中国工程院院士康绍忠，中国农业大学水利与土木工程学院副教授佟玲：深刻认识区域水循环演变规律确立合理的绿洲灌溉农业规模

“我们在石羊河流域的研究工作表明，西北旱区流域水资源要可持续利用，首先应该做到水地平衡，按水办事，以水定地，合理控制农业开发与灌溉规模；在整个流域水资源科学配置中要考虑生态用水的要求，如果不考虑生态用水，这个区域的发展是不可持续的；发展节水高效农业是干旱区水资源可持续利用与农业可持续发展的战略选择；必须实施严格的水资源管理，实现总量控制与定额管理。加强农业用水的监测评估和农业节水科学研究等基础性工作，才能保证国家的高效节水农业健康有序地发展。”

水资源短缺和生态环境恶化已成为制约我国西北内陆河流域经济社会可持续发展的核心。内陆河流域有限的水资源承载了过多的人口及经济活动，使水循环过程发生了深刻变化，进而影响受水控制的生态系统，带来生态环境的巨大改变。石羊河流域是西北内陆干旱区典型的水资源紧缺区域之一，是甘肃河西内陆河流域人口最多、水资源开发利用程度最高、用水矛盾最突出、生态环境问题最严重、水资源对经济社会发展制约性最强的流域。随着人口增长和经济社会发展，水资源过度开发利用，流域水资源严重超载，经济用水挤占生态用水，使得进入下游民勤绿洲的水量逐年锐减，致使下游地下水水位下降、植被衰退、绿洲萎缩，进而引起土地沙漠化、荒漠化、盐碱化等一系列生态环境问题，威胁着流域的可持续发展，危及当地人们的生存。研究石羊河流域水资源转化规律及其农业节水调控模式，对于深刻认识该区域水循环演变的过程和机制，确定合理的绿洲灌溉农业规模，促进水资源持续高效利用，改善脆弱生态环境更具有重要的现实意义，同时对西北干旱内陆区其他流域也具有借鉴与参考价值。

必须考虑流域水资源转化关系和水资源利用格局的变化

内陆河流域水资源及水文循环过程是决定流域经济结构、土地利用和生态环境状况的主导因素。流域地表水与地下水资源多次相互转化，使水资源能够多次重复利用，改变了水资源的转化与利用格局，影响受水控制的生态系统。水资源合理配置和节水农业建设必须考虑流域水资源转化关系和水资源利用格局的变化。

为了解决西北旱区流域尺度水资源问题，以石羊河流域为研究区，采取田间定量定位系统监测试验、室内机理试验与应用示范相结合为总的技术路线，并采用田间小区控制试验和理论分析及计算机模拟相结合的研究方法，我们在中国农业大学与甘肃省武威市水务局等单位合作建设的“石羊河农业与生态节水试验站”进行了系统的田间试验。总体思路是针对过去只注重考虑局部节水效应、不考虑上下游水转化关系、就节水谈节水的状况，强调在考虑流域水循环过程和生态需水的基础上，科学确定全流域不同地区适宜的农业节水模式；针对过去盲目追求高标准渠道防渗的状况，强调减少全流域作物总耗水ET和提高WUE的真实节水，更加关注农艺与生物节水在解决流域缺水问题中的作用；针对过去单纯考虑节水的经济效应，强调区域节水后的生态环境效应评价。

总体目标是认识流域尺度水资源消耗转化规律，进行面向生态的水资源合理配置，建立农业高效用水新模式，开拓作物高效节水调控新途径，减少奢侈耗水，提高灌溉水利用效率与效益。

石羊河流域水资源转化规律及其农业节水调控模式研究取得的主要结果与结论

本研究涉及人类活动和气候变化对石羊河流域径流的影响与模拟、流域地表水—土壤水—地下水转化关系与模拟、流域不同尺度农作物和防风固沙植物耗水规律与估算模型、流域主要农作物和温室蔬菜及特色瓜果的耗水规律与节水优质高效灌溉技术、面向生态的流域水资源合理配置理论与模式、流域水资源管理与节水型社会建设等若干急待解决的科技与生产实际问题，在此基础上进行了流域上中下游不同类型区的农业综合节水技术集成与示范，取得了具有重要创新并在流域水资源管理与节水农业建设中发挥了重要作用的研究成果。

研究成果揭示了旱区流域尺度水资源转化与消耗规律，发展了流域水转化的定量模拟方法，为科学评价流域尺度来水与需水变化以及水资源科学管理提供了理论基础。通过系统的试验研究，明确了不同耗水测算方法在不同类型农田的应用条件与适用性，揭示了主要农作物和典型防风固沙植物的耗水规律，提出了节水灌溉条件下的作物系数值和非均匀湿润与稀疏冠层条件下的作物耗水估算模型，在分析流域耗水时空变化特征的基础上建立了基于DEM转换函数和遥感土地利用分布的主要作物耗水空间分布式模型，提出了典型防风固沙植物耗水估算模型与点面尺度提升方法以及适合西北旱区流域尺度的生态需水估算方法；发现甘肃石羊河流域种植结构变化经济作物比例增大后单位面积的净耗水显著下降，过去50年流域总净耗水增加5.76亿m3，但单位面积的净耗水明显下降，流域总净耗水增加是由于耕地与灌溉面积急剧增大而造成的，为流域实施“关井压田调结构”的水资源管理战略提供了重要的科学依据；通过对流域地表水—地下水—土壤水转化的实验与模拟，建立了流域水循环模拟中土壤水分物理参数的单参数模型和土壤转换函数，获得了流域尺度不同土壤水分物理参数的空间分布；提出了葡萄二维动态根系吸水模型，建立了葡萄园根系分区交替滴灌条件下的土壤水分动态模型（APRI模型）；发展了干旱内陆区融合ANN与数值方法的地下水水流模型，建立了基于井渠数字化的民勤绿洲地下水水位动态FEFLOW模型，模拟了不同灌溉规模与地表来水量时的区域地下水水位动态变化，发现红崖山水库来水2.5亿m3时民勤绿洲下游地下水水位将出现回升趋势，为流域水资源合理配置提供了数据支持。修正了区域水转化模拟的SWAT模型中的蒸散发估算公式，构建了基于SWAT的杂木河流域分布式水文模型；建立了内陆河流域地表径流预测的分布式神经网络模型，提出了一种定量评价气候变化与人类活动对流域地表径流影响的方法，发现过去50年人类活动对流域出山口径流变化的贡献率为12.1%～35.5%，模拟了气候变化和人类活动对石羊河流域来用水变化的影响。

构建了基于生态需水的流域尺度水资源宏观配置与调控模式，开发了相应的决策支持系统，为实施流域水资源统一调配提供了决策支持与可行方案。建立了流域耗用水变化与农业种植结构和气象要素的关系；提出了旱区流域水资源开发的水土环境效应综合评价指标体系；建立了石羊河流域面向生态需水的水资源合理配置模型，在考虑全流域地下水均衡及民勤绿洲地下水正均衡的条件下，获得了流域灌溉规模及上中下游用水分配方案、生态与经济用水分配方案以及农业种植结构的优化模式，为流域水资源的合理配置提供了决策依据；针对在模糊与不确定环境下，灌区种植结构规划存在着系数、目标或约束条件不能被精确定义的问题，建立了一种含有模糊系数的模糊多目标规划灌溉决策模型，获得了不同节水灌溉方式下的种植结构优化方案；在此基础上提出了“兼顾经济生态用水，合理配置有限水量，以水定地适水种植，以田间节水为重点，以减少净耗水为核心，以提高水效益为根本，以水权改革做保证”的干旱区流域尺度水资源高效利用模式；开发了具有径流预测、灌区管理、水资源信息管理以及水资源决策等功能的基于GIS的流域水资源管理决策支持系统，将水资源形成转化与消耗的观测与试验数据、空间遥感数据与各种专业模型进行综合集成，不仅为水资源管理和灌区管理部门提供快速查询、辅助决策功能，也为石羊河流域水资源转化规律与农业节水调控模式的综合研究提供了共享的数据平台。

提出了大田作物、果树、温室蔬菜、膜下滴灌棉花等四类主要农作物的需水指标与灌溉控制阈值，为流域农业种植结构调整与节水农业建设提供了科学依据与控制指标。结合流域农业种植结构调整大力发展酿酒葡萄产业、日光温室蔬菜产业、膜下滴灌棉花产业等的实际需求，通过系统的田间试验研究，在研究小麦、玉米、酿酒葡萄、温室蔬菜、膜下滴灌棉花等主要作物水分生产函数的基础上，对其水分生产函数特性、作物产量、需水系数与耗水量之间的关系进行分析，得到了上述主要作物全生育期的适宜耗水区间（ET下～ET上）。以单方耗水净效益最大为优化准则，确定了不同作物全生育期的经济耗水量（ET经济），经济灌溉与丰水高产灌溉对比，其产量虽然稍有减少，但其减产幅度要小于耗水量的减小幅度，作物水分利用效率可提高20%～30%以上。

“发现甘肃石羊河流域种植结构变化经济作物比例增大后单位面积的净耗水显著下降。

发现红崖山水库来水2.5亿m3时民勤绿洲下游地下水水位将出现回升趋势。

发现过去50年人类活动对流域出山口径流变化的贡献率为12.1%～35.5%。”

构建了大田作物、果树、温室蔬菜、膜下滴灌棉花等四类主要农作物的节水优质高效灌溉综合技术体系，为流域节水农业建设提供了技术支撑。针对石羊河流域调整农业种植结构，发展酿酒葡萄、日光温室蔬菜、膜下滴灌棉花产业的技术需求，通过田间系统试验研究，建立了大田作物、果树、温室蔬菜、膜下滴灌棉花等作物综合利用作物生理补偿、生长冗余调控、控水调质和有限水最优分配等原理的节水优质高效灌溉综合技术体系，节水和品质改善效果显著；在建立特色经济作物水分—单一品质指标响应关系和构建综合品质指标评价方法的基础上，提出了基于特色经济作物水分—综合品质—产量—效益耦合关系的特色经济作物节水调质高效灌溉多目标决策方法与综合调控技术体系。针对石羊河流域霜期较早的特殊气候条件，提出了玉米、瓜类等作物前后期联合控水的节水优质高效灌溉综合技术体系，通过“合理推迟头水、适当提前末水、最优分配有限水”，结合“垄植覆盖、足墒播种、合理密植”，玉米节水20%，大田西瓜在当地灌水定额基础上，坐果—膨大期减少1/3灌水量，可显著提高其V-C含量和可溶性固形物含量，产量提高8%左右，水分利用效率提高12%～15%。提出的沟灌和滴灌条件下基于作物水分—综合品质—产量—效益耦合关系的酿酒葡萄节水调质高效灌溉技术体系，通过“前期促萌发、中期控营养生长，后期以水调质”，全生育期亩节水40～60 m3。针对石羊河流域主要日光温室蔬菜作物番茄与辣椒，以节水、丰产、优质、高效为调控目标，获得了番茄“苗少—花适—熟丰”与辣椒“苗少—花少—熟丰”的节水调质高效灌溉综合技术体系，在冬春季和越冬季番茄产量保持12 t/亩和19 t/亩不降低的情况下，分别节水102 m3/亩和128 m3/亩；日光温室辣椒滴灌和沟灌产量分别为7.5 t/亩和8.2 t/亩，分别减少灌水269 m3/亩和164 m3/亩。针对石羊河流域霜期较早的特殊气候以及下游苦咸水区特殊的水源条件，以提高霜前花比例和水分利用效率与效益为核心，提出了棉花节水调质高效灌溉综合技术体系，通过“缓现蕾水、保花铃水、免吐絮水”，配套采用“免冬储水、干播湿出、地膜覆盖、矮秆密植”，膜下滴灌棉花节水170 m3/亩，皮棉产量提高31.9%；隔沟交替灌溉覆膜棉花在基本保持产量不降低的条件下，其霜前花产量提高了35.5%，改善了皮棉品质。

“以单方耗水净效益最大为优化准则，确定了不同作物全生育期的经济耗水量（ET经济），经济灌溉与丰水高产灌溉对比，其产量虽然稍有减少，但其减产幅度要小于耗水量的减小幅度，作物水分利用效率可提高20%～30%以上。”

集成了适合流域上、中、下游采用的三种不同类型区域的农业高效节水综合技术集成模式，为流域节水农业建设提供了示范样板。根据石羊河流域水土资源特点和水资源管理的实际需要，在不同区域多种单项技术应用筛选的基础上，构建了“以提高有限降水效益为核心的流域上游集雨高效利用综合节水技术集成模式”“以降低单位面积灌溉定额为重点的流域中游渠灌高效节水综合技术集成模式”“以控制灌溉面积为重点的流域下游井灌高效节水综合技术集成模式”，在生产实际中发挥了重要的作用。

研发了三种流域水资源调控与农业高效用水的控制设备，为流域水资源调控与农业高效用水提供了设备保障。研制了控制地下水利用的IC智能取水计量系统和新型渠道量水装置，通过安装IC卡和建设渠道量水设施，建立了流域内地下水、地表水取水许可和开采计量的用水监控管理系统，提高了地下水开采计量的科学性和准确性，解决了以往地下水开采控制和收费难以及地表水难以量水到户的问题，实现了地表水和地下水取水许可和开采计量，为落实流域分水方案以及强化管理提供了技术保障；开发了一种适合干旱区的棵间土壤蒸发测定设备；研制了新型根系分区交替灌溉控制装置等实施小定额灌溉的控制与保障设备，为实现农业高效用水提供了设备保障。

实施与制定了三类流域农业高效用水保障工程建设与运行标准。结合流域重点治理，大规模建设了新型渠道输水工程、田间节水工程以及温室滴灌节水工程三类流域农业高效用水保障工程；考虑灌水技术、机耕条件、林带建设和道路通畅等因素，提出了综合设计田间工程田块尺寸的集成方法；研究总结出了适合日光温室不同作物栽培方式的滴灌工程毛管优化布置方式，制定了新型渠道输水工程、田间节水工程以及温室滴灌节水工程的建设与运行标准，并已作为地方标准颁布实施。

建立了三种石羊河流域水资源合理调控与高效利用的保障制度。建立了三种流域水资源合理调控与高效利用的保障制度，在通过“关井压田”压缩流域灌溉规模的基础上，基于水资源合理高效利用，提出了农业种植结构优化与调整模式；建立了能够实现“流域管理与行政管理相结合、行政管理服从流域管理”模式的水资源七级分配体系以及水权管理制度，促进了流域水权改革，保障了流域分配方案的顺利实施；完善了用水户参与式管理，通过组建农民用水者协会，使农民参与灌区水管理，可充分调动用水户参与节水型社会建设、加快灌区末端渠系配套设施建设的积极性，通过“总量控制、定额管理、以水定植、配水到户、超用加价、以水定电、以电控水”的管理制度改革，大幅度提高了水的利用效率，为实现流域水资源可持续利用提供了制度保障。

组织了农民培训与不同区域农业节水综合技术集成示范及推广应用，取得了显著的经济、社会与生态效益。探索了以政府主管部门推进为主导、以高校和地方科研与农业技术推广部门为依托、以节水试验示范网络为纽带、以流域不同类型综合节水技术集成模式示范点为核心示范区的“政府主管部门+中央高校科研基地+地方农业与水利技术推广中心+核心设备开发公司+先进节水灌溉技术示范点+科技示范农户”的技术体系开发与区域联合示范推广模式。

昔日水碧山清秀，奈何烈日风沙蚕。今夕我辈业立此，再还石羊河水湛。相信石羊河的明天更美好。