基于水文过程的灌区分布式农业生产水足迹计算模型研究

Water shortage has become the main bottleneck of agricultural production in China. Irrigation is the main consumer of agricultural water resources in China, the implementation of the most stringent water resources management system in irrigation district has significant meaning for the sustainable development of agriculture. As a new index, water footprint(WF) may serve as the index system for total amount control, efficiency control and agricultural non-point source pollution control in irrigation district. The scientific quantification is the prerequisite to the evaluation and application of WF in agricultural water management. Given the shortage of current WF calculation method that lack of hydrological process mechanism, this project aims to establish the distributed agricultural water footprint quantitative model which based on the hydrological process in irrigation district. Firstly, this project aims to establish the hydro-network of natural-artificial composite system by using ArcHydro model which can provide the hydrologic and geographic data. Then, through analyzing the water use process, the project determines the hydrological elements and their calculation methods. Finally, the project takes the SWAT model as the core framework and to load the hydro-network and calculation modules of WF elements, the distributed agricultural water footprint quantitative model can be established, then the model will be validated by taking the Hetao irrigation district as study area. The implementation of this project will help to provide the reasonable hydrological process for WF quantification and the scientific basis for the implication of WF in the most stringent water resources management in irrigation district.

水资源短缺已成为制约我国农业生产的主要瓶颈。作为农业用水的主体，灌区实施最严格的水资源管理制度对保障农业可持续发展具有重要意义。水足迹为灌区实施以用水总量、效率和面源污染控制为核心的水资源管理制度提供了新的指标体系，而水足迹科学量化是将其应用于农业用水管理的前提。本项目针对目前水足迹量化方法缺乏水文过程机理这一不足，拟通过建立基于水文过程的灌区分布式农业生产水足迹量化模型为水足迹量化提供理论依据。首先，利用ArcHydro模型构建灌区人工-自然二元水文网络，为水足迹模型的构建提供地理、水文信息；其次，通过灌区用水过程分析，确定灌区水文循环要素及其量化方法；最后，以SWAT模型为内核，加载灌区水文网络和水足迹要素计算模块，建立农业生产水足迹量化模型，并以河套灌区为案例，对模型进行适用性评价。项目研究成果可为水足迹量化提供水文过程机理，并为水足迹在灌区水资源管理中的应用提供理论依据。

农业生产水足迹的科学量化是将其应用于农业水资源管理的前提。分析水资源在“引水-输水-灌水-排水”的水文循环过程和水文要素的量化是农业生产水足迹计算的关键。项目通过分析灌区“引水-输水-灌水-排水”等环节构成的人工侧支循环过程，建立水足迹构成要素的量化模块，通过加载灌区水文网络和水足迹要素量化模块，构建基于水文过程的灌区分布式农业生产水足迹计算模型，并在此基础上开展了作物生产水足迹量化评价、土地利用变化对灌区水文循环要素影响等方面的研究，项目取得的主要成果如下：.（1）利用中国科学院地理空间数据云平台，获取河套灌区数字高程模型（DEM）数据，利用人工渠系图对DEM进行修正，运用“burn-in”算法对DEM进行凹陷化处理，建立灌区人工-自然水文网络。.（2）辨识了灌区“引水-输水-灌水-排水”等环节构成的人工侧支循环过程，建立水足迹构成要素的量化模块，通过加载灌区水文网络和水足迹要素量化模块，构建了基于SWAT模型的灌区农业生产水足迹量化模型。.（3）利用所构建的模型计算了灌区春小麦、玉米和向日葵3种主要作物生产水足迹。结果显示向日葵水足迹最高处位于东部的乌拉特前旗，其值为4885 m³/t，最低处位于临河区最南部，其值为2095 m³/t；灌区春小麦的水足迹在1380 m³/t 至2888 m³/t之间，玉米的水足迹较向日葵和春小麦小，其值在942 m³/t 到1774 m³/t之间。.（4）人类活动对灌区的土地利用变化起重要作用，从1995年到2010年灌区春小麦面积减少了22.10%，向日葵和玉米分别增加了9.80%和6.20%；由于作物生育期及生产水足迹的差异，种植结构类型的改变对区域农田蒸发蒸腾总量（种植业总水足迹）以及蒸发蒸腾量的年内分布产生影响。.本项目基于水足迹理论科学内涵，根据灌区的人工-自然二元水文特征，考虑人类活动对灌区水分循环的影响，建立灌区分布式水文模型，对灌区水文过程进行量化和模拟，为灌区农业生产水足迹的量化提供水文过程机理和科学依据，对于明确农业用水过程、指导灌区水资源管理具有重要意义。