回顾雷志栋老师的研究工作——一个学生的视角：II. 干旱区水文水资源研究

上一篇回顾了雷老师在土壤水领域的研究工作（http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=39095&do=blog&quickforward=1&id=865725），本篇关于干旱区水文水资源研究。

雷老师等在20世纪90年代初开始在位于极端干旱区的新疆塔里木盆地开展研究工作，主要集中在塔里木河几个主要源流区（叶尔羌河、阿克苏河、喀什噶尔河、渭干河）和干流区。研究内容从点尺度的蒸发、绿洲尺度的四水转化到流域尺度的水资源利用及生态保护，其中点尺度的内容也包含土壤水与非充分灌溉理论研究的内容。

1. 干旱区绿洲不同下垫面耗水特性

主要结合新疆叶尔羌河绿洲开展相关的研究工作。叶尔羌河绿洲灌溉面积超过600万亩（一说超过700万亩），是新疆最大、全国第四大灌区。开展的主要研究工作包括：

(1)水面蒸发研究。根据不同面积、不同水深、不同水质的水面蒸发试验观测结果，分析了面积、水深、水质对水面蒸发的影响，得到了大面积水体蒸发量（E0）与500px蒸发皿蒸发量（E500px）的关系：E0=0.62 E500px。

(2)潜水蒸发研究。对6种土质（砂砾石、粉砂、粉砂土、砂壤土、轻壤土和中壤土）、9个埋深下的潜水蒸发过程进行了长期监测，分析了潜水蒸发影响因素和潜水蒸发规律，拟合，提出了能更好反映潜水蒸发随埋深变化特点的反Logistic经验公式^[1]：E/E20= K/[1+bexp(-γH)]；根据土壤水动力学、空气动力学和能量平衡原理，建立了潜水—土壤—大气（GSAC）水热传输模型，对定水位埋深下、裸地地表蒸发和潜水蒸发进行了模拟和分析^[2]；建立了地下水浅埋条件下的地下水—土壤—植物—大气连续体（GSPAC）水热传输模型，模拟分析有作物条件下潜水蒸发，提出了利用裸地潜水蒸发估算作物生长条件下潜水蒸发的蒸发面下降折算法^[3]。

(3)主要作物非充分灌溉试验及作物耗水模型。开展冬小麦、夏玉米、春玉米、棉花等主要作物的非充分灌溉试验，分析得到了主要作物需水量和水分生产函数^[4]；考虑土壤中水热迁移，地表和作物冠层大气间水热交换，冠层中水热迁移、冠层大气和参考高度大气层之间水热交换的土壤—植物—大气连续体（SPAC）模型并成功地求解了模型，用叶尔羌河地下水均衡场内冬小麦耗水试验资料对模型进行了验证，将模型模拟结果应用于干旱区冬小麦耗水规律分析^[5]。

(4)林带耗水。根据试验观测，分析了农田间林带的排水作用^[6]，建立了林带—农田水分土壤水、地下水迁移模型。

(5)不同类型下垫面蒸发量估算。根据绿洲耗水计算结果，提出了估算不同类型下垫面蒸发量的蒸发系数法^[7]。

2. 干旱区绿洲水资源利用与四水转化模型

结合新疆叶尔羌河绿洲等地开展相关的研究工作，开展的主要研究工作包括：

(1)干旱区绿洲水资源可利用量。提出了考虑生态用水的干旱区绿洲水资源可利用量分析方法^[8]，强调水资源可利用量不包括水资源转化的重复量，在干旱区水资源开发利用中应注意协调社会经济用水与天然生态系统用水的关系。

(2)干旱区绿洲水均衡。建立了干旱区绿洲总体水均衡、地下水均衡、农区—非农区水均衡模型^[9]，其中土壤水为中心的农区—非农区水均衡模型针对平原绿洲土地利用的主要特点，将研究区概化为农区、非农区两个均衡单元，对各自的土壤水和地下水均衡，而且考虑了两者的地下水迁移或交换，对于分析干旱区社会经济用水、生态用水及干旱区排水排盐问题具有重要的价值。

(3)干旱区绿洲四水转化模型。在以上系列水均衡模型的基础上，建立了绿洲四水转化模型。该模型除了在新疆一些典型绿洲应用外，还应用于分析宁夏青铜峡灌区水土资源平衡^[10]。该模型后来进一步发展为干旱区平原绿洲散耗型水文模型^[11]，并应用于分析塔里木盆地主要绿洲耗水分析^[12]。

(4)干旱区绿洲蒸散发计算的遥感方法。利用遥感蒸散发模型计算了干旱区典型绿洲的耗水过程^[13-14]。遥感蒸散发模型及应用目前也是水文水资源研究所的主要研究方向之一，并取得了较大的进展。

(5)干旱区绿洲的内排水及旱排（排盐）。内陆干旱区水分最终通过蒸散发消耗于流域内部，而盐分也积累在流域内部。根据对叶尔羌河典型洼地的监测分析，探讨了洼地在容泄绿洲排水、排盐方面的旱排作用及排水、排盐能力^[15]。利用以土壤水为中心的农区一非农区水均衡模型分析了农区通过地下水向非农区的水、盐迁移量，进一步论证了绿洲的内排水及旱排作用。指出旱排在内陆干旱区是一重要的排水方式，在进行水资源合理配置时，应重视盐分的宏观运贮规划^[16]。

在叶尔羌河绿洲开展的研究成果集中反映在清华大学水利水电工程系、喀什地区叶尔羌河流域管理处、新疆水利厅外资项目办有关研究人员合作完成的《叶尔羌河平原绿洲四水转化关系研究报告》（1999年）中。这项研究在新疆     叶尔羌河灌区开展了系统的科学试验与研究工作，开创了大型灌区全面综合试验研究的先例，在灌区水盐监测方面取得了大量观测数据，再此基础上分析了绿洲耗水及四水转化规律，建立了不同下垫面耗水模型及绿洲四水转化模型，深化了对干旱区绿洲水资源利用相关问题的认识。本项研究成果2002年获得国家科学技术进步二等奖。

3. 塔里木河干流水资源利用与生态保护

塔里木河是中国最长的内陆河，流域内有国家重要的棉花、石油基地，在新疆发展战略中地位十分重要。但由于长期以来流域内自然资源（特别是水资源）的利用不合理，塔里木河下游断流、沙漠化扩大、生态环境恶化，严重影响了流域的可持续发展。

针对以上问题，开展了一系列的研究工作：

(1) 应用时间序列分析方法对塔里木河上游源流区的年来水量和干流各控制站的径流量动态变化趋势进行了分析^[17]，较之传统的分年段比较更为科学和合理，能用于科学的趋势的预测。

(2) 建立了具有独创性的源流区和干流区的耗水模型，该模型较好地反映了内陆干旱区以农业耗水为主的源流区和以生态耗水为主的干流区的耗水特点，能用于分析人类活动引起的耗水变化趋势^[17]。

(3) 建立了塔里木河干流水均衡模型（包括河道水均衡、水库水均衡、灌区水均衡）和干流水分转化模型，可用于干流的耗水及水分转化分析，是内陆干旱区水分转化研究的新进展。

(4) 建立塔里木河干流生态保护宏观决策支持系统，该系统以干流生态保护宏观规划为中心，应用多目标规划理论和方法，综合干流水均衡模型、生态模型和方案评价模型，功能满足宏观规划辅助决策的要求。

以上研究内容是由中国科学院新疆生态与地理研究所、清华大学水利水电工程系、新疆维吾尔自治区塔里木河流域管理局共同完成的“塔里木河流域整治及生态环境保护研究”课题的重要组成部分，该项成果集中反映在《中国塔里木河水资源与生态问题研究》^[18]，2002年获得国家科学技术进步二等奖。

参考文献

1. 尚松浩，毛晓敏，雷志栋，周凯，钟永刚，艾尼瓦尔．计算潜水蒸发系数的反Logistic公式．灌溉排水，1999，18(2): 18-21.

2. 毛晓敏，杨诗秀，雷志栋，何长德，周凯. 叶尔羌河流域裸地潜水蒸发的数值模拟研究. 水科学进展，1997，6(4): 14-21.

3. 毛晓敏，雷志栋，尚松浩，杨诗秀. 作物生长条件下潜水蒸发估算的蒸发面下降折算法. 灌溉排水，1999，18(2): 26-29.

4. 雷志栋，胡和平，杨诗秀，何长德，周凯，依比布拉，安尼瓦尔. 叶尔羌河灌区冬小麦灌溉试验与分析. 灌溉排水，1999，18(2): 30-33.

5. 毛晓敏，杨诗秀，雷志栋. 叶尔羌灌区冬小麦生育期SPAC水热传输的模拟研究. 水利学报，1998，29(7): 35-41.

6. 沈言俐，杨诗秀，段新杰，朱卫东，何长德，吐尔洪. 防护林带的排水及耗水作用初步分析. 灌溉排水，1999，18(2): 38-40.

7. 杨诗秀，雷志栋，沈言俐，瞿继龙，何长德，吐尔洪. 叶尔羌河平原绿洲土地类型及耗水的分析. 灌溉排水，1999，18(2): 43-46.

8. 雷志栋，尚松浩，杨诗秀，瞿继龙，衣比布拉，吐尔洪．叶尔羌河平原绿洲水资源可利用量的探讨．灌溉排水，1999，18(2): 10-13.

9. 雷志栋，胡和平，杨诗秀，沈言俐，瞿继龙，钟永刚，依明. 以土壤水为中心的农区—非农区水均衡模型. 灌溉排水，1999，18(2): 47-51.

10. 雷志栋，苏立宁，杨诗秀，哈岸英. 青铜峡灌区水土资源平衡分析的探讨. 水利学报，2002, (6): 9-14.

11. 胡和平，汤秋鸿，雷志栋，杨诗秀. 干旱区平原绿洲散耗型水文模型——Ⅰ模型结构. 水科学进展，2004，15(2): 140-145.

12. 雷志栋，胡和平，杨诗秀，田富强. 塔里木盆地绿洲耗水分析. 水利学报，2006，37(12): 1470-1475.

13. 刘志武，雷志栋，党安荣，杨诗秀. 遥感技术和SEBAL模型在干旱区腾发量估算中的应用. 清华大学学报（自然科学版），2004, 44(3): 421-424.

14. 杨红娟，刘志武，雷志栋，丛振涛. 一种简易遥感腾发模型在干旱区平原绿洲的应用. 水利学报，2008, 39(4): 483-489.

15. 雷志栋，尚松浩，杨诗秀，瞿继龙，何长德，朱卫东. 新疆叶尔羌河平原绿洲洼地旱排作用的初步分析. 灌溉排水，1998，18(3): 3-6.

16. 杨诗秀，雷志栋，沈言俐，瞿继龙，买买提明，钟永刚. 叶尔羌平原绿洲盐均衡及旱排的初步分析. 灌溉排水，1999，18(2): 52-56.

17. LeiZD, Zhen BL, Shang SH, Yang SX, Cong ZT, Zhang FW, Mao XH, Zhou HY．Formation and utilization ofwater resources of Tarim River．Science in China(Series E)，2001，44(6): 615-624.

18. 宋郁东，樊自立，雷志栋，张发旺. 中国塔里木河水资源与生态问题研究. 乌鲁木齐：新疆人民出版社，2000.