近50年来河套灌区作物虚拟水流动演变过程与可持续性研究

发布时间：2017-08-04 05:01

  本文关键词：近50年来河套灌区作物虚拟水流动演变过程与可持续性研究

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【摘要】：河套灌区位于内蒙古西部黄河冲积平原,是我国3个特大型灌区之一,也是北方重要的农业生产和农产品输出基地。随着社会经济发展,灌区水资源需求持续增加,自1999年国家对黄河实行统一调度管理后,灌区年引黄水量从50亿m3下降到40亿m3,灌区水资源短缺现象日益严峻。河套灌区作物生产用水占总用水量的90%以上,伴随农作物贸易,大量水资源以虚拟形式输送到灌区外部。分析区域虚拟水流动演变过程,并将虚拟水理论与方法应用于河套灌区水资源利用可持续性评价,可为灌区水资源科学管理以及水资源相关发展规划制定提供新的思路与理论基础。本研究以虚拟水理论为基础,结合灌区生产用水及农作物贸易特点,建立了灌区尺度作物虚拟水流动计算方法;在此基础之上,分析了1960-2010年河套灌区整体及2001-2010年灌区内部县域间作物虚拟水流动及其构成(蓝水和绿水)的时间演变过程及特征;探讨了作物虚拟水流动的主要影响因素;建立了基于虚拟水理论的灌区可持续性评价指标,评价了现有虚拟水流动模式下灌区水资源利用的可持续性,取得如下初步研究进展:(1)构建了灌区尺度作物虚拟水流动计算方法。立足虚拟水理论,分析了现有大尺度(全球、国家尺度)虚拟水流动计算方法应用于灌区尺度的局限性和不足之处,结合灌区水文气象、农业生产及社会经济数据的可获得性,依据灌区水文循环过程、水量平衡原理以及作物生产-消费-贸易体系,明晰了作物生产耗水及贸易情况,从作物虚拟水含量及作物调运量两个角度出发,建立了考虑灌溉水损失与基于盈亏理论的灌区尺度作物虚拟水流动计算方法。该方法真实反映了贸易作物中所嵌入的水资源数量,同时有效克服了现有灌区尺度贸易数据缺失,为灌区虚拟水量化提供了理论参考。(2)揭示了1960-2010年河套灌区整体及2001-2010年灌区县域间作物虚拟水流动演变过程及特征。利用所建立的灌区尺度作物虚拟水流动计算方法,量化了河套灌区10种(类)主要作物1960-2010年的虚拟水流动及其构成,以及2001-2010年灌区内部县域间作物调运引起的虚拟水流动,分别从流量、流向以及构成角度对流动趋势及其特征进行分析。结果表明:1960-2010年灌区作物虚拟水流出量呈波动上升趋势,2010年增加至32.75亿m3,为1960年数值的1.56倍。作物虚拟水流入量呈先增后减趋势,1979年达到其最大值(15.79亿m3),2010年减小为3.16亿m3;研究时段内,10种(类)作物虚拟水流动时间演变趋势差异显著,大致可分为先增后减、波动上升、波动下降和基本稳定四种类型。除水稻虚拟水流动以流入为主,大部分作物虚拟水流动以流出为主。虚拟水流动构成以蓝水为主,虚拟绿水流动的波动幅度大于虚拟蓝水流动。研究时段早期作物虚拟水流出总体上以粮食作物为主,后期以经济作物为主,而作物虚拟水流入在整个研究时段内均以粮食作物为主;灌区内部虚拟水流动主要由于小麦、杂粮、甜菜和蔬菜贸易引起,主要的虚拟水流出区与流入区为磴口县和乌拉特前旗,虚拟水构成以蓝水为主。(3)探索了河套灌区虚拟水流动的主要影响因素。利用Pearson相关分析,定性确定河套灌区虚拟水流动的主要影响因素(气象因素、农业生产因素及社会经济因素)。通过数理统计方法与回归分析,定量分析各因素对区域虚拟水流出量及流入量的影响。结果表明:虚拟水流出量的主要影响因素为作物单产、灌溉水利用系数、作物播种面积和年平均气温,各因素对虚拟水流出量变化的贡献率分别为84.22%,-14.68%,9.21%和4.35%;1960-1979年,虚拟水流入量的主要影响因素为人口数量和城镇化比例,其贡献率分别为84.39%和9.18%,1980-2010年,虚拟水流入量的主要影响因素为作物零售价格指数和人口数量,其贡献率分别为89.52%和-2.01%。(4)对现有虚拟水流动模式下河套灌区水资源利用的可持续性进行了分析与评价。基于虚拟水流动相关理论,建立了灌区水资源利用可持续性评价指标:虚拟水流动对区域水资源压力贡献率、虚拟水流动节水效率等,并以此为基础对灌区水资源利用可持续性进行评价。结果表明:虚拟水流出对区域水资源压力贡献率在1960-2010年间呈波动上升趋势,2010年高达73.26%,说明灌区约3/4的水资源都用于生产输出的水密集型作物,加剧了区域水资源压力,灌区水资源利用相对不可持续;作物虚拟水流入有助于缓解灌区现有水资源压力,但其对水资源压力的贡献率自八十年代开始呈波动下降趋势,2010年仅为7.10%,不足虚拟水流出对区域水资源压力贡献率的1/10;作物净虚拟蓝水流出占引黄水量比例自八十年代开始以每年0.67%的速率波动上升,至2010年高达53.90%,如此高比例的蓝水资源输出,挤占了灌区其他行业的蓝水使用,反映了灌区用水结构单一,现有水资源利用模式相对不可持续;灌区整体由于县域间作物贸易而产生了一定数量的水资源损失,其多年平均值为195.54万m3,水资源损失量占虚拟水流动量的比例在一些年份接近40%,表明现有水资源区域内部配置有待改善,水资源利用可持续性有待提高。本研究尝试建立了灌区尺度虚拟水流动计算方法,在此基础之上,以河套灌区为研究区域,分析了长时间序列虚拟水流动演变过程及特征,采用定性与定量分析方法探究了虚拟水流动的主要影响因素,建立了基于虚拟水理论的灌区可持续性评价指标,评价了现有虚拟水流动模式下,灌区水资源利用的可持续性。该研究可为改善灌区水资源管理,减缓区域水资源压力提供支持,并为其他灌区水资源政策制定提供参考。
【关键词】：虚拟水流动 演变过程 影响因素 可持续性评价 河套灌区
【学位授予单位】：西北农林科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S274
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 绪论15-28
• 1.1 研究背景、目的和意义15-16
• 1.2 国内外研究进展16-27
• 1.2.1 水资源管理16-20
• 1.2.2 虚拟水的提出与发展20-24
• 1.2.3 虚拟水的应用24-27
• 1.3 存在的问题与不足27-28
• 第二章 研究区概况与研究思路28-36
• 2.1 研究区概况28-33
• 2.1.1 自然地理概况28-30
• 2.1.2 社会经济概况30-31
• 2.1.3 水资源概况31-33
• 2.1.4 灌溉排水系统概况33
• 2.2 研究目标33
• 2.3 研究内容33-34
• 2.4 研究方法34-35
• 2.5 研究技术路线35-36
• 第三章 虚拟水理论基础与灌区尺度作物虚拟水流动计算方法36-45
• 3.1 虚拟水理论基础36-39
• 3.2 灌区尺度作物虚拟水流动计算方法39-43
• 3.3 数据来源及使用模型43-44
• 3.4 小结44-45
• 第四章 河套灌区作物虚拟水流动演变过程与特征分析45-79
• 4.1 灌区各作物虚拟水流动演变过程45-54
• 4.1.1 各作物虚拟水流动演变过程45-48
• 4.1.2 各作物虚拟蓝水流动演变过程48-51
• 4.1.3 各作物虚拟绿水流动演变过程51-54
• 4.2 灌区粮食作物与经济作物虚拟水流动演变过程54-58
• 4.2.1 粮食作物与经济作物虚拟水流动演变过程54-55
• 4.2.2 粮食作物与经济作物虚拟蓝水流动演变过程55-57
• 4.2.3 粮食作物与经济作物虚拟绿水流动演变过程57-58
• 4.3 灌区作物总体虚拟水流动演变过程58-61
• 4.3.1 作物总体虚拟水流动演变过程58-59
• 4.3.2 作物总体虚拟蓝水流动演变过程59-60
• 4.3.3 作物总体虚拟绿水流动演变过程60-61
• 4.4 灌区内部虚拟水流动61-73
• 4.4.1 各作物虚拟水流动61-67
• 4.4.2 粮食作物与经济作物虚拟水流动67-71
• 4.4.3 作物总体虚拟水流动71-73
• 4.5 灌区虚拟水流动演变特征73-77
• 4.6 小结77-79
• 第五章 河套灌区作物虚拟水流动影响因素分析79-87
• 5.1 虚拟水流动影响因素定性分析79-83
• 5.2 虚拟水流动影响因素定量分析83-85
• 5.2.1 分析方法83
• 5.2.2 分析结果83-85
• 5.3 虚拟水流动的主要调控措施探讨85-86
• 5.4 小结86-87
• 第六章 灌区水资源利用可持续性评价87-117
• 6.1 分析方法87-88
• 6.2 虚拟水流动对区域水资源压力贡献率88-95
• 6.2.1 各作物虚拟水流动对区域水资源压力贡献率88-92
• 6.2.2 粮食作物和经济作物虚拟水流动对区域水资源压力贡献率92-94
• 6.2.3 作物虚拟水流动对区域水资源压力贡献率94-95
• 6.3 净虚拟蓝水流出占黄河引水量的比例95-99
• 6.3.1 各作物净虚拟蓝水流出占黄河引水量的比例95-98
• 6.3.2 粮食作物和经济作物净虚拟蓝水流出占黄河引水量的比例98
• 6.3.3 作物净虚拟蓝水流出占黄河引水量的比例98-99
• 6.4 水资源节约量99-107
• 6.4.1 各作物虚拟水流动产生的水资源节约量99-103
• 6.4.2 粮食作物与经济作物虚拟水流动产生的水资源节约量103-105
• 6.4.3 作物总体虚拟水流动产生的水资源节约量105-107
• 6.5 虚拟水流动节水效率107-114
• 6.5.1 各作物虚拟水流动节水效率107-110
• 6.5.2 粮食作物与经济作物虚拟水流动节水效率110-112
• 6.5.3 作物虚拟水流动节水效率112-114
• 6.6 河套灌区水资源利用可持续性分析114-115
• 6.7 小结115-117
• 第七章 结论与展望117-121
• 7.1 主要结论117-119
• 7.2 主要创新点119
• 7.3 讨论与展望119-121
• 参考文献121-130
• 致谢130-132
• 作者简介132-133

【参考文献】

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本文编号：617797