中国黑河流域中游灌溉与渠系网络对地下水-地表相互作用的综合影响机制研究

本研究针对干旱区农业灌溉对水热循环的扰动问题，采用ParFlow-CLM三维水文耦合模型，通过设置4种情景（自然状态/地表水灌溉/地表-地下水联合灌溉/含渠系联合灌溉），系统解析了黑河中游灌区(WTD)水表深度动态变化规律。研究发现灌溉使浅层WTD(<10m)区域扩大30%，夏季径流增加10%，并通过改变0.01-10m土层温度削弱了WTD与潜热通量(LE)的强相关性。该研究为干旱区农业水资源优化提供了关键科学依据。

　　

在中国西北干旱区的广袤土地上，黑河流域像一条生命线滋养着沿途的绿洲。这里农业用水占总用水量的70%以上，密集的灌溉活动正在悄然改变着区域的水文循环。随着人口增长和粮食需求增加，过度开采地表水和地下水导致地下水位持续下降，引发了一系列生态问题。更复杂的是，长达4415公里的灌溉渠系网络像血管一样遍布农田，这些人为干预如何影响地下水与地表系统的相互作用，至今缺乏系统研究。

针对这一科学难题，来自广东省级人地系统观测研究站的研究团队在《Journal of Hydrology: Regional Studies》发表了重要成果。他们构建了0.005°高分辨率的ParFlow-CLM（耦合Common Land Model的三维水文模型）集成模型，通过设置四种情景（S1自然状态、S2地表水灌溉、S3地表-地下水联合灌溉、S4含渠系联合灌溉），模拟了2010年黑河中游灌区的水热过程。研究采用29口监测井、2个水文站和2个自动气象站的观测数据验证模型，并与HEIFLOW、CAS-LSM等区域水文产品进行交叉验证。

模型验证展现可靠性
通过对比Sunan和Gaoya水文站的径流(SF)数据，模型在非强人类活动区的Nash效率系数达0.74。水表深度(WTD)模拟与观测值的Pearson相关系数为0.87，虽然存在系统性浅估（平均偏浅0.93m），但准确捕捉了时空变化趋势。土地表面温度(LST)模拟与MMLST遥感产品的温差小于5K，在农田站的验证中NSE>0.64。

灌溉改变水文格局
情景对比显示，联合灌溉(S3/S4)使浅层WTD(<10m)区域扩大30%，夏季径流量增加约10%。渠系建设(S4)进一步增强了这种效应，但同时也导致局部区域出现潜热通量(LE)下降与感热通量(H)上升的反常现象。在农田区域，灌溉使夏季平均WTD降低0.644m，LST最大降幅达6°C。

水热耦合关系重构
研究发现灌溉显著改变了WTD与能量通量的固有关系。在自然状态下(S1)，0.01-5m WTD与LE呈现明显负相关，而灌溉完全打破了这种关联。特别在0.01-10m深度区间，灌溉导致的土壤"冷却效应"重塑了地表能量分配格局，LE最大增加20W/m²，H相应减少类似幅度。

科学与管理启示
这项研究首次量化了渠系网络对干旱区水热循环的调控作用，揭示了灌溉活动通过改变WTD分布深度进而影响地表能量平衡的双重机制。研究建立的0.005°高分辨率模型为评估农业管理措施提供了新工具，其发现的"30%浅层WTD扩张"和"10%径流增加"等关键阈值，为制定精准灌溉政策提供了科学依据。特别是在当前推广节水灌溉的背景下，研究指出的"渠系引起局部能量通量反转"现象，提示未来需关注灌溉方式转变对区域气候的潜在影响。

这项由Xiaofan Yang团队完成的研究，不仅推进了对人类活动-水文过程-能量循环耦合机制的理论认识，更通过创新性地将渠系网络参数化纳入集成模型，为干旱区水资源管理树立了新范式。随着中国"高标准农田"建设的推进，该研究成果将在优化灌溉策略、维持地下水可持续性等方面发挥长期指导价值。