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气候变化背景下疏勒河流域基于农业种植结构调整的水资源优化分配

 
【摘要】:疏勒河流域是我国西北干旱区典型的内陆河流域,水资源是限制当地社会经济可持续发展的重要因素。近年来,气候变化与人类活动的双重驱动,以及常年的过度用水,导致该流域出现了水资源短缺、地下水位下降、植被退化、土地荒漠化等一系列环境问题。而疏勒河流域各类型用水量中,农业灌溉用水所占比例高达80%以上,因此,未来在保证流域社会经济水平继续提高和生态环境不断改善的前提下,水资源优化分配,尤其是农业用水及种植结构的优化对该流域可持续发展至关重要。本文利用SWAT模型,选取IPCC提出的RCP2.6,RCP4.5和RCP8.5三种未来气候变化情景,开展了2020—2050年疏勒河流域水资源总量模拟研究;并用灰色模型预测了未来工业用水、居民生活用水、城镇公共用水及林牧渔畜用水量;通过引入水资源开发利用率指标,提升了流域生态用水量比例,最终得到未来农业灌溉可用水量。同时,通过资料收集和问卷调查方式,得到该流域主要农作物类型的成本、收入、产量和灌溉用水量基础数据,构建了疏勒河流域农业多目标优化模型,利用多目标遗传算法开展了疏勒河流域未来三种气候变化情景下的农业种植结构及其相应的水资源优化,并评价了节水技术对疏勒河流域农业发展的影响,实现了疏勒河流域未来水资源的优化分配。取得主要结论如下:(1)疏勒河流域用水量在2005—2010年逐年上升,2011—2017年逐年下降,其中农业灌溉用水量常年占用水总量的80%以上。2011—2017年间,随着灌溉用水量的减少,棉花、小麦等农作物种植面积逐年下降,而玉米、蔬菜、药材等作物的种植面积逐年上升。(2)SWAT模型对疏勒河流域水文现状模拟较好,对月尺度数据的模拟验证结果显示,各个水文站点效率系数均在0.55以上。对2020—2050年间三个气候变化情景下的水资源量进行模拟,结果显示,随着RCP情景中设定的温室气体浓度升高,水资源总量呈增加趋势,其中RCP8.5的年均水资源量为29.2亿m~3,RCP4.5为28.3亿m~3,RCP2.6为27.5亿m~3,较2005-2017年年均水资源总量25.7亿m~3均有升高。(3)使用灰色模型对2020—2050年间的工业用水、林牧渔畜用水、居民生活用水、城镇公共用水进行了预测。结果显示,工业用水和林牧渔畜用水在逐年减少,而城镇公共和居民生活用水在逐年增加。(4)为保证流域生态用水量,设置该流域水资源开发利用率在2020—2050年间逐年下降,至2050年下降到24%的水资源利用规划目标,预测得到2020—2050年间的生态用水量,进而得到农业灌溉可用水量。结果显示,随着水资源开发利用率的逐年下降,农业灌溉可用水量由2020年的8.72亿m~3(RCP2.6)、9.13亿m~3(RCP4.5)和9.54亿m~3(RCP8.5)下降到2050年的5.60亿m~3(RCP2.6)、4.64亿m~3(RCP4.5)和4.18亿m~3(RCP8.5)。(5)以疏勒河流域农业收益、农业产值、灌溉用水效益最大化为目标,构建农业多目标优化模型,对农业种植结构及灌溉用水量进行优化。结果显示,疏勒河流域农作物种植结构需调整为以制种类、香料类作物和小麦、玉米等为主。且随着RCP情景中设定的温室气体浓度升高,香料类和制种类的面积都呈现增加趋势。与农作物种植结构调整相对应的,小麦、玉米、制种类和香料类在三个情景下用水量占农业灌溉总用水量的比例均较大。结合优化后的农业效益、农业产值和水效益情况看,RCP8.5情景下的农业效益是最高的,其次是RCP4.5,最后是RCP2.6情景。这说明,在不考虑气候变暖对社会、经济、环境造成的其他负面影响前提下,气候变暖对该流域水资源供给和提升农业综合效益可能是有利的。(6)设立不同节水率情景,对节水技术应用下的农业收益、农业产值和用水效益进行优化分析。结果显示,在农业水资源一定的情况下,节水率越高,农业总收益、农业总产值和用水效益整体越高。综上,本研究通过水文模型模拟方法得到了未来气候变化背景下的疏勒河流域水资源量变化情况;在保证生态用水安全的前提下,预估了未来的农业灌溉可用水量;在此基础上,通过构建农业多目标优化模型,对未来农业种植结构和用水分配进行了优化。研究结果说明在未来气候变化背景下,为保护生态环境,通过优化调整可以实现农业水资源减少而农业效益提高的双赢发展目标。研究结果将为干旱区农业发展、生态环境保护及水资源开发利用提供科学借鉴。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:F326.1;F323.213

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