1、1海河流域水系统演变关键机制与区域水资源供需分析 一、项目简介海河流域含京津冀，是我国水资源短缺和用水矛盾最突出的地区。本成果围绕海河平原水资源供需的三大关键分项：山区径流变化、浅层地下水补给、农田用水与区域水量平衡开展研究，揭示了山区来水演变的关键驱动机制，实证了浅层地下水下降后土壤厚不饱和层的水分亏缺状态，对南水北调实施后海河平原水资源的供需平衡进行了科学分析，指出了未来水系统演变的可能方向。重要发现如下： 1、将统计检验和物理模型等手段结合，实现对水文突变背后的关键驱动因素的推断，拓展了辨析水文演变关键驱动因素的研究思路。海河流域径流减少的现象已被现有研究广泛证实，但驱动这一现象的关键机
2、制仍不明确，特别是对于众多人类活动在水系统演变中所起的作用还缺乏有力的科学证据。研究选取流域内控制北京、石家庄等城市来水的八个关键子流域，利用Sequential Mann -Kendall统计方法，发现径流发生突变的关键时期为1978-1985年，进而提出利用突变期内最可能的影响因素来推测影响径流的关键因素的研究思路。根据该思路，得出70年代末农业大发展带来的用水增加是山区来水减少的关键因素。在此推测的基础上，通过分布式水文模型发现在滹沱河流域气2候变化仅造成24% 的径流减少，人类活动是主因；进而，通过对比农业活动最剧烈的大寨所在流域和相邻流域，证实了农业用水在影响山区径流减少中的核心作用
3、。研究思路的可靠性得到验证，农业用水是海河流域山区来水减少的关键驱动因素这一发现被确立，为海河流域上游来水的调控与管理指明了方向。 2、揭示了山前平原区地下水大埋深条件下农田对地下水的补给机制，实证了土壤厚不饱合层的水分亏缺状态。通过钻取 20米深的土壤剖面，对深层土壤剖面土壤颗粒及土壤含水量的分析发现，农田节水使表层0-3.5米土层水分亏缺增加，减少了灌溉和降水对地下水的补给，但3.5米以下土层仍保持田间持水量状态，可保证地表充沛降水和灌溉水等特殊条件下地表水对地下水的补给，回答了华北大埋深条件下地表能否有效补给地下水的科学问题。此外，太行山山前平原区降水对地下水的补给机制被重新定义，根据三
4、个剖面分析，由于节水造成土壤水亏缺，只有一次降雨或者数次连续降雨超过170mm时降雨才可能入渗补给地下水。该成果在第36届国际水文地质大会做特约报告，被国际著名地下水专家加拿大的Jozsef Toth教授肯定，获Best Lecture Award。 3 、利用多种研究手段量化了海河平原农业用水的时空分布和区域水量平衡，突破了我国农业用水单纯依靠统计数据的局限。基于改进的三大作物模型和遥感手段，估算了不同时空尺度海河平原的农业用水量和灌溉需水量，拓展了评估农业耗3水的方法体系；通过多模型耦合实现地表-地下水联合模拟，评估了区域水量供需平衡，确立了山前平原区南水北调实施后水量基本平衡、低平原区仍
5、然亏缺的未来水资源态势。该研究的系统性得到加州大学Journal of Vadose Zone副主编Thomas Harter 教授的高度肯定。二、主要完成人及其贡献1、杨永辉（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），排名第 1，研究员，副主任。是科学发现 1、2、3 项核心思想的提出者，设计了项目的整体研究思路。主要贡献为：完成了有关山区来水的研究工作，参与了土壤剖面特性和土壤水分亏缺状态等的数据分析和研究，对农业用水的评估方法利用DSSAT 模型进行了前期研究，并在后期指导了棉花模型以及地下水模型的整合和模拟。投入到该研究的工作量占本人工作量的 90%。是所有 8 篇代表性论文
6、的通讯作者，同时是第 1、2、6项代表性论文的第一作者。2、杨艳敏（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），排名第 2，副研究员。是科学发现 3 的主要贡献者，主要贡献为：完成 COTTON2K 作物模型的中国区域的矫正，增加整枝和打顶的功能；以三大作物模型为基础，结合蒸发皿系数等传统农作物耗水计算方法，分析了河北平原区各种作物、不同年份、不同区域的耗水量。同时用遥感的手段分析了海河流域灌溉需水量的时空分布，并分析了其时空分布差异的驱动原4因。投入到该研究的工作量占本人工作量的 90%。是第 4 篇代表性论文第一作者。3、韩淑敏（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），
7、排名第 3，副研究员。是科学发现第 2 项的主要贡献者，用土壤深层取样的方法对 20 米深的土壤剖面进行分析，验证了降雨对地下水的补给可能由于山前平原包气带加厚而减少的假设。提出在太行山前平原区，只有一次降雨或者几次连续降雨超过 170 mm 时才存在降雨入渗补给地下水的条件。投入到本项目的工作量占总工作量的 80%。是代表性论文第 5 项的第一作者。4、胡玉昆（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），排名第 4，助理研究员。是科学发现第 3 项的主要贡献者，利用多模型综合模拟的方法量化地下水位停止下降的具体农业节水目标。耦合了地下水模型、作物模型和地表径流模型，以 MODFLOW
8、 为中心，作物用水和地表径流都作为该模型的输入项和边界设置条件来解决三者之间的互相作用。指出在山前平原区，农田耗水在目前基础上减少 5.6 亿 m3 可以停止地下水位的下降。投入到本项目的工作量是总工作量的 70%。是代表性论文第 3 项的第一作者。5、郝小华（中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心），排名第 5，副研究员。主要负责对项目所用数据的收集、管理，和室内、野外实验的测定。是科学发现第 3 项的主要5贡献者之一，主要贡献为：对 DSSAT 模型的前期矫正和应用做出贡献；参与了海河流域农业用水的时空分布的研究工作。投入到本项目的工作量是总工作量的 80%，是代表性论文第 6
9、项的合作作者。三、代表性论文专著目录序号论文专著名称/刊名/作者影响因子年卷页码(xx 年 xx卷-xx 页)发表时间年 月 日通讯作者第一作者国内作者SCI 他引次数他引总次数是否国内完成1Abrupt change of runoff and its major driving factors in Haihe River Catchment, China/ Journal of Hydrology /Yonghui Yang, Fei Tian2.964 2009 年374 卷373-383 页2009-08-15 杨永辉杨永辉杨永辉，田菲32 34 是62Optimizing irri
10、gation management for wheat to reduce groundwater depletion in the piedmont region of the Taihang Mountains in the North China Plain/ Agricultral Water Management/Yonghui Yang, Masataka Watanabe, Xiying Zhang, Jiqun Zhang, Qinxue Wang, Seiji Hayshi2.203 2006 年 82卷 25-44页2006-04-10 杨永辉杨永辉杨永辉，张喜英，张继群2
11、0 23 是3Agricultural water-saving and sustainable groundwater management in Shijiazhuang Irrigation District, North China Plain/ Journal of Hydrology/ Yukun Hu, Juana Paul Moiwo, 2.964 2010 年393 卷219-232 页2010-11-08 杨永辉胡玉昆胡玉昆，杨永辉，韩淑敏，杨艳敏6 6 是7Yonghui Yang, Shumin Han, Yanmin Yang4Estimation of irriga
12、tion requirement for sustainable water resources reallocation in North China/ Agricultural Water Management/ Yanmin Yang, Yonghui Yang, Juana Paul Moiwo, Yukun Hu2.203 2010 年 97卷 1711-1721 页2010-11-01 杨永辉杨艳敏杨艳敏，杨永辉，胡玉昆8 11 是5Seasonal groundwater storage anomaly and vadose zone soil moisture as indic
13、ators of precipitation recharge in the piedmont region of Taihang Mountain, North China Plain/ Hydrology Research/ Shumin Han, Yonghui Yang, Yuping Lei, 1.156 2008 年 39卷 479-4952008-12-01 杨永辉韩淑敏韩淑敏，杨永辉，雷玉平3 3 是8Changyuan Tang6Estimation of groundwater use by crop production simulated by DSSAT-wheat
14、and DSSAT-maize models in the piedmont region of the North China Plain/Hydrological Processes /Yonghui Yang, Masataka Watanabe, Xiying Zhang, Xiaohua Hao, Jiqun Zhang 2.497 2006 年 20卷 27872802 页2006-8-30 杨永辉杨永辉杨永辉，张喜英，郝小华，张继群7 7 是7Using runoff slope-break to determine dominate factors of runoff decl
15、ine in Hutuo River Basin, North China/Water Science and Technology/Fei Tian, Yonghui Yang, Shumin Han1.102 2009 年 60卷 2135-21442009-08-01 杨永辉田菲田菲，杨永辉，韩淑敏6 6 是8Quantifying the magnitude of the 1.102 2010 年 62卷 783-7912010-04-01 杨永樊静樊静，田菲，6 6 是9impact of climate change and human activity on runoff decline in Mian River Basin, China/Water Science and Technology/Jing Fan, Fei Tian, Yonghui Yang, Shumin Han and Guoyu Qiu页 辉 杨永辉，韩淑敏，邱国玉合 计 88 96
