如何实现绿洲水资源的优化配置和高效利用一直是绿洲科学中的关键科学问题。当前新疆绿洲中,90%以上的水资源用于农业灌区。绿洲水资源的优化配置很大程度体现于灌区的水资源优化利用。过去几十年中,由于人口增长和经济发展压力,绿洲农业灌区面积不断扩张,用于绿洲灌区的地表水及地下水资源量也不断增加,如何合理实现绿洲灌区水资源的优化利用是绿洲水资源管理的重点和难点。在山地-绿洲-荒漠生态系统中,水资源来源于山区的融冰融雪地表径流,并耗散于绿洲农业灌溉及荒漠。当地表径流不能满足灌区需水时,地下水成为重要补充,因此绿洲灌区水资源优化利用的核心要点是地下水地表水联合利用。尤其在当前绿洲面积不断扩张、种植结构发生变化,以及水资源约束日趋严格(尤其是地下水)的背景下,如何实现地表水-地下水优化利用,是当前新疆尤其是南疆绿洲面临的关键科学问题,也是当地迫切需要解决的现实问题。本论文选取社会经济落后、绿洲水资源管理问题突出的塔里木盆地南缘绿洲为研究区。作为新疆绿洲的重要分布区域,近30年来,其绿洲化进程不断加剧,农田面积不断增加。近10几年来,因南疆良好的光热资源又致使该区域农业种植结构由传统的小麦、棉花及玉米向经济型林果转变,农田面积的扩张加之种植结构的改变,对水资源优化利用提出了迫切的现实需求。具体依托位于塔里木盆地南缘中部和田地区的策勒国家野外观测研究站,选取策勒绿洲为典型研究区,首先分析对策勒绿洲近几十年来绿洲景观格局变化情况,识别当前策勒绿洲种植结构、面积以及布局情况,结合对策勒绿洲主要经济作物红枣、核桃耗水特征的试验监测分析,阐明现有种植结构下绿洲需水情况。其次,基于策勒河多年径流特征,分析策勒绿洲地下水资源量的安全阈值,在建立水文模型模拟分析地下水安全阈值的基础上,判别多情景下策勒绿洲地下水资源可利用的最大地下水开采量。再次,将灌区水资源优化转变为对策勒绿洲可开采的地下水资源进行优化配置模拟,以灌溉水井开采地下水灌溉农田灌区,通过对策勒绿洲现有机井数量及分布特征分析,建立以开采成本最小的目标方程,构建优化模型并分析基于现状的最优井位数量及空间布局。最后,建立地表水与地下水联合利用的优化配置研究,通过不同的灌水模式,建立优化配置模型分析不同情景下地表水地下水联合配水方案,提出不同情景模拟下的水资源联合利用的方案以及建议。研究初步得到的主要结论如下:(1)在1970-1990年、1990-2000年和2000-2013年期间,策勒绿洲灌区面积变化显著,其年变化率分别为-0.3%、1.6%和3.7%。2013年农田面积从1970年的91.10km~2增加到162.66 km~2,增加了78.5%。灌区扩张极大地影响了绿洲景观的稳定性和生态可持续性。(2)当前策勒绿洲的红枣、核桃和石榴种植面积分别占整个绿洲农田面积的59.4%、23%和5.7%,其灌溉水量占总用水量的比例对应为68%、17.7%和5.8%,三种作物占策勒绿洲总面积的88.1%,其耗水量占总水资源量的91.5%。这一结果显示,策勒绿洲种植结构发生了很大的改变,由几十年前的粮食作物已基本转变为经济作物。而红枣已经成为策勒绿洲最大面积的经济作物。对红枣和核桃开展了耗水实验测定,结果显示红枣的蒸腾耗水量约为342.7m~3/亩,其中在6-8月蒸腾耗水占总生长季内的58%以上;而核桃的蒸腾耗水量约为87.23m~3/亩,其中在6-8月蒸腾耗水占总生长季内的60%以上。(3)策勒绿洲允许地下水开采量约为0.9242×10~8m~3/年。地下水可开采量用开采系数法计算,基于不同年份的水量补给不同(丰水年、平水年、枯水年)开采系数综合取值分别为1.2、0.7、0.55,则地下水可开采量分别为1.2015×10~8m~3/年、0.647×10~8m~3/年、0.5083×10~8m~3/年。目前,策勒绿洲灌区地下水开采量约为0.6×10~8m~3/年,因此,策勒绿洲地下水资源开采趋于饱和状态。(4)在对当前绿洲灌区分布的244眼机电井的空间优化过程中,每个灌溉井的最大灌溉半径设定为1500 m之后,其优化结果显示策勒绿洲机井数量减少了近四分之三,并且在综合考虑各种费用后获得了最少的抽水灌溉成本。再次对机井抽水速率再次优化后,机井的抽水速率最大减少了87m~3/h,从217 m~3/h降至130 m~3/h。同时,理论抽水速率从平均209 m~3/h降低到实际抽水速率170 m~3/h,所有优化的机井抽水速率平均降低39.02 m~3/h。为干旱地区地下水灌溉机井的优化布局提供了一种方法,它可以为地方政府提供管理建议。此外,可以有效指导当地居民对地下水的开发利用,同时,对地下水的可持续开发利用起到了重要指导作用。(5)在地表水与地下水联合利用研究中,对当前灌区进行分组,在考虑仅利用地表水的情况下,6、7、8月的轮灌组都为5组,但是由于每个支渠分区的引水时长都比较长,时间差异值也比较大,因此6、7、8月分别的总引水时长比较长,并且各个轮灌组持续引水时间差异值也比较大。根据对策勒绿洲多年水资源量分析,可以继续增加33.51km~2红枣和20.82 km~2核桃的种植。建议向策勒绿洲南部的东西方向扩张。