网格化水-作物系统反馈动态耦合的区域水资源迭代优化分配新方法

为解决农业灌溉区水资源分配低效及地下水超采问题，研究人员开发了多源空间分配优化-模拟系统(OSS)，通过耦合SWAT、DSSAT和MODFLOW模型实现地表水-地下水-作物生长的动态迭代优化。该系统在三江平原应用中提升经济效益13.5%，节水12.5%，水生产力达1.56 kg/m3，为气候变化下大规模灌区精准管理提供决策支持。

　　

随着全球人口增长和气候变化加剧，农业水资源分配面临前所未有的挑战。到2050年，全球粮食产量需增加50%，农业用水需增长35%，而当前低效的水资源利用和地下水超采问题严重威胁着农业可持续发展。三江平原作为中国重要商品粮基地，其地下水储量正以惊人速度下降，亟需建立精准的水资源管理方案。

针对这一难题，中国国家自然科学基金资助项目团队开发了创新性的优化-模拟系统(OSS)。该系统突破性地将地表水循环(SWAT模型)、地下水动力学(MODFLOW)与作物生长过程(DSSAT)进行动态耦合，通过NSGA-II算法实现网格尺度的多目标优化。研究团队在三江平原108,900 km²区域内建立了48,942个空间响应单元，处理了293,652组参数，最终成果发表于《European Journal of Agronomy》。

关键技术包括：(1)整合SWAT-DSSAT-MODFLOW的多模型耦合框架；(2)基于NSGA-II算法的多目标优化；(3)网格化(1 km²)水资源分配方案设计；(4)未来气候情景(SSP2-4.5/SSP5-8.5)下的稳定性测试。

<运行模拟与作物生长过程结果>
通过SWAT模型将研究区划分为11个子流域，率定期Nash效率系数达0.82，验证期达0.79。DSSAT模型模拟显示水稻、玉米和大豆的灌溉需水量与实际值误差在±15%内。

<水资源优化分配结果>
OSS系统使三江平原经济效益提升13.5%，水生产力达1.56 kg/m³。泰尔系数降至0.002，表明水资源分配均匀度显著改善。地下水开采量控制在生态阈值内，节水率达12.5%。

<气候变化情景适应性>
在2030-2060年SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，主要作物灌溉量变化幅度控制在1%-3%，证明系统具有强鲁棒性。

该研究创立了水-粮-环境协同管理的新范式，其创新性体现在：(1)首次实现公里级网格的水-作物系统全耦合；(2)建立生态地下水阈值的动态约束机制；(3)开发出适应气候变化的迭代优化算法。研究成果为大型灌区实现"节水-增效-生态"三重目标提供了可复制的技术路径，对保障国家粮食安全与水安全具有重要战略意义。