黑河干流中游地处西北内陆干旱区,水资源严重匮乏,该地区的可持续发展对水的依赖性和敏感性较强。近年来随着水资源供需矛盾的日渐突出,农业用水严重挤占生态用水,导致社会经济效益的增长与沉重的生态环境代价相伴而生。基于生态健康的水资源优化配置,对促进黑河干流中游水资源的高效持续利用以及改善脆弱的生态环境具有重要的理论价值和实践意义。本文在进行黑河干流中游生态系统演变及驱动因子分析的基础上,建立了衡量绿洲生态健康的指标体系,基于水热平衡和风沙动力学原理,确定了适宜的绿洲规模、生态规模以及耕地规模;计算了不同水文年型的水资源可利用量,采用潜水蒸发法和水面蒸发公式,计算了研究区植被需水和湿地需水,采用定额法计算了现状年及规划年的生活、工业及农业需水量;考虑上游来水、降水、蒸发、作物单产及单价的不确定性,基于大系统递阶分析,建立了基于生态健康的多目标区间非线性双层优化配水模型,基于MATLAB编程求解,获得了研究区不同规划年不同来水情景下水资源在县区间、部门间以及作物间的优化配置方案。获得以下主要结论:(1)基于距平百分率,将黑河干流中游的河川径流划分为丰水年、偏丰年、平水年、偏枯年、枯水年五种来水情景;根据《黑河干流水量分配方案》,考虑来水的不确定性,获得五种来水情景下的水资源可利用量的区间分别为[14.65,15.68]、[14.77,15.25]、[14.38,15.33]、[14.40,14.70]、[13.77,14.25]亿m3,其中地下水允许开采量为4.81亿m3。(2)基于1986年、2000年、2011年的土地利用图,分析了黑河干流中游林地、草地、湿地面积的演变趋势及其原因。结果表明:1986~2011年间,研究区林地、草地面积呈减小趋势,湿地面积呈先减小后增大的趋势,该演变的主要原因是耕地面积占用生态面积、生产用水挤占生态用水、水利工程建设及湿地恢复措施的实施等。(3)考虑绿洲生态系统变化的影响因素,确定了绿洲生态健康的指标体系,包括适宜的绿洲规模、适宜的耕地面积、适宜的生态规模、适宜的生态地下水位和最小生态配水保障;基于生态水热平衡原理和风沙动力学原理,确定黑河干流中游适宜的绿洲规模、耕地面积和生态防护面积。在临界稳定状态下,丰水年、偏丰年、平水年、偏枯年、枯水年的适宜绿洲规模区间为[346.8,496.6]、[356.4,473.3]、[340.0,469.0]、[349.0,425.1]、[336.1,429.1]千hm2;适宜耕地面积区间为[131.2,140.4]、[132.3,136.6]、[128.8,137.3]、[129.0,131.6]、[123.3,127.6]千hm2;研究区防护林地的有效植被盖度为22%~28%,临界盖度为47%。2013年黑河干流中游的实际绿洲规模和耕地面积均超过适宜范围,生态防护面积未达到有效植被盖度。(4)采用潜水蒸发法和水面蒸发公式,计算了研究区植被需水和湿地需水,采用定额法计算了现状年及规划年的生活、工业及农业需水量。2013年黑河干流中游总需水[17.02,21.13]亿m3,其中生活、工业、农业、生态需水量分别为0.46、0.31、[12.95,15.23]、[3.30,5.13]亿m3,现状年缺水[1.92,6.03]亿m3;2020年研究区总需水[16.30,22.10]亿m3,其中生活、工业、农业、生态需水量分别为0.57、0.28、[11.42,14.57]、[3.86,6.55]亿m3;2030年研究区总需水[16.58,22.40]亿m3,其中生活、工业、农业、生态需水量分别为0.67、1.01、[10.53,13.43]、[4.46,7.41]亿m3。研究区需水量略呈增长趋势。(5)依据生态健康原则、用水安全原则、高效性原则和公平性原则,基于大系统递阶分析原理,考虑上游来水、降水、蒸发、作物产量及价格方面的不确定性,构建了以研究区经济效益最大和各县区缺水率的平方和最小为目标的多目标区间非线性双层优化配水模型,基于MATLAB编程求解,得到黑河干流中游现状年及规划年五种来水情景下的县区间、用水部门间以及作物间优化配水方案。现状年优化后的经济效益为[96.53,113.72]亿元,因保证生态健康用水,优化后的经济效益略有下降,优化后的农业用水占总用水的73%~74%,生态用水占21%~22%。2020年优化后研究区的经济效益为[158.42,181.77]亿元,甘临高分配的水量分别占总水量的45%~48%、25%~26%、27%~29%,生态配水和农业配水分别占总水量25%~28%、64%~68%。2030年优化后研究区的经济效益为[338.08,361.82]亿元,甘临高分配的水量分别占总水量的46%~49%、24%~25%、26%~30%,生态配水和农业配水分别占总水量的28%~32%、56%~61%。现状年和规划年作物的配水结构相似,为保证最小粮食需求量,小麦、大田玉米等粮食作物缺水量较小,制种玉米因种植面积最大,缺水量最多。