地下水与地表水是水资源的重要组成部分,是维系社会经济发展以及区域生态安全的重要保障。当前,我国水资源短缺形势日趋严峻,如何在不破坏生态环境的前提下进行地下水与地表水联合调控,进而提高水资源的利用效率是解决当前水资源严重短缺与需求量不断增大之间矛盾的重要途径。三江平原是我国重要的粮食生产基地与最大的内陆湿地集中分布区,在保障我国粮食安全和区域生态安全上具有重要的地位。针对三江平原超采地下水大力发展灌溉农业,地表水利用率不高,导致地下水位持续下降以及湿地退化等资源与生态环境问题,本文提出了地下水-地表水联合模拟与调控研究,其核心研究是在认识区域水循环要素演变特征以及地下水-地表水转换关系的基础上,建立地下水-地表水联合模拟模型,对不同的水资源开发方案进行模拟分析,以地下水可开采量和地下水适宜水位双控制为约束条件,确定合理的地下水-地表水联合调控方案,为三江平原水资源高效、可持续利用提供科技支撑,进而为区域粮食安全与生态安全提供水资源保障。通过研究取得了以下主要成果:1、三江平原水文要素演变特征通过数理统计方法分析了三江平原的气温、降水量、地表径流量以及地下水位的变化特征。多年平均气温为3.16℃,以0.26℃/10a速率上升;降水量年际变动不大,旱季降水量显著增加,雨季显著减少。整体上看,全区降水量变动不大,以6mm/10a的速度缓慢上升;从1956-2012年,三江平原河流径流量波动较大,丰水期、枯水期和平水期均呈显著下降趋势,年径流整体呈下降趋势;地下水位持续下降,从2008-2012年,以0.3m/a的速率下降,其中近河区以0.27m/a的速率下降,灌区以0.80m/a的速率下降,远河区/非灌区以0.56m/a的速率下降。2、三江平原地下水-地表水转化关系研究基于水化学相似性原理,采用聚类分析法与主成分分析方法等数理统计方法,并结合Box-Whisker图法对三江平原的地下水-地表水的转化关系进行了研究。聚类分析法(Hierarchical Cluster Analysis,HCA)将水样分成3大类七小类,也即将研究区在空间上划分为上、中、下游三部分。采用主成分分析法(Principal component analysis,PCA)对水样的主成分进行分析,4种主成分一共解释了全部变量的85.9%。通过水化学方法确定了研究区地下水-地表水的转化关系模式为:上游为地下水补给地表水,中游地表水与地下水相互转化频繁,下游为地表水补给地下水。3、三江平原水资源可利用量计算研究区内的总地表水资源量为153.35亿m3,在充分考虑河流的基流量、排沙量以及水生生物需水量等生态需水量前提下,得出研究区可利用地表水资源量为47.14亿m3;利用水均衡法与开采系数法对三江平原地下水可开采量进行计算研究,取其平均值得地下水可开采量为46.54亿m3。并对三江平原的地下水可开采量的空间分布进行了研究,得出主要的地下水可开采量大部分分布于平原区,其次是低山丘陵区,再次是兴凯湖平原,最后是山区。4、三江平原的地下水-地表水联合模拟模型的构建根据三江平原的地质、水文地质条件、土地利用类型以及地表水力参数,概化三江平原的地下水及地表水的概念模型并建立相应的数学模型。利用一阶交换系数法(First-order exchange coefficient,FOEC)方法对三江平原地下水及地表水模型进行耦合。建立了三江平原的地下水-地表水联合的模拟模型并进行了参数的识别与验证。模型验证结果较好,为模拟不同地下水-地表水开采方案提供可靠支撑。5、三江平原地下水-地表水联合调控方案(1)、三江平原地下水适宜水位的确定基于三江平原102眼观测井2008-2012年的地下水位观测资料,采用阿维里扬诺夫公式计算地下水适宜水位的下限阈值;利用分层土壤采样数据以及室内实验,采用竖管法测得三江平原不同土壤类型的最大毛细上升高度,并通过野外调查获得三江平原典型植被根系层厚度,最后获得三江平原地下水适宜水位上限阈值。地下水适宜水位的上限为0.5m-2.8m,下限为2.0m-14.3m。(2)、基于地下水水量-水位双控制的水资源开采方案利用已经建立好的地下水-地表水联合模拟模型对3种不同方案下地下水位进行预测,以地下水可开采量以及地下水适宜水位双控制为约束条件,最终得出,如果按照现状的地下水和地表水开采量进行开采,地下水位将会持续下降,含水层储量下降。在丰、平、枯水年,地下水位将分别在2028年、2023年和2019年全部低于适宜水位下限值。对于方案二,按照地下水可开采量和地表水可利用量进行开采,丰、平、枯水年在节水条件下(250 m3/亩)可分别支撑最大水稻田面积为3301.4万亩,3185.12万亩、3106.92万亩;常规灌溉下(420 m3/亩)可分别支撑最大水稻田面积分别为1965.12万亩,1895.90万亩和1849.36万亩。对于方案三,在适宜水位限制条件下,丰水年中灌溉4000万亩水田需要开采地下水65.01亿m3,引用地表水86.10亿m3(其中引国际界河水为38.96亿m3);平水年灌溉4000万亩水田需要开采地下水58.46亿m3,引用地表水92.65亿m3(其中引国际界河水为45.51亿m3);枯水年中灌溉4000万亩水田需要开采地下水和地表水分别为50.35亿m3和100.76亿m3(其中引国际界河水为53.62亿m3)。