南京大学在 Hydrology and Earth System Sciences 揭示干旱内陆河流域水-生态-农业协同优化新框架

在干旱内陆河流域，水资源既支撑农业生产，也维系地下水、河岸植被和尾闾湖生态安全。这篇 HESS 论文以塔里木河干流区为例，把地表水-地下水耦合模拟与多目标优化结合起来，探索农业收益、生态补水和面源污染之间的可操作平衡。

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作者与单位

论文署名：Danhong Chen, Xiankui Zeng, Dongwei Gui, Dong Wang, Jichun Wu。

通讯作者：Xiankui Zeng，邮箱 xiankuizeng@nju.edu.cn。

作者单位：南京大学地球科学与工程学院、表生地球化学教育部重点实验室；中国科学院新疆生态与地理研究所策勒荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站。

研究背景

干旱和半干旱地区长期面临水资源供需矛盾：农业生产依赖灌溉扩张，而生态系统又需要稳定的地表水补给和地下水埋深。在塔里木河干流区，长期地表水引水和地下水开采支撑了绿洲农业，但也带来地下水位下降、荒漠化加剧、尾闾湖萎缩等生态问题。

已有研究常把地表水和地下水分开处理，或只优化农业-经济、农业-生态中的一两个目标，难以表达水资源、生态系统和农业生产之间的动态反馈。因此，需要一个既能刻画地表水-地下水相互作用，又能在多个管理目标之间寻找折中方案的决策框架。

科学问题

• 如何把地表水-地下水耦合过程纳入塔里木河干流区水-生态-农业协同优化？

• 农业经济收益、地下水恢复、尾闾湖面积和农业氮负荷之间存在怎样的权衡关系？

• 不同丰枯水文年下，适宜耕地规模和作物结构应如何动态调整？

• 上游、中游和下游灌区是否需要差异化管理，哪些区域对生态约束最敏感？

创新点

• 构建了面向决策的 WEA（水-生态-农业）协同优化框架，将 GSFLOW 地表水-地下水耦合模型、SRM 融雪径流模型和 NSGA-III 多目标优化算法连接起来。

• 把生态响应从固定约束推进到优化目标：同时最大化农业单位灌溉水经济效益、地下水位回升和台特玛湖面积，并最小化农业总氮负荷。

• 引入 RBF-NN 代理模型替代高耗时 GSFLOW 计算，使流域尺度模拟-优化能够在大量方案搜索中运行。

• 按干旱年、平水年和丰水年分别给出耕地规模和作物结构建议，突出空间差异化与水文情景差异。

方法

研究框架包含三个模块：第一，利用 SRM 模拟山区融雪和冰川融水径流，并作为 GSFLOW 的上游入流边界；第二，利用 GSFLOW 模拟塔里木河平原和下游荒漠区的地表水-地下水交换；第三，建立 WEA 多目标优化模型，协调农业生产、生态补水和水资源利用。

优化决策变量包括各农业分区的作物种植面积，以及 5-9 月生态输水量在不同月份之间的分配系数。约束条件包括生态植被适宜地下水埋深、台特玛湖面积 30-110 km2、干渠输水能力和作物基本需水量。

四个目标分别为：最大化单位灌溉水农业经济效益 fAB，最大化平均累计地下水位回升 fGL，最大化台特玛湖水面面积 fLA，最小化农业面源总氮负荷 fTN。由于单次 GSFLOW 模拟耗时约 18 h，研究使用拉丁超立方采样训练 RBF-NN 代理模型，并在 NSGA-III 优化循环中调用。

数据

• 研究区：塔里木河干流区，位于新疆北部，西起阿拉尔附近三源汇合区，东至台特玛湖，面积约 40956 km2。

• 时间范围：主要数据覆盖 2002-2021 年；模型设置 2002-2006 年为预热期，2007-2016 年为率定期，2017-2021 年为验证期。

• 自然地理与遥感数据：High Asia MODIS 日尺度积雪覆盖、ASTER GDEM、FROM-GLC 土地覆盖、HWSD 土壤、1:100 万中国植被图、GRACE/GRACE-FO 陆地水储量异常、GLEAM 蒸散发和中国土壤湿度数据集。

• 气象和水文数据：ERA5 降水及最高/最低气温，5 个代表性水文站日径流，139 眼地下水监测井月地下水位。

• 社会经济与农业数据：中国统计年鉴、新疆水资源公报、全国农产品成本收益资料汇编以及年度作物价格统计等。

主要结论

• 耦合水文模型表现较好：SRM 对融雪径流的 NSE 为 0.72-0.96；GSFLOW 对塔里木河干流月径流的 NSE 约为 0.6-0.7；地下水位验证图显示 R2=0.96。

• 多目标之间存在显著权衡。提高农业经济收益通常会减少生态供水和尾闾湖面积，并增加农业总氮负荷；单纯追求农业扩张不可持续。

• 农业收益 fAB 与台特玛湖面积 fLA 呈明显负相关。以干旱年为例，S1 的 fAB 最高，但湖泊面积较小；生态优先方案 S3 牺牲部分经济收益，却获得更大的湖泊面积。

• 适宜耕地规模随水文条件动态变化：丰水年约 11.3-14.3 x 10^4 hm2，平水年约 10.1-13.1 x 10^4 hm2，干旱年收缩至约 9.5-11.9 x 10^4 hm2。

• 上游灌区水源相对稳定，可维持较高农业生产；中游和下游对生态水位、生态输水和水质约束更敏感，需要优先保障生态用水。

• 作物结构需要随水文年调整。总体上，棉花仍占主导地位；丰水年可适度增加高收益作物，干旱年则应转向节水作物，并严格限制中下游高耗水作物扩张。

• 折中方案 S5、S10 和 S15 能在农业收益、生态湖泊面积、地下水恢复和氮负荷控制之间取得较平衡表现，体现了从“单目标最优”转向“系统协同”的管理思路。

• 研究强调空间差异化调控：中游对多目标权衡最敏感，下游在丰水年具有一定扩张潜力，但仍必须坚守生态阈值。

主要图表

图 1塔里木河干流区位置及土地利用类型，展示研究区、河流、测站和七个农业管理分区的空间背景。

图 2水-生态-农业多目标模拟-优化框架，展示 WEA 管理模型、SRM-GSFLOW 数值模拟模型和 RBF-NN 代理模型之间的耦合关系。

图 3阿拉尔、新其满、英巴扎、乌斯满和恰拉站月径流观测与模拟对比，用于检验 GSFLOW 对干流径流过程的刻画能力。

图 4验证期地下水位观测值与模拟值对比，显示模型对地下水动态具有较高拟合度。

图 5干旱年、平水年和丰水年的 Pareto 最优解平行坐标图，展示四个管理目标之间的协同和权衡。

图 6干旱年情景下目标两两关系散点图，展示代表性方案 S1-S5 和 Pareto 优化方向。

图 7平水年情景下目标两两关系散点图，展示代表性方案 S6-S10 的分布特征。

图 8丰水年情景下目标两两关系散点图，展示代表性方案 S11-S15 的分布特征。

图 9不同水文情景下各区域适宜耕地面积，显示耕地规模的空间差异和情景敏感性。

图 10S1-S15 代表性方案下玉米、棉花、蔬菜、瓜类、油料和果树的种植结构，展示作物配置如何随水文条件调整。

一句话总结

这篇研究说明，干旱内陆河流域的水资源管理不能只追求农业增产，而应通过地表水-地下水耦合模拟和多目标优化，在耕地规模、作物结构、生态输水和污染控制之间寻找动态平衡。