析、水循环要素影响、水循环模型构建、模型验证与应用四个方面展开了相关研究。本文研究的主要内容包括以下几个方面： （1）在现状总结与分析上，以玛纳斯河流域水土资源开发历程为基础，从人工渠系、用水结构和地下水埋深变化分析节水条件对流域水资源开发利用的影响，从灌溉面积、种植结构、土壤盐碱、产业结构和人口规模分析节水条件对流域土地资源开发利用的影响。在节水技术的推动作用下，流域水土资源利用效率明显提升，流域人工绿洲面积增加1.3倍，耕地面积年均增长速率较节水前增加1.47倍，农业产值增速提高了3.9倍，有力地推动了流域经济发展和绿洲化进程，促进了区域经济的有效发展。 （2）水循环要素影响上，以遥感影像为数据源，结合室外试验方法，设计了一套节水条件下流域下垫面变化和水循环要素影响分析技术流程，并提出节水条件下流域水循环过程中径流、入渗和蒸发参数，为流域水循环模型建立提供必要的参数支持。节水技术推广的20年间，耕地和建工用地土地利用动态度比较活跃，草地向耕地转移面积1756.2km2，林地向耕地转移面积567.4km2。节水条件通过地膜覆盖可以有效减少31.8%的土壤水损失，流域中部平原区湿润程度增加，其他区域则越来越干旱，节水技术作用下流域绿洲化和荒漠化同时加剧。 （3）水循环模型构建上，建立了节水条件下流域水循环模拟模型。模型根据流域山盆系统格局，分别建立了山区径流模拟模型和绿洲区地下水数值模拟模型。山区径流模拟主要采用概念性水文模型MIKE11/NAM模型，输入参数包括气象数据、流量数据、流域参数和初始条件。绿洲区地下水数值模拟采用地下水三维有限差分数值模拟Visual-MODFLOW模型，求解方法为有限差分法。输入参数包括气象数据、降水参数、入渗参数和蒸散发参数。山区径流模拟结果作为绿洲区地下水数值模拟的输入项，重点分析节水条件下流域绿洲区地表-地下水转化过程。 （4）模型验证与应用上，创新点在于引入不同节水程度的梯度学理论，量化分析传统灌溉、常规节水灌溉和高效节水灌溉对流域水循环过程的影响，确定不同灌溉方式下地下水水均衡和地下水位埋深变化情况，为流域水资源合理开发提供依据。 总结本文的研究工作，论文主要贡献和创新点可概括如下： （1）系统地总结与分析了节水技术对玛纳斯河流域水土资源开发的影响，得出了节水技术有力推进了流域绿洲化进程的同时，改变了流域水循环方式，并以此为本文的研究背景，分析了节水条件对流域水循环要素的影响。 （2）以遥感影像为数据源，结合室外试验方法，设计了一套节水条件下流域下垫面变化和水循环要素影响分析技术流程，并提出节水条件下流域水循环模拟径流、入渗和蒸发参数，为流域水循环模型研究提供技术支持。 （3）建立了节水条件下流域水循环模拟模型。模型根据流域山盆系统格局，分别建立了山区径流模拟模型和绿洲地下水数值模拟模型。模型的创新点在于引入不同节水程度的梯度学理论，具体分析传统灌溉、常规节水灌溉和高效节水灌溉对流域水循环过程的影响，确定不同灌溉方式下水均衡及地下水位情况，为流域水资源合理开发提供依据。

目录

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第一章 绪 论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状及其分析

1.3研究内容与技术路线

1.4论文的章节安排

第二章 节水条件下玛纳斯河流域水土资源开发利用分析

2.1玛纳斯河流域概况

2.2节水条件下水土资源开发利用分析

2.3节水条件下玛纳斯河流域绿洲稳定性评价

2.4本章小结

第三章 节水条件下玛纳斯河流域下垫面变化分析

3.1研究方法

3.2节水条件下玛纳斯河流域下垫面变化特征

3.3节水条件下流域土地利用动态度分析

3.4节水条件下流域下垫面变化影响因素分析

3.5本章小结

第四章 节水条件下玛纳斯河流域水循环要素规律分析

4.1径流

4.2降水

4.3入渗

4.4蒸散发

4.5本章小结

第五章 节水条件下玛纳斯河流域水循环过程模拟

5.1玛纳斯河流域水循环过程分析

5.2玛纳斯河流域山区径流过程模拟分析

5.3 节水条件下玛纳斯河流域地下水数值模拟模型

5.4 不同节水条件下玛纳斯河流域地下水数值模拟

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 下步工作展望

参考文献

致谢

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