随着人口增加和社会经济发展对水资源需求的进一步增加,水资源供需矛盾日益突出。在全球变化背景下,气候变暖加剧了水资源的短缺,在干旱内陆河流域尤为明显。因此,研究干旱内陆河流域水资源对实现水资源可持续利用和社会经济可持续发展具有非常重要的意义。本研究依托水利部公益性行业科研专项经费项目―内陆干旱区实施最严格水资源管理关键技术‖,以呼图壁河流域为干旱内陆河流域典型区域,以水资源供需过程为研究对象,研究了呼图壁河流域近50多年来地表径流变化及对气候变化的响应,结合同位素和水化学技术探讨了水资源构成和地表水、地下水转化关系,发展了流域蒸散发估算模型,探讨绿洲农业用水、工业用水、生活用水和生态需水的模拟方法,揭示流域水资源供需规律,构建适合于干旱内陆河流域最严格水资源管理模式(制度)。这些研究丰富了内陆干旱区水循环研究、完善流域水文分析理论和方法具有重要的科学意义。同时,丰富了干旱区实施最严格水资源管理的内涵和方法,为实现流域水资源的可持续利用、保障社会经济发展提供科学依据和决策建议,为干旱区贯彻落实最严格水资源管理制度提供科技支撑。本研究主要成果如下:(1)近53年来呼图壁河流域温度和降水均呈增加趋势,增加速率分别为0.35℃/10a和13.29 mm/10a。不同环境下气候要素变化幅度和变化趋势存在明显差异,荒漠和绿洲气温对全球变化的响应最显著,山区降水量对全球变化的响应最显著,这对区域的地表水资源产生重要的影响。近50年来呼图壁河年径流量均呈显著增加趋势,增加趋势分别为0.13×108 m3/10a,存在4a、10a、18a和28a左右的振荡周期。通过Person相关分析发现降水和潜在蒸发量是影响呼图壁河径流量变化的主要因素,并建立了呼图壁河月径流量和月降水、月潜在蒸发量的回归模型,模型模拟效果较好,可以用来预测未来月尺度径流量。(2)利用累积量斜率变化率比较法(SCRAQ)和气候敏感法(HSAM)定量评估了气候变化和人类活动对径流量变化的贡献率,发现气候变化对流域径流量变化的贡献率为74.21%~83.07%,人类活动的贡献率为16.93%~25.79%。相比而言,HSAM法耦合了水量平衡法和气候敏感法,对气候变化的影响估算更为准确有效,但依然存在参数较多、计算繁琐等缺点。而scraq法具有计算简单快捷、所需参数较少等优点,可以在干旱区流域内推广。(3)呼图壁河流域河水、地下水和积雪融水中δd、δ18o的组成和季节变化差异较大。河水中δd、δ18o值分别为-66.66‰和-9.94‰,地下水为-69.82‰和-10.23‰,而积雪融水为-150.79‰和-19.42‰。不同水体的水化学特征有显著的差异,河水和地下水类型以so42-—hco3-—na+为主,gibbs分析发现河水更接近于岩石风化作用控制区,地下水则更接近于蒸发-结晶沉降作用控制区。河水受大气降水和冰雪融水的混合补给,而河水和积雪融水对地下水有密切的水力联系,水体在转化之前经历了一定程度的蒸发作用而引起同位素的变化。呼图壁河河水和地下水出现了两次转化关系,上游地区地下水对河水的补给占到18.45%,而中下游区域地下水的补给占到90%以上。(4)选取68个典型干旱内陆河流域,验证了budyko水热耦合平衡假设在我国干旱内陆河流域的适用性,以budyko水热耦合平衡假设和傅抱璞公式为基础,将植被-土壤相对蓄水能力smax/、平均坡度tanβ和集水面积a为参数,确定傅抱璞公式中参数值的半经验公式,构建了干旱内陆河流域实际蒸散发量的估算模型(简称budyko-iarb),验证表明budyko-iarb模型可以准确的估算流域逐年实际蒸散发量,计算得出呼图壁河流域实际蒸散发量为153.8mm。(5)近20年来呼图壁河流域主要作物净灌溉需水量呈波动变化趋势,从1992年的2.48×108m3增加到2012年的6.76×108m3,增加了近4.26×108m3,特别是2008年之后灌溉需水总量迅速增加。随着棉花种植比例的增加,棉花灌溉需水总量迅速增加,1992年棉花灌溉需水总量为0.51×108m3,增加到2012年3.94×108m3。节水灌溉条件下,构建了考虑土壤湿度修正系数的呼图壁河流域作物需水计算模型,得出呼图壁河流域土壤湿度修正系数为0.41,2012年节水灌溉条件下灌溉需水量为2.77×108m3。构建了万元工业增加值用水量和人均gdp之间的关系模型,发现1993-2012年呼图壁河流域工业用水总量迅速增加,从1993年的0.009×108m3增加到2012年的0.11×108m3。构建了城镇人均日生活用水量和人均gdp之间的关系模型,发现1985-2012年呼图壁河流域生活用水总量迅速增加,从1985年的0.018×108m3增加到2012年0.06×108m3,2012年城镇生活用水总量为0.051×108m3,农村为0.009×108m3。呼图壁河流域生态需水总量为2.104×108m3。供需水平衡分析发现,除特丰水年外,呼图壁河流域供水不足,需水保持在高水平且迅速增加,只能依靠挤占生态需水来满足生产和生活用水的需求,从而导致了生态环境的退化。(5)提出了―两步走战略,近期三七分成,远期五五分账‖和―三七调控‖的水资源开发利用合理阈值,指出总量控制红线是干旱区水资源―三条红线‖的核心,提出了―内陆干旱区最严格水资源管理制度‖总体框架,即以水安全、粮食安全和生态安全为主要目的,提出―地表水-地下水库‖联合调蓄及―水-生态-经济‖耦合的流域集成水资源管理模式,从而实现水资源可持续开发利用,最终实现流域可持续管理。