【摘 要】
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水、粮食、能源、生态具有相互联系、依存和竞争的纽带关系,以其具有多资源协同、多部门协作推动发展的优势,成为一种探索生态环境、气候变化、人类活动和社会经济发展之间联合演变的新方法,以帮助制定更具韧性的可持续发展战略,有效促进资源环境之间的协同,降低资源利用过程中的权衡,更好地应对变化环境带来的不利影响。宝鸡峡灌区作为重要粮食生产基地和农业用水大户,对渭河流域和陕西省的农业发展具有重要意义。密集持续的
【基金项目】
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国家自然科学基金青年基金“基于改进多目标遗传算法的灌区地表水地下水联合利用模拟优化模型（51409219）”; 国家重点研发计划子课题“基于生态需水的区域水资源优化配置研究”（2016YFC0400305）
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水、粮食、能源、生态具有相互联系、依存和竞争的纽带关系,以其具有多资源协同、多部门协作推动发展的优势,成为一种探索生态环境、气候变化、人类活动和社会经济发展之间联合演变的新方法,以帮助制定更具韧性的可持续发展战略,有效促进资源环境之间的协同,降低资源利用过程中的权衡,更好地应对变化环境带来的不利影响。宝鸡峡灌区作为重要粮食生产基地和农业用水大户,对渭河流域和陕西省的农业发展具有重要意义。密集持续的农业活动导致灌区面临水资源严重短缺、生态安全威胁、能源消耗和粮食减产问题,加之地下水无序开采和农业水资源对气候变化的高度敏感性又进一步加剧了灌区纽带关系的脆弱性。因而迫切需要关注和评估地表水和地下水开采利用对灌区农业灌溉和生态安全的影响,用系统和整体的观点来定量评估气候变化对灌区水-粮食-能源-生态纽带关系的影响,以便为相关决策部门提供理论依据,进一步促进灌区的安全可持续发展。目前,国内外涉及纽带关系之间的权衡协同关系和定量化建模分析较少,没有基于水文模型针对灌区进行深入细致的研究。因此,本文以宝鸡峡灌区为研究对象,通过深入分析灌区存在的水-粮食-能源-生态纽带关系,定义量化指标并采用可持续性指数和皮尔逊相关分析,提出基于WEAP-MODFLOW耦合水文模型的灌区纽带关系定量分析框架,并建立气候变化情景与供需管理结合情景,对不同情景对灌区纽带关系影响进行定量研究。研究取得以下主要结果:（1）定义了五种量化指标与可持续性评估指数,提出了水-粮食-能源-生态纽带关系定量分析框架。研究表明,在耦合模型与定量指标组合的定量分析框架内考虑多种气候变化情景,并补充分析极端气候变化影响范围下供需管理措施缓解效应,不仅能够充分反映和量化灌区纽带关系的权衡和协同作用,也可以提供不同资源部门针对性的管理建议,从而推动灌区纽带关系的可持续发展。（2）将WEAP-MODFLOW耦合模型应用于水-粮食-能源-生态纽带关系研究领域。该模型实现了对渠井结合灌区的地表-地下水之间的耦合模拟,在此基础上定量计算了地下水供给灌溉比例,以及地下水补给与水位变化值。结果表明不同水文年地下水资源利用变化趋势具有明显差异,湿润年情景地下水供水平均相对下降了 5.7%,累计地下水补给和水位恢复值偏高于整体均值,而干旱年情景中,地下水开采范围扩大,累计补给平均减少了 10%,地下水位降幅趋最大,随之减少的地下水向河道的排泄量会潜在影响河流的生态基流。（3）气候变化影响的定量分析表明,气候变化通过降水、温度等气象因素变化显著影响了灌区的水资源可利用量和作物灌溉用水需求,从而对整个纽带关系产生了不可忽视的影响。作物灌溉用水需求在未来整体呈现上升趋势,未来2032-2035年间地下水位呈现下降趋势,最大变幅接近5m,将影响地下水与渭河的补排关系,在一定程度上影响渭河的枯季径流。极端干旱情景下尤其会加剧生态环境、灌溉用水、能源消耗与粮食生产需求之间的紧张关系,引起纽带关系可持续性下降,其可持续性指数低于整体均值的13%。（4）节水灌溉与作物种植结构调整情景的定量分析表明,综合管理措施在缓解灌区水资源短缺、地下水采补失衡与能源消耗压力方面可以发挥重要作用。尤其在极端干旱影响下,综合管理措施可使粮食总产量提高16%,地下水开采量下降2.3%,地下水位变幅降低48%,生态要素定量指标提高16.5%,且比单一的大范围使用节水灌溉技术缩减了 19%的能源消耗,使得可持续性评估指数提高了 25%。
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