干旱灌区水盐运移的尺度效应与多尺度耦合模型

Soil salinization in arid irrigation district is a difficult problem in soil science, and also be one of key factors for food security. Identifying the scale effect of water and salt transport in irrigation district has an important scientific significance for assessing the degree of soil salinization accurately and controlling soil salinization. In this project, Hetao Irrigation District, one of the three biggest irrigation districts in China, will be selected as the study area, and a series of field experiments will be carried out in this area. On the basis of the experimental data and remote sensing data, some methods such as RS, GIS, geostatistics, numerical simulation, neural network, will be used to (1) study the spatial and temporal patterns of water and salt in different scales, and their main influencing factors in the process of water and salt transport; (2) analyze the scale effect of water and salt transport and its influencing mechanism in arid irrigation district; (3) explore the method of scaling transformation for key parameters and factors in the water and salt transport model; (4) develop the multi-scale model to simulate the water and salt transport in arid irrigation district taking into the scale effect account; (5) evaluate the impact of human activities on the spatial and temporal patterns of water and salt in the study area. This study results will provide a theory basis and technical support for the water and soil security and the control of soil salinization in arid irrigation district.

干旱灌区土壤盐渍化问题是土壤学科的研究难点，也是影响粮食安全的重要因素之一。而正确认识灌区水盐运移的尺度效应对于准确评价土壤盐渍化程度和土壤盐渍化防治具有重要的科学意义。本项目拟选择干旱灌区中有代表性的内蒙河套灌区作为研究区，将灌区地下水和土壤系统作为一个有机整体，从微观和宏观层面出发，借助于野外试验和理论分析相结合的手段，深入研究不同尺度水盐运移过程中关键要素的时空变异特征及其主要影响因素，分析干旱灌区水盐运移规律的尺度效应及其驱动机制，探索不同尺度土壤-地下水系统水盐运移模型中关键要素和关键参数的转换方法，并构建考虑尺度效应的干旱灌区多尺度水盐运移耦合模型，重点评估人类活动对干旱灌区水盐运移的影响，为灌区水土资源安全与土壤盐渍化防治提供技术支撑。

正确认识灌区水盐运移的尺度效应及其影响机制对于灌区水土资源的可持续利用具有重要的科学意义。本项目选择内蒙古河套灌区作为研究区，综合采用试验监测、统计分析和数值模拟等手段，分析了不同尺度土壤-地下水系统水盐时空变异特征及其尺度效应，识别了长期监测条件下不同尺度地下水稳定性监测点位，揭示了灌区水文循环要素对气候变化和人类活动的响应关系。取得的主要成果包括：（1）研究了葵花和羊草覆被条件下土壤-地下水系统水盐时空变异特征，依据水盐通量计算结果，作物生长期间总体上水分呈现向上迁移的趋势，而盐分的迁移则较为复杂；（2）阐明了不同尺度地下水时空变异特征及其影响因素，永济灌域、义长灌域和河套灌区的平均变异系数分别为24%、29%和31%，随面积增加，变异系数呈现增大趋势；土壤质地对于大尺度区域地下水的空间变异性具有较为显著的影响，气象因素在多年尺度方面对于灌区地下水影响明显，而在年内尤其是季节尺度上，灌溉对地下水的影响更为显著；（3）分析了四种不同尺度地下水动态变化的尺度效应及稳定性，空间变异系数随着尺度的增加而增加，具有明显的尺度效应，且埋深在1.5-2.5m的区域具有较强的时间稳定性；（4）构建了河套灌区大尺度地下水精细模拟模型，揭示了气候变化和人类活动对灌区水文循环要素的影响，发现灌区引水量每减少1亿m3，地下水位平均下降约0.025m。研究成果可为节水改造工程的优化设计和区域地下水的保护和利用提供科学依据。