黃 強(qiáng)，孟二浩

(西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048)

我國(guó)西北干旱區(qū)位于東經(jīng)73°～106°和北緯35°～50°，包括新疆全境、寧夏回族自治區(qū)和內(nèi)蒙古自治區(qū)的絕大部分，甘肅河西走廊、青海柴達(dá)木盆地，以及山西、河北和陜西等省的部分地區(qū)[1]。

西北旱區(qū)大部分地區(qū)平均降水量在400 mm以下，自東向西由400 mm以下一直減少到50 mm以下。蒸發(fā)量高達(dá)1 000 mm～2 800 mm，降水少而蒸發(fā)大，使得西北地區(qū)具有水資源稀缺的特點(diǎn)。西北干旱區(qū)的水資源量為1 303億m3，約占全國(guó)總量的5.7%，土地面積約為全國(guó)總面積的35.9%，每平方公里水資源僅為7.36萬(wàn)m3，約為全國(guó)平均水平的1/5。

西北旱區(qū)水文水資源特點(diǎn)主要有水資源時(shí)空分布極其不均，年際、年內(nèi)變化大，7月—9月徑流量占年徑流量的70%以上，且豐、枯水年水量相差懸殊，通常兩者比值達(dá)5倍～10倍，個(gè)別水文站的比值高達(dá)幾十倍[2]。旱區(qū)水文水資源系統(tǒng)特征主要表現(xiàn)在：

(1) 水系、降雨特征。絕大多數(shù)水系發(fā)源于高山地區(qū)，然后向盆地匯集，形成“向心式”水系。內(nèi)陸干旱區(qū)地處歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，氣候干燥，蒸發(fā)強(qiáng)烈，造成水資源極度匱乏；山區(qū)降雨多、平原區(qū)降水稀少，使得水資源分布極不均勻，給水資源開(kāi)發(fā)利用帶來(lái)困難。因此，在揭示水文水資源基本規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)行水文預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)，利用水利工程合理調(diào)配水資源是一項(xiàng)宏觀戰(zhàn)略。

(2) 水循環(huán)特征。山區(qū)是產(chǎn)流區(qū)，98%的水資源形成于山區(qū)降水；平原區(qū)產(chǎn)流較少，年平均降水量在150 mm以下，是水資源主要擴(kuò)散與消耗區(qū)，地下水80%來(lái)自地表水轉(zhuǎn)化補(bǔ)給。因此，研究三水轉(zhuǎn)化規(guī)律是首要任務(wù)。

(3) 農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)特征。農(nóng)業(yè)以灌溉為主、耗水量大，形成了獨(dú)特的“灌溉農(nóng)業(yè)，荒漠綠洲”模式。因此，水利不僅是農(nóng)業(yè)也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的命脈，研究水資源高效利用已成為熱點(diǎn)。

(4) 生態(tài)系統(tǒng)特征。由于水資源短缺，所以大部分地區(qū)生態(tài)環(huán)境十分脆弱。干旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)呈現(xiàn)干濕交替帶、農(nóng)牧交錯(cuò)帶、森林邊緣帶，以及沙漠邊緣帶等多種形式的生態(tài)環(huán)境脆弱帶，生態(tài)系統(tǒng)極度脆弱性，使其對(duì)水土資源開(kāi)發(fā)響應(yīng)強(qiáng)烈。因此，在變化環(huán)境下，識(shí)別旱區(qū)內(nèi)陸河流域生態(tài)水文過(guò)程變化，考慮生態(tài)的水資源合理配置是研究的難點(diǎn)問(wèn)題。

西北干旱區(qū)水文及水資源系統(tǒng)存在的問(wèn)題主要有：水資源匱乏且時(shí)空分布嚴(yán)重失衡、水資源利用效率低、節(jié)水意識(shí)和措施不到位、生態(tài)環(huán)境惡化、人工綠洲與天然綠洲結(jié)構(gòu)嚴(yán)重失調(diào)，跨界河流水資源開(kāi)發(fā)利用失控，干旱和洪水并存的水安全問(wèn)題突出等。

同時(shí)，西北干旱區(qū)是對(duì)全球氣候變化響應(yīng)最敏感的地區(qū)之一[3]。多種模型模擬結(jié)果顯示，如果CO2的排放量以每年1%的速度遞增，中亞干旱區(qū)平均溫度的上升將超過(guò)全球平均上升水平的40%[4]。在全球變暖的大背景下，西北干旱區(qū)以冰雪融水為基礎(chǔ)的水資源系統(tǒng)變得更加脆弱。隨著人口壓力的不斷增加和不合理的水資源開(kāi)發(fā)活動(dòng)的不斷擴(kuò)大，西北干旱區(qū)綠洲經(jīng)濟(jì)與荒漠生態(tài)兩大系統(tǒng)的水資源供需矛盾也將更加尖銳[5]。

綜上所述，研究干旱區(qū)的水文水資源問(wèn)題和關(guān)鍵技術(shù)是十分迫切，也是十分必要的，對(duì)支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)具有重要意義。

1 水文科技進(jìn)展

變化環(huán)境下，大氣和陸面水循環(huán)發(fā)生了明顯變化，西北干旱區(qū)的降水趨勢(shì)也發(fā)生了變化，極端降水事件出現(xiàn)的概率增大，洪水的風(fēng)險(xiǎn)增加，干旱的發(fā)生幾率也在增加。同時(shí)，氣候變化也導(dǎo)致了水文系統(tǒng)出現(xiàn)變異現(xiàn)象，水文一致性假設(shè)不復(fù)存在。因此，亟待研究變化環(huán)境下水文基礎(chǔ)學(xué)科問(wèn)題。在中國(guó)科學(xué)院及中國(guó)自然科學(xué)基金的支持下，已經(jīng)開(kāi)展了“黑河重大計(jì)劃”、“變化環(huán)境下工程水文計(jì)算的理論與方法”、“中國(guó)氣候與海面變化及其趨勢(shì)和影響研究”重大項(xiàng)目等，并取得了豐富的研究成果[6]。

水循環(huán)系統(tǒng)是氣候系統(tǒng)的重要組成部分，氣候變化必然引起水資源的時(shí)空變化，尤其是西北干旱地區(qū)流域，徑流對(duì)氣候的微小變化和波動(dòng)非常敏感。中國(guó)西北干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱，穩(wěn)定性不高，容易受到各種自然因素和人為因素的影響，對(duì)全球變化極為敏感。在區(qū)域氣候暖濕化背景下，西北旱區(qū)以山區(qū)降水和冰雪融水補(bǔ)給為主的水資源系統(tǒng)更為脆弱。氣溫升高加速了山區(qū)冰川消融和退縮，改變了水資源的構(gòu)成，加劇了水資源的波動(dòng)性和不確定性。在氣候變化的作用下，西北干旱區(qū)獨(dú)特的水文過(guò)程也發(fā)生了明顯變化。研究表明，1961年以來(lái)西北干旱區(qū)呈現(xiàn)明顯暖濕化趨勢(shì)，其中冬季增溫最快，夏季降水增加速率最大。如新疆的伊犁河谷、塔城等地區(qū)增溫趨勢(shì)最大，北疆降水量增加最多。受氣候變暖導(dǎo)致冰雪快速消融和山區(qū)降水增加的影響，西北干旱區(qū)西部的黑河、疏勒河、塔里木河出山口徑流量顯著增加；而東部的石羊河和渭河徑流的補(bǔ)給主要靠降水，降水的減少導(dǎo)致徑流呈現(xiàn)下降趨勢(shì)[7]。

IPCC第五次氣候變化評(píng)估報(bào)告指出：過(guò)去半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，全球幾乎所有地區(qū)都經(jīng)歷了升溫過(guò)程[8]，變暖最快的區(qū)域?yàn)楸卑肭蛑芯暥鹊貐^(qū)包括中國(guó)西北干旱區(qū)[9]。西北干旱區(qū)徑流主要來(lái)源于山區(qū)降水和冰雪融水，河川徑流對(duì)冰川(積雪)的依賴性較強(qiáng)，氣溫升高加速了冰川融化使冰川水資源變得復(fù)雜，冰雪水文模型能夠更好的研究變化環(huán)境下冰雪徑流的變化情況。Murray等[10]在1995年提出了一個(gè)低階的非線性差分方程來(lái)描述冰川下部匯流過(guò)程，隨后，Corn等用人工智能方法(遺產(chǎn)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊數(shù)學(xué)等)改進(jìn)了Murray和Clarke提出的模型算法。Corne等[11]將一種類似電路分析的概念性集總模型應(yīng)用到冰川融化匯流計(jì)算中。Arnold等[12]把美國(guó)環(huán)保局開(kāi)發(fā)的雨洪管理模型SWMM(storm water management model)中的管網(wǎng)匯流子系統(tǒng)引入分布式冰川模型中。Luo等[13]提出了模擬冰川面積變化的動(dòng)態(tài)HRU (Hydrological Response Unit) 概念，并利用HRU模擬了冰川面積漸變的過(guò)程和冰川物質(zhì)積累、消融和蒸發(fā)的過(guò)程。同時(shí)，Luo等[14]提出了“雙庫(kù)”基流算法，模擬雪冰補(bǔ)給河流豐水期快速消退，枯水期保持長(zhǎng)時(shí)間相對(duì)穩(wěn)定的徑流過(guò)程形態(tài)，模擬效果顯著提高，實(shí)現(xiàn)了西北干旱區(qū)內(nèi)陸河流域包含雨、雪、冰三個(gè)元素的產(chǎn)流過(guò)程的分布模擬。中國(guó)冰雪水文模型發(fā)展較晚，較國(guó)外的理論和模型都有所欠缺，目前還沒(méi)有開(kāi)發(fā)出被國(guó)際認(rèn)可的冰雪水文模型，冰川產(chǎn)流模塊研究成為西北干旱區(qū)水文模型中不可或缺的一部分[5]。我國(guó)西北旱區(qū)冰雪模型開(kāi)發(fā)重點(diǎn)一方面應(yīng)集中在冰川和降雪數(shù)據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和積累；另一方面應(yīng)結(jié)合遙感技術(shù)和GIS手段進(jìn)行尺度轉(zhuǎn)換，加強(qiáng)冰川內(nèi)部水熱耦合理論研究和水分遷移理論研究，構(gòu)建適合西北干旱區(qū)的分布式冰雪水文模型。

旱災(zāi)是制約中國(guó)西北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)文明建設(shè)的重要自然災(zāi)害，而且隨著氣候變暖西北地區(qū)極端干旱事件發(fā)生頻率和強(qiáng)度均呈增加趨勢(shì)，影響不斷加重[15]。隨著西北地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的不斷推進(jìn)，該地區(qū)對(duì)干旱預(yù)警能力的依賴性日益增加，提高西北旱區(qū)干旱預(yù)測(cè)能力以有效應(yīng)對(duì)干旱危害，已經(jīng)成為變化環(huán)境下西北旱區(qū)亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題。干旱預(yù)測(cè)研究的基礎(chǔ)是干旱指數(shù)，在干旱指數(shù)研究方面，通常利用氣象、徑流和土壤濕度等資料，或用衛(wèi)星遙感資料來(lái)建立不同的干旱指數(shù)。據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計(jì)，常用的干旱指數(shù)多達(dá)55種，如降水距平百分率、Palmer干旱指數(shù)(Palmer Drought Severity Index，PDSI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水指數(shù)( Standardized Precipitation Index，SPI)、標(biāo)準(zhǔn)化降水蒸散指數(shù)(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index， SPEI)、相對(duì)濕潤(rùn)度指數(shù)、綜合氣象干旱指數(shù)( Compound Index，CI)等。Mo等[16]利用多模型集成的方法對(duì)全球SPI進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。Madadgar等[17]構(gòu)建了一種統(tǒng)計(jì)——?jiǎng)恿旌夏Ｐ蛯?duì)美國(guó)西南的氣象干旱進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。楊肖麗等[18]利用統(tǒng)計(jì)降尺度和SPI對(duì)黃河流域氣象干旱進(jìn)行了預(yù)測(cè)研究。西北旱區(qū)干旱預(yù)測(cè)研究起步較晚，但干旱相關(guān)理論的研究已經(jīng)比較完備，為干旱預(yù)測(cè)研究提供了有力的理論支撐。西北旱區(qū)干旱預(yù)測(cè)研究的重點(diǎn)一方面應(yīng)繼續(xù)研究西北旱區(qū)干旱特征，構(gòu)建精準(zhǔn)的干旱指標(biāo)；另一方面應(yīng)借鑒徑流預(yù)測(cè)相關(guān)理論，構(gòu)建適合西北旱區(qū)的干旱預(yù)測(cè)模型。

洪水災(zāi)害是一種不容忽視的自然災(zāi)害。變化環(huán)境下，西北干旱區(qū)極端降水事件出現(xiàn)的概率增大，洪水的風(fēng)險(xiǎn)增加，提高西北旱區(qū)洪水預(yù)報(bào)能力能夠有效減少因洪災(zāi)引起的經(jīng)濟(jì)損失。洪水預(yù)報(bào)的理論基礎(chǔ)是洪水演算和匯流理論。初期的洪水預(yù)報(bào)以“經(jīng)驗(yàn)相關(guān)線”為典型代表，此方法簡(jiǎn)單實(shí)用，但預(yù)報(bào)精度不穩(wěn)定，預(yù)報(bào)精度因人而異[19]。隨著對(duì)水文過(guò)程認(rèn)識(shí)的加深，開(kāi)發(fā)了基于水文概念的物理模型，如中國(guó)的“新安江模型”、美國(guó)的“斯坦福模型”及“薩克拉門(mén)托模型”等[20-21]。此類模型參數(shù)較多，對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性較強(qiáng)，精度不能滿足實(shí)際精度要求，因此在實(shí)踐中很難進(jìn)行推廣[22]。20世紀(jì)80年代初，日本提出了一種純數(shù)學(xué)模型——“坦克模型”，它通過(guò)多個(gè)線性水箱的串、并聯(lián)來(lái)模擬徑流的運(yùn)動(dòng)，但此模型仍屬于線性模型且在功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面比較欠缺，難以準(zhǔn)確、全面地模擬復(fù)雜的降雨徑流形成過(guò)程，如對(duì)季節(jié)性氣候變化強(qiáng)的流域以及人類活動(dòng)干擾明顯的流域的洪水預(yù)報(bào)就存在一定的問(wèn)題[23]。隨后具有物理意義的分布式水文模型被提出并得到了發(fā)展。丹麥、法國(guó)和英國(guó)的水文學(xué)者們聯(lián)合開(kāi)發(fā)并改進(jìn)了SHE模型，開(kāi)啟了分布式水文模型研究的先河[24]。然后，SWAT模型、THALES模型、HEC模型，VIC模型等大批分布式水文模型相繼被開(kāi)發(fā)出來(lái)，為洪水預(yù)報(bào)提供了新的研究空間。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，人工智能算法也為洪水預(yù)報(bào)提供了新的空間，BP、SVM、ARMA等也被廣泛應(yīng)用到西北旱區(qū)的洪水預(yù)報(bào)[25]。變化環(huán)境下，西北旱區(qū)洪水預(yù)報(bào)研究重點(diǎn)一方面應(yīng)嘗試將水文模型與氣象模型耦合，利用雷達(dá)觀測(cè)降雨分布，對(duì)未來(lái)段時(shí)間的降雨進(jìn)行預(yù)報(bào)，結(jié)合降雨預(yù)報(bào)利用水文模型進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)；另一方面應(yīng)嘗試先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行洪水預(yù)報(bào)。同時(shí)，洪水調(diào)度、洪水資源化、水庫(kù)的旱限水位等已成為研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。

生態(tài)水文過(guò)程是指水文過(guò)程與生物動(dòng)力過(guò)程之間的功能關(guān)系[26]，它是揭示生態(tài)格局和生態(tài)過(guò)程變化水文機(jī)理的關(guān)鍵[27]。不同于傳統(tǒng)水文學(xué)，生態(tài)水文過(guò)程研究更重視不同生態(tài)系統(tǒng)及其變化與水文過(guò)程間相互關(guān)系的探討。生態(tài)水文過(guò)程主要包括生態(tài)水文物理過(guò)程、化學(xué)過(guò)程及其生態(tài)效應(yīng)。生態(tài)水文物理過(guò)程主要是指植被覆蓋和土地利用對(duì)降雨、流域產(chǎn)匯流、蒸發(fā)、徑流等水文要素的影響；生態(tài)水文化學(xué)過(guò)程主要指水質(zhì)及水污染研究，生態(tài)效應(yīng)研究主要包括植被生長(zhǎng)和分布受水文要素的影響研究。西北干旱區(qū)具有明顯的特點(diǎn)，高山冰川、森林草原、平原綠洲和戈壁荒漠構(gòu)成了一個(gè)干旱區(qū)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)，生態(tài)系統(tǒng)要素之間相互依存，相互制約，水資源是維持該符合生態(tài)系統(tǒng)的紐帶。此外，在旱區(qū)人類活動(dòng)引起的荒漠化和綠洲化同時(shí)發(fā)生。因此，西北旱區(qū)生態(tài)水文過(guò)程具有特殊復(fù)雜性[28]。干旱區(qū)生態(tài)水文過(guò)程已初步開(kāi)展研究，在水文方面已經(jīng)基本掌握了內(nèi)陸河流域黑河和塔里木河的生態(tài)水文循環(huán)過(guò)程的時(shí)空分布和變化規(guī)律[29]，在干旱區(qū)植物水分生理方面對(duì)主要植物的耐旱性和林地的土壤水分已有較為清楚的認(rèn)識(shí)[30]。西北旱區(qū)生態(tài)水文過(guò)程的研究，應(yīng)加強(qiáng)干旱區(qū)天然植被格局及其生態(tài)水文學(xué)機(jī)制、具有水力提升功能的植物識(shí)別、確定植物吸收的水分來(lái)源、計(jì)算不同尺度的生態(tài)需水量，以及主要植被類型的生態(tài)地下水位等方面的研究[31]。

西北旱區(qū)國(guó)際河流眾多，它們幾乎都位于新疆。北疆擁有中國(guó)唯一屬于北冰洋水系的額爾齊斯河，它與哈薩克斯坦及俄羅斯相連；烏倫古河上游部分河水來(lái)自蒙古；額敏河水流入哈薩克斯坦的阿拉湖；發(fā)源于新疆的伊犁河流入哈薩克斯坦的巴爾哈什湖；其支流霍爾果斯河為界河。南疆也有很多國(guó)際河流，其中阿克蘇河上游支流昆馬力克河與托什干河的上游部分徑流來(lái)自吉爾吉斯斯坦；克孜河上游部分水量也來(lái)自吉爾吉斯斯坦；帕米爾阿克蘇河流入吉爾吉斯斯坦。雖然西北旱區(qū)擁有較多的國(guó)際河流，但主要的國(guó)際河流只有額爾齊斯河、伊犁河和阿克蘇河。這三條國(guó)際河流的徑流補(bǔ)給來(lái)源呈多樣化，除了雨水、地下水補(bǔ)給，還包括高山冰雪融水和季節(jié)積雪融水。國(guó)際河流開(kāi)發(fā)應(yīng)堅(jiān)持可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，對(duì)三個(gè)流域的水資源要保護(hù)和利用同時(shí)進(jìn)行，以保證水資源的永續(xù)利用和發(fā)展[32]。

水、能源和糧食均是人類生存發(fā)展必不可少的資源，三者相互依存，聯(lián)系緊密[33]。在人口增長(zhǎng)、環(huán)境惡化、資源短缺、氣候變化影響加劇的背景下，西北干旱地區(qū)水-能源-糧食之間的相互關(guān)系顯得日益重要，如何保障水安全、能源安全和糧食安全是復(fù)雜的系統(tǒng)性問(wèn)題[34]。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外在水-能源-糧食協(xié)同優(yōu)化領(lǐng)域的研究尚處于起步階段，主要成果包括：揭示了能源和糧食生產(chǎn)與水資源消耗之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與反饋機(jī)制[35-39]，構(gòu)建了水-能源-糧食的分析框架[40-42]，探索了互動(dòng)關(guān)系模擬分析方法，提出了應(yīng)對(duì)水-能源-糧食系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的措施[43-45]，并從作物品種改良[46]、用水效率改進(jìn)[47-49]、水權(quán)交易[50]、水足跡和虛擬水貿(mào)易[51-53]等方面探討了解決問(wèn)題的途徑。然而，水-能源-糧食之間存在復(fù)雜的相互作用和紐帶關(guān)系，以往研究大多側(cè)重于水-能源、水-糧食兩兩之間關(guān)系的改善，而忽視了水-能源-糧食之間的互饋關(guān)聯(lián)作用，對(duì)三者之間紐帶關(guān)系的定量揭示和整體優(yōu)化研究較少，尤其是針對(duì)一路一帶的水-能源、水-糧食問(wèn)題，水文系統(tǒng)演化規(guī)律和水安全保障等涉足較少；同時(shí)，在系統(tǒng)優(yōu)化方法和協(xié)同建模技術(shù)等方面研究不足[54]。

總的來(lái)說(shuō)，西北旱區(qū)水文科技研究已取得長(zhǎng)足進(jìn)展。但是，由于水文資料短缺、監(jiān)測(cè)手段相對(duì)落后、高科技應(yīng)用不足等，還有許多基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題沒(méi)有得到解決，水文科技的含量及貢獻(xiàn)也有待提高。

2 水資源科技進(jìn)展

由于氣候變化和人類活動(dòng)的影響，西北整個(gè)地區(qū)呈現(xiàn)干旱化的趨勢(shì)。研究表明20世紀(jì)以來(lái)，全球氣候變暖，中國(guó)西北地區(qū)變暖顯著，尤其是冬季升溫明顯。導(dǎo)致以冰川融水補(bǔ)給為主的河流將經(jīng)歷初期流量增加，后期大幅度減少的過(guò)程。西北干旱區(qū)水資源在空間上和時(shí)間上分布不均，在空間上水資源呈現(xiàn)出北多南少，西多東少的分布規(guī)律；在時(shí)間上，夏季降水占全年降水的80%左右。所以，西北旱區(qū)可用水量極為短缺，尤其是西北經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，缺水的矛盾日益尖銳。因此，開(kāi)源節(jié)流、發(fā)展節(jié)水技術(shù)和跨流域調(diào)水是緩解水資源短缺的重要手段。同時(shí)，水資源合理配置和科學(xué)調(diào)控可以使水資源發(fā)揮最大綜合利用效益。

西北大部分地區(qū)水資源開(kāi)發(fā)利用程度已超過(guò)40%的國(guó)際警戒線，開(kāi)源潛力不大，必須全面建立節(jié)水型社會(huì)，以水資源的可持續(xù)利用來(lái)促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[55]。農(nóng)業(yè)是西北干旱區(qū)的用水大戶，應(yīng)大力挖掘農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力，提高農(nóng)業(yè)用水效率。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)節(jié)水必須要做到工程和管理兩手抓。工程方面應(yīng)推行節(jié)水灌溉，改造有節(jié)水潛力的大型灌區(qū)，提高農(nóng)業(yè)用水有效利用系數(shù)。管理方面，進(jìn)一步完善西北地區(qū)黃河干流、黑河干流和塔里木河干流等水資源統(tǒng)一調(diào)度，以提高水資源的合理配置。同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)壓縮耗水量大的農(nóng)作物種植面積，發(fā)展特色農(nóng)業(yè)，節(jié)約西北旱區(qū)寶貴的水資源。面對(duì)西北地區(qū)嚴(yán)峻的水資源短缺問(wèn)題，還應(yīng)調(diào)整工業(yè)結(jié)構(gòu)，發(fā)展節(jié)水型工業(yè)。并在保障生活用水質(zhì)量的前提下，實(shí)施用水定額控制管理制度，實(shí)行分段水價(jià)政策，鼓勵(lì)節(jié)約用水。西北干旱區(qū)建設(shè)節(jié)水型社會(huì)仍面臨一些問(wèn)題，針對(duì)旱區(qū)水資源極度短缺的問(wèn)題，一方面，應(yīng)繼續(xù)加大農(nóng)業(yè)節(jié)水宣傳和農(nóng)業(yè)節(jié)水科技的研究提高西北地區(qū)農(nóng)業(yè)用水有效利用系數(shù)；另一方面，應(yīng)提高污水處理率和再利用率，鼓勵(lì)“中水”回用，并積極推廣節(jié)水型器具。

跨流域調(diào)水指修建跨越兩個(gè)或兩個(gè)以上流域的引水(調(diào)水)工程，將水資源較豐富流域的水調(diào)到水資源緊缺的流域，以達(dá)到地區(qū)間調(diào)劑水量盈虧，是解決缺水地區(qū)水資源需求的一種重要措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上的調(diào)水工程有160余項(xiàng)。中國(guó)古代修建的京杭大運(yùn)河是世界上最早的跨流域調(diào)水工程。近代，還修建了甘肅省的引大入秦跨流域灌溉工程、山東省的引黃濟(jì)青工程、廣東省的東深供水工程和陜西省的引漢濟(jì)渭調(diào)水工程等。南水北調(diào)東中線工程是目前最大跨流域綜合開(kāi)發(fā)利用的調(diào)水工程，它解決了中國(guó)北方缺水的問(wèn)題，增加了水資源承載能力，提高了資源的配置效率，使得中國(guó)北方地區(qū)逐步成為水資源配置合理、水環(huán)境良好的節(jié)水、防污型社會(huì)，并有利于緩解水資源短缺對(duì)北方地區(qū)城市化發(fā)展的制約，促進(jìn)當(dāng)?shù)爻鞘谢M(jìn)程。跨流域調(diào)水能有效解決西北旱區(qū)水資源空間分布不均的問(wèn)題。在建的陜西省引漢濟(jì)渭工程是從漢江流域調(diào)水至渭河流域的關(guān)中地區(qū)，解決陜西省關(guān)中地區(qū)水資源短缺，促進(jìn)陜西省內(nèi)水資源優(yōu)化配置，改善渭河流域生態(tài)環(huán)境，是促進(jìn)關(guān)中地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的大型跨流域調(diào)水工程。

然而，西北旱區(qū)水資源短缺，在旱區(qū)內(nèi)修建跨流域調(diào)水工程的同時(shí)，也要進(jìn)行水資源合理配置研究，以提高西北旱區(qū)水資源利用效率，使西北旱區(qū)成為環(huán)境良好的節(jié)水、防污型區(qū)域。水資源合理配置是指在流域或特定的區(qū)域范圍內(nèi)，遵循有效性、公平性和可持續(xù)性的原則，利用各種工程與非工程措施，按照市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的規(guī)律和資源配置準(zhǔn)則，通過(guò)合理抑制需求、保障有效供給、維護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量等手段和措施，對(duì)多種可利用水源在區(qū)域間和各用水部門(mén)間進(jìn)行的配置。水資源合理配置起源于20世紀(jì)40年代Masse提出的水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題[56]。20世紀(jì)50年代之后，隨著系統(tǒng)分析與優(yōu)化技術(shù)的引進(jìn)和60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水資源系統(tǒng)模型技術(shù)得到了迅速發(fā)展。隨著系統(tǒng)分析理論的發(fā)展，優(yōu)化技術(shù)的引入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，水資源系統(tǒng)模型和優(yōu)化模型的建立、求解和運(yùn)行的研究與應(yīng)用工作得到了不斷提高。20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于水污染、水危機(jī)的加劇，以水量和經(jīng)濟(jì)效益最大為目標(biāo)的傳統(tǒng)水資源配置已經(jīng)不能適應(yīng)新形式的發(fā)展。國(guó)外開(kāi)始在水資源優(yōu)化配置中考慮水質(zhì)約束、環(huán)境效益和水資源可持續(xù)利用[57]。國(guó)內(nèi)水資源配置方面的研究起步較晚，但發(fā)展迅猛。20世紀(jì)60年代就開(kāi)始了以水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度為先導(dǎo)的水資源分配研究，最早是以發(fā)電為主的優(yōu)化調(diào)度。70年代以來(lái)，以水資源規(guī)劃和管理為目標(biāo)，從單一的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)轉(zhuǎn)到還要同時(shí)考慮社會(huì)、環(huán)境要求的多目標(biāo)上來(lái)。到了80年代，區(qū)域水資源的優(yōu)化配置問(wèn)題在我國(guó)開(kāi)始引起重視。90年代以后，計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展，使長(zhǎng)系列月尺度的模擬計(jì)算得到普遍應(yīng)用，水資源配置至此進(jìn)入快速發(fā)展階段[58]。西北旱區(qū)水資源合理配置的研究重點(diǎn)一方面應(yīng)注重雨水、中水回用問(wèn)題；另一方面應(yīng)注重點(diǎn)源污染和面源污染對(duì)配置水質(zhì)的影響。

西北旱區(qū)水資源年內(nèi)分配集中度高，降雨主要集中在7月—9月，汛期徑流量占全年徑流量的80%。為緩解西北旱區(qū)水資源供需矛盾，減少洪水災(zāi)害，開(kāi)展旱區(qū)雨洪利用具有十分重要的意義[59]。雨洪利用是指在保證防洪和生態(tài)安全的前提下，綜合利用工程措施、技術(shù)和管理手段，對(duì)雨水和洪水實(shí)施攔蓄、滯留和調(diào)節(jié)，將雨水和洪水適時(shí)適度地轉(zhuǎn)化為可供利用的水資源，用于流域經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、生態(tài)和環(huán)境的用水需求[60]。目前，洪水資源化的方式主要是堅(jiān)持點(diǎn)(水庫(kù)、閘壩)、線(河渠、堤防)、面(蓄滯洪區(qū)、田間、地表)兼顧，工程措施、非工程措施、管理措施并重，蓄、泄、滯、引、補(bǔ)有機(jī)結(jié)合，通過(guò)科學(xué)調(diào)度，在保證防洪安全的前提下，充分利用洪水資源，達(dá)到防洪減災(zāi)、增加水資源和改善生態(tài)環(huán)境的目的[61]。工程措施是指通過(guò)水利工程和水保工程，實(shí)施延緩洪水在陸地停留時(shí)間的手段。洪水資源利用涉及絕大多數(shù)的水利工程，如水庫(kù)工程、河道整治工程、攔河閘壩工程、蓄滯洪區(qū)建設(shè)工程、農(nóng)田水利工程、水土保持工程等。非工程措施是指在現(xiàn)有工程基礎(chǔ)上，通過(guò)科學(xué)規(guī)劃和合理調(diào)度，科學(xué)合理地?cái)r蓄洪水資源，延長(zhǎng)其在陸地的時(shí)間，及時(shí)滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)及生態(tài)環(huán)境的需水要求，補(bǔ)充回灌地下水[62]。雨洪水資源利用的非工程措施包含了水利工程調(diào)度與管理的大多數(shù)措施，如水庫(kù)分期洪水調(diào)度技術(shù)、洪水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)、水庫(kù)預(yù)泄與水系河網(wǎng)聯(lián)調(diào)技術(shù)、蓄滯洪區(qū)主動(dòng)運(yùn)用等，還有諸如土地利用規(guī)劃和工農(nóng)業(yè)城市用水規(guī)劃，通過(guò)天然地形地貌和水土保持規(guī)劃充分利用雨水資源，實(shí)施洪水保險(xiǎn)系統(tǒng)和災(zāi)害救援系統(tǒng)等[63]。西北旱區(qū)水資源短缺，各地對(duì)于雨洪利用有較高的積極性，近年來(lái)已經(jīng)取得了不少成效，既增加了旱區(qū)可用水量，又在一定程度上改善了河道生態(tài)環(huán)境。

西北旱區(qū)修建了大量的水利工程，基本進(jìn)入后壩工時(shí)代。水利工程在一定程度上緩解了工程性缺水問(wèn)題，但水庫(kù)的調(diào)節(jié)也改變了河流的天然徑流模式，擾亂了河流的水量時(shí)空分布，使水庫(kù)下游河道的流量減少，甚至斷流，對(duì)河流的生態(tài)多樣性產(chǎn)生了負(fù)面影響[64]。開(kāi)展水利工程調(diào)度與調(diào)控，是水資源科學(xué)管理的重要措施之一。早在20世紀(jì)40年代Ward等[65]就強(qiáng)調(diào)了將河川徑流作為生態(tài)因子的重要性。隨著人類對(duì)河流生態(tài)重要性認(rèn)識(shí)的不斷加深，國(guó)內(nèi)外對(duì)生態(tài)調(diào)度開(kāi)展了大量的研究。國(guó)外主要從兩個(gè)方面研究水庫(kù)的生態(tài)調(diào)度：一是，開(kāi)展水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度研究；二是，在水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度中考慮河流生態(tài)環(huán)境，開(kāi)展水庫(kù)的生態(tài)優(yōu)化調(diào)度研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)特定水庫(kù)構(gòu)建了生態(tài)調(diào)度模型，這些生態(tài)調(diào)度模型可以為兩種形式：一種是將生態(tài)目標(biāo)作為水庫(kù)調(diào)度多目標(biāo)問(wèn)題的目標(biāo)之一；一種是將河流的生態(tài)需水作為模型的約束條件[66]。生態(tài)調(diào)度研究包括基于生態(tài)的水量調(diào)度、泥沙調(diào)度、水質(zhì)調(diào)度和其它生態(tài)因子調(diào)度。隨著生態(tài)調(diào)度研究工作的不斷完善和生態(tài)調(diào)度實(shí)踐工作的不斷發(fā)展，找準(zhǔn)水庫(kù)調(diào)度中社會(huì)經(jīng)濟(jì)目標(biāo)和生態(tài)目標(biāo)的結(jié)合點(diǎn)，實(shí)踐水庫(kù)的綜合調(diào)度，將成為水庫(kù)調(diào)度領(lǐng)域一個(gè)全新的模式。

西北干旱地區(qū)缺水嚴(yán)重，河流生態(tài)系統(tǒng)退化和地下水超采問(wèn)題極為突出[67]。地區(qū)水問(wèn)題并存，疊加和積累影響越來(lái)越嚴(yán)重，實(shí)行最嚴(yán)格水資源管理制度迫在眉睫[68]。西北內(nèi)陸河流域在水資源管理方面存在諸多問(wèn)題，如水資源管理體制不順，分配職責(zé)不清；各級(jí)水務(wù)部門(mén)考核制度缺失；水資源管理責(zé)任體系不健全，考核責(zé)任難落實(shí)；公眾參與管理責(zé)任和考核制度的制定和實(shí)施程度不高等問(wèn)題。解決西北干旱區(qū)水資源管理存在的問(wèn)題，需要建立完善的法律體系和明確的法律規(guī)定。完善的法律體系是促進(jìn)制度有效實(shí)行的根本保障，明確的法律規(guī)定可以保證相關(guān)制度得以切實(shí)執(zhí)行。因此，在西北內(nèi)陸河流域?qū)嵭凶顕?yán)格水資源管理制度的根本在于健全完善相關(guān)的法律制度，以法律制度的推行促進(jìn)最嚴(yán)格水資源管理制度的具體化和可操作化。最嚴(yán)格水資源管理制度是解決西北內(nèi)陸河流域人口、水資源與發(fā)展的矛盾戰(zhàn)略舉措和重大法律制度，“三條紅線”和“四項(xiàng)制度”、“河長(zhǎng)制”是核心，而“四項(xiàng)制度”中水資源管理的責(zé)任和考核制度既是最嚴(yán)格水資源管理制度的主要制度之一，又是其它制度落實(shí)的關(guān)鍵保障。同時(shí)，西北地區(qū)氣候特殊，水系復(fù)雜，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，河湖管理保護(hù)新老問(wèn)題交織，如河湖水域面積萎縮、岸線亂占濫用、水體質(zhì)量惡化和生態(tài)環(huán)境退化等問(wèn)題。針對(duì)河湖管理出現(xiàn)的以上問(wèn)題，各地積極探索河長(zhǎng)制，推進(jìn)河長(zhǎng)制的建立。河長(zhǎng)制主要任務(wù)包括：水資源保護(hù)、水域岸線管理保護(hù)、水污染防止、水環(huán)境治理、水生態(tài)修復(fù)和執(zhí)法監(jiān)督[69]。西北地區(qū)實(shí)行河長(zhǎng)制應(yīng)堅(jiān)持問(wèn)題導(dǎo)向，因地制宜，立足不同地區(qū)不同河湖實(shí)際，統(tǒng)籌上下游、左右岸，實(shí)行一河一策、一湖一策，提升針對(duì)性和可操作性。實(shí)行一河一策、一湖一策要做到針對(duì)河湖存在的突出問(wèn)題；與已有的規(guī)劃以及最嚴(yán)格水資源管理、河湖管理、水污染防治等計(jì)劃相協(xié)調(diào)；河流上下游、左右岸目標(biāo)措施要協(xié)調(diào)；便于組織實(shí)施、檢查監(jiān)督和考核問(wèn)責(zé)。同時(shí)，應(yīng)健全涉河法規(guī)體系；嚴(yán)禁涉河違法活動(dòng)；法規(guī)體系強(qiáng)化日常巡查監(jiān)管；落實(shí)經(jīng)費(fèi)保障以建立河湖管理保護(hù)長(zhǎng)效機(jī)制。

總的來(lái)說(shuō)，西北旱區(qū)水資源科技研究已取得長(zhǎng)足進(jìn)展，修建了眾多的水利工程和跨流域調(diào)水工程，初步進(jìn)入后壩工時(shí)代，已開(kāi)展了節(jié)水，水資源評(píng)價(jià)、配置、調(diào)控和調(diào)度與科學(xué)管理等研究。但是，還有許多水利工程沒(méi)有開(kāi)展這方面的研究，研究的面、深度有待加大，尤其是按照最嚴(yán)格的水資源管理，實(shí)行“三條紅線”控制、落實(shí)河長(zhǎng)制等還有許多新問(wèn)題沒(méi)有得到解決，水資源科技的深度、廣度、推廣應(yīng)用也有待提高。

3 發(fā)展趨勢(shì)

西北旱區(qū)水文水資源科技研究應(yīng)注重基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，識(shí)別變化環(huán)境下旱區(qū)水文變異規(guī)律和河川徑流演變規(guī)律，模擬、預(yù)測(cè)其水文生態(tài)過(guò)程，構(gòu)建洪旱防災(zāi)體系及技術(shù)，提出雨洪利用和節(jié)水技術(shù)，開(kāi)展跨流域調(diào)水、生態(tài)流域建設(shè)，高效利用和科學(xué)管理水資源等將成為旱區(qū)水文水資源科技研究的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。

西北旱區(qū)水文水資源變化十分復(fù)雜，除了采用理論方法研究外，應(yīng)結(jié)合野外觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)手段才能理清水文水資源演變規(guī)律，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用水資源提出支撐。西北旱區(qū)水資源短缺問(wèn)題一直制約著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和生態(tài)文明建設(shè)，旱區(qū)水文水資源科技研究應(yīng)突出解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題，將科研轉(zhuǎn)化為旱區(qū)生產(chǎn)力將是重要的發(fā)展趨勢(shì)。

針對(duì)西北旱區(qū)水資源短缺、生態(tài)環(huán)境脆弱、自然災(zāi)害危害嚴(yán)重、農(nóng)業(yè)用水矛盾突出、水資源開(kāi)發(fā)利用率高等問(wèn)題，急需研究并構(gòu)建5大體系：

(1) 供水安全保障體系，以水資源合理配置和高效利用為重點(diǎn)，滿足經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和重大戰(zhàn)略布局對(duì)水的需求。

(2) 生態(tài)環(huán)境安全保障體系，堅(jiān)持人與自然和諧、生態(tài)修復(fù)與綜合治理相結(jié)合的原則，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會(huì)兩大系統(tǒng)的耗用水量，明確生態(tài)水權(quán)，保障生態(tài)用水安全，確保河道生態(tài)徑流要求，維護(hù)河流健康，治理水土流失，保護(hù)和改善生態(tài)環(huán)境。

(3) 防洪抗旱安全保障體系，工程措施和非工程措施相結(jié)合，提高防洪抗旱減災(zāi)能力。

(4) 農(nóng)業(yè)灌排保障體系，發(fā)展有效灌溉面積，提高農(nóng)牧業(yè)綜合生產(chǎn)能力和抗災(zāi)減災(zāi)能力，保障糧食安全，促進(jìn)農(nóng)牧業(yè)增產(chǎn)、農(nóng)牧民增收和農(nóng)牧區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

(5) 水環(huán)境安全保障體系，堅(jiān)持保護(hù)與治理并重的原則，以水資源和水環(huán)境保護(hù)為重點(diǎn)，通過(guò)嚴(yán)格的水功能區(qū)劃管理，實(shí)行排污總量控制和水質(zhì)監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)對(duì)重要水源地和地下水的保護(hù)，保護(hù)和改善水體功能，結(jié)合水污染治理，加大中水回用力度，提高水環(huán)境承載能力。

4 結(jié) 論

綜上所述，西北旱區(qū)水文水資源科技研究得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，并取得了豐碩的研究成果。在水文基礎(chǔ)理論方面，基本闡明了水文過(guò)程演變規(guī)律，構(gòu)建了具有旱區(qū)特色的水文模型，提出了模擬、預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)水文序列的理論與方法等；在水資源應(yīng)用技術(shù)方面，提出了農(nóng)業(yè)灌溉節(jié)水技術(shù)、雨洪利用技術(shù)、水資源合理配置和水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度技術(shù)等。

然而，變化環(huán)境下，水文情勢(shì)發(fā)生了變化，水文科技應(yīng)加大研究應(yīng)對(duì)冰川融化引起的水循環(huán)和水資源量變化；極端天氣引起的洪水和干旱發(fā)生頻率增加，應(yīng)大力開(kāi)展干旱預(yù)測(cè)和洪水預(yù)報(bào)研究，為抗洪減災(zāi)提供技術(shù)支撐。水資源短缺一直制約著西北旱區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，建設(shè)節(jié)水型社會(huì)，開(kāi)展水利工程調(diào)控、跨流域調(diào)水、雨洪利用等能有效的緩解旱區(qū)水資源短缺。與此同時(shí)，開(kāi)展水資源合理調(diào)配研究，制定科學(xué)合理的配置、調(diào)度方案能夠充分發(fā)揮水資源的作用，提高水資源的利用率，從而促進(jìn)西北旱區(qū)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)生態(tài)文明建設(shè)。

可以預(yù)測(cè)在不久的將來(lái)，通過(guò)水文水資源科技工作者和全社會(huì)的不懈努力，西北旱區(qū)水文水資源科技將會(huì)迎來(lái)大發(fā)展，在構(gòu)建供水安全保障、生態(tài)環(huán)境安全保障、防洪抗旱安全保障、農(nóng)業(yè)灌排保障、水環(huán)境安全保障5大體系的基礎(chǔ)上，西北旱區(qū)將實(shí)現(xiàn)山青、水凈、河暢、湖美、岸綠的生態(tài)友好型社會(huì)，支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。

特邀作者簡(jiǎn)介

黃強(qiáng)，1958年出生，籍貫四川綿陽(yáng)，中共黨員，水文學(xué)及水資源學(xué)科二級(jí)教授，博士生導(dǎo)師。曾任西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院黨委書(shū)記、院長(zhǎng)、校工會(huì)常務(wù)副主席等。兼任國(guó)務(wù)院水利工程學(xué)科第六、七屆評(píng)議組委員、陜西省學(xué)科評(píng)議組委員、西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、教育部西北水資源與環(huán)境生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任等，是水利工程國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科帶頭人、陜西省突出貢獻(xiàn)專家、國(guó)家教學(xué)團(tuán)隊(duì)帶頭人、陜西省“特支計(jì)劃”特聘專家、陜西省教學(xué)名師等。兼任《水利學(xué)報(bào)》、《人民黃河》等編委等。研究方向?yàn)樗Y源演變與調(diào)控，主要從事水文過(guò)程演變、水文模擬與預(yù)報(bào)、水資源系統(tǒng)分析、水庫(kù)調(diào)度等研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金重大、重點(diǎn)、面上項(xiàng)目7項(xiàng)，973專題、科技部重大研發(fā)計(jì)劃課題等縱橫向科研150余項(xiàng)。獲國(guó)家、省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)10余項(xiàng)，其中一等獎(jiǎng)4項(xiàng)；出版專著教材16部；發(fā)表論文500余篇，其中SCI、EI收錄論文260余篇。培養(yǎng)研究生近300人，其中已畢業(yè)的博士90余人，3人獲陜西省優(yōu)秀博士論文。獲國(guó)家教學(xué)成果二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、陜西省教學(xué)成果3項(xiàng)、陜西省普通高校優(yōu)秀教材一等獎(jiǎng)1項(xiàng)。