第1章 西北内陆区水资源安全状况与评估
　　1.1 西北内陆区自然状况
　　西北内陆区地处丝绸之路经济带核心区，是我国生态安全格局的重点区域(冯起等，2019)。根据西北内陆区的范围及各主要子水系(流域)特征，可划分为10个子流域或分区：河西内陆河、青海湖水系、柴达木盆地、吐哈盆地小河、古尔班通古特荒漠区、天山北麓诸河、塔里木河源流、昆仑山北麓诸小河、塔里木河干流、塔里木盆地荒漠区。
　　1.1.1 西北内陆区自然概况
　　西北内陆区，西起帕米尔高原国境线，东至阴山、贺兰山、乌鞘岭，北自国境线，南接羌塘高原，分别与黄河、长江、额尔齐斯河、伊犁河、额敏河流域及内蒙古高原内陆水系(巴彦淖尔市以东)、羌塘高原内陆水系为邻(钱正英等，2004)，地处东经73°26′～106°58′、北纬34°41′～47°58′，总面积216.31万km2，约占我国国土面积的23%。省级区划中属于西北内陆区的有新疆维吾尔自治区137.51万km2、青海省30.74万km2、甘肃省24.44万km2、内蒙古自治区
　　23.62万km2。随着我国西部国土资源开发步伐加快，西北内陆区无论在经济社会发展、国际贸易交往，还是民族团结、国防建设和边疆稳定等方面都具有十分重要的地位。
　　从西部帕米尔高原伸向本区域的主要山系有天山、喀喇昆仑山、昆仑山及其余脉阿尔金山、祁连山，诸山阻隔形成塔里木盆地、准噶尔盆地、柴达木盆地、青海湖盆地、河西走廊和阿拉善高原等地貌单元(黄河勘测规划设计有限公司，2014)。区内高山巍峨，沙漠广阔，河流绿洲宛如串珠，穿插分布于山前和沙漠之间，形成我国西北内陆区奇特的地形地貌景观。塔里木盆地西南海拔8611m的乔戈里峰为本区域的昀高峰，盆地东北部海拔.155m的艾丁湖为世界上仅次于死海的第二低地。
　　西北内陆区深居欧亚大陆腹地，受蒙古高压和大陆气团控制，为典型大陆性气候。来自地中海的水汽受帕米尔高原阻碍后强度减弱，沿横断山脉峡谷北上的印度洋暖湿气流被东西走向的一系列平行高山阻挡，难以到达本区域，从太平洋来的东南季风和暖流越过贺兰山的机会较少。因此，西北内陆区大部分地区干旱少雨，蒸发强烈，昼夜温差大(黄河勘测规划设计有限公司，2014；胡安焱，2003)。平原沙漠地区年平均气温4～8℃，年积温2000～4000℃，无霜期120～160d，日照时数2550～3600h(董雪娜，2006)。除海拔很高的山区外，大部分地区年降水量在200mm以下，部分沙漠戈壁地区甚至在10mm以下(邓铭江，2018)。多数地区水面年蒸发量在800～2850mm(E601蒸发器)，分布规律与年降水量相反，蒸发量大的地区降水量小，蒸发量小的地区降水量大。
　　西北内陆区干旱少雨，土地资源利用受到制约。根据中国科学院地理科学与资源研究所2018年土地利用解译结果，西北内陆区灌溉面积902万hm2，仅占全区总面积的4.17%，荒地多达1.45亿hm2，占全区总面积的67.13%(徐新良等，2018)。该区地域广阔，物种丰富，拥有许多珍稀宝贵物种，如属于国家保护植物的胡杨等，属于国家保护动物的野牛、野驴、雪豹、天鹅等。区内矿产资源丰富，品种多、品位高，矿脉集中，开发价值巨大。柴达木盆地有30余种珍贵的盐湖资源，总储量2400亿t。其中，铷、锂、钾盐、镁盐和芒硝储量约占全国总储量的90%。勘探结果表明，准噶尔盆地蕴藏着15个巨大的油气田，其中石油资源总储量86亿t，天然气资源总储量2.1万亿m3。截至2016年，柴达木盆地探明油田16处，石油资源总储量12亿t；油气田6处，天然气资源总储量7900亿m3。塔里木盆地探明油气田27处，石油资源总储量4亿t，天然气资源总储量6448亿m3。该区还有丰富的有色金属与稀土金属矿藏，位于河西走廊的金川县镍矿保有储量占全国的70%以上，共生的铂族金属储量占全国同类金属总储量的五分之三。
　　1.1.2 西北内陆区水资源开发利用存在的问题
　　1)水资源总量短缺，开发利用率高
　　从水资源总量分析，西北内陆区多年平均地表水资源量为1425.8亿m3，地下水资源量为699.6亿m3，扣除两者的重复量，多年平均水资源总量只有1592.5亿m3。其中，内陆干旱区为986.2亿m3，半干旱草原区为107.3亿m3，黄河流域区为499亿m3。从水资源开发利用程度分析，按2015年的供水量计，全国水资源的开发利用率(供水量占水资源总量的比例)为22.6%，西北地区为59.8%，其中黄河流域为62.6%，内陆河流域为56.3%，远高于全国平均水平，尤其是石羊河流域、黑河流域、塔里木河流域、准噶尔盆地内流区，水资源开发利用率分别高达154%、112%、91%、92%。
　　2)用水量大，用水结构不合理
　　从供水端来看，2015年西北内陆区总供水量达到952.6亿m3，其中地表水722.7亿m3，地下水222.9亿m3，污水回用及雨水利用7.0亿m3，占比分别为75.9%、23.4%和0.7%。从流域尺度分析，黄河流域总供水量为320.0亿m3，内陆河流域总供水量为632.6亿m3。从用水端来看，2015年西北内陆区全部用水量中，农业用水830.7亿m3，占87.2%；工业用水54.1亿m3，占5.7%；生活用水40.3亿m3，占4.2%。农业用水量过大，用水结构不合理，是西北内陆区水资源短缺的昀主要原因之一。全区人均综合用水量936m3(黄河流域459m3，内陆河流域2047m3)，是全国人均综合用水量的2.1倍。在水资源十分短缺的情况下，人均综合用水量反而很大，水资源浪费现象严重。
　　3)用水效率低下，单方水GDP产出低于全国平均水平
　　从用水效率分析，受干旱气候和生产水平的综合影响，西北地区农田综合灌溉定额为 505m3/亩（1亩≈666.667m2），是全国平均值的 1.29倍；万元国内生产总值（gross domestic product，GDP）用水量为183m3，是全国平均水平的2.05倍。从西北地区内部分析，不同地区用水效率差异性极为显著，单方水GDP产出为55元，仅为全国平均产出量的49%，新疆更低，只有16元。
　　4)生态用水被大量挤占，生态环境不断恶化
　　西北内陆区气候干旱，水土资源分布不平衡，大部分地区水资源匮乏，地多水少，生态环境脆弱。由于人们对生态环境关注不够，盲目开垦，乱砍滥伐，超载过牧，经济发展挤占生态环境用水，导致植被退化和土地沙化，生态环境恶化。上游绿洲大量引水改变了水资源的天然分布格局，导致尾闾湖泊严重萎缩甚至干涸。例如，新疆著名的罗布泊于20世纪70年代干涸；塔里木河下游断流数十年；艾比湖水面缩小；黑河下游狼心山断面断流，年断流时间由20世纪50年代的每年约100天延长到20世纪末的近200天，下游来水减少，导致黑河尾闾的西、东居延海分别于1961年、1992年干涸；石羊河下游的青土湖也演变为沙漠，流沙厚3～4m，严重威胁当地居民的生产条件。
　　地下水的大量超采，造成地下水位持续下降，形成大范围地下水降落漏斗。西北内陆区存在地下水漏斗区17处，其中石羊河流域昀为严重，地下水位平均下降10～20m，民勤县一些地方甚至达30m以上。地下水位的下降，进一步加剧了植被退化和土地沙化的进程(黄河勘测规划设计有限公司，2014；杨国宪等，2011)。
　　5)废污水处理率低，部分城市河段污染严重
　　近年来西北内陆区经济快速增长的同时，废污水和污染物排放量、入河量逐年增加，部分城市河段水环境超载，水污染较重。在现状调查评价的279个水功能区中，有31个水功能区化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）或氨氮入河量超过了水域承载能力，占水功能区总数的11.1%，且均位于城市河段。28个水功能区COD超载，现状入河量超出纳污能力的4.3倍；31个水功能区氨氮超载，现状入河量超出纳污能力的6.3倍。超载水功能区主要分布在黑河、疏勒河、石羊河等河西内陆河，天山北麓诸河和阿克苏河、叶尔羌河、开都—孔雀河等塔里木河源流区的城市河段。
　　西北内陆区废污水和污染物排放量增加，但处理率一直很低，主要原因是经济基础薄弱，城市基础设施建设缓慢，城市排水管网和污水处理设施的建设严重滞后于城市建设。大量未经有效处理的工业废水和生活污水进入地表水域，造成城市河段水体污染。受污染比较严重的城市河段如新疆乌鲁木齐市的水磨河、甘肃武威市的石羊河、甘肃玉门市的石油河等，现状水质多为Ⅴ类或劣Ⅴ类。
　　随着西部开发，经济社会快速发展，西北内陆区城市河段水污染问题越来越突出。因此，在经济发展的同时，必须对水资源合理利用进行有效保护，加大水污染治理力度，以促进经济和环境的和谐发展。
　　6)水资源管理滞后，难以适应现代管理的要求
　　西北内陆区一方面水资源贫乏，生态环境脆弱；另一方面水资源开发利用水平滞后，上中下游之间、各用水行业之间激烈争水，多部门管理的事权划分不清，水资源无序开发现象普遍，水利、环保部门职能有交叉，缺乏必要的协调和协商机制，联合治污机制尚未建立，难以适应水资源现代化管理的需要。
　　综上，亟须以流域为单元，完善管理机构，强化管理职能，强化流域统一规划、统一治理、统一调度、统一管理；建立运转高效、机构协调、政令畅通、令行禁止的水资源管理调度行政体系，建立完善配套水量调度工程监控体系，建立先进实用、功能齐全的水资源管理调度决策支持体系，建立水资源总量控制和定额管理体系，完善建立水利、环保部门联合治污机制，保证水资源公平、合理、科学地调配，使水质达到水功能区水质目标，生态系统得到一定改善和恢复，以水资源的可持续利用促进相关地区经济、社会协调可持续发展(田小强，2013)。
　　1.2 西北内陆区水资源评价
　　1.2.1 西北内陆区水资源总体评价
　　以2016年为现状年，为便于不同时段水文系列对比分析，将1956～2016年降水及水资源系列分为1956～2000年、2001～2016年和1956～2016年时间系列，并选取典型河流，分析西北内陆区水资源变化情况。
　　根据全国第三次水资源调查评价初步成果，西北内陆区1956～2000年平均年降水量为123.49mm，1956～2016年平均年降水量为129.83mm，与1956～2000年相比偏多5.13%；2001～2016年平均年降水量为147.67mm，与1956～2000年相比偏多19.58%，较1956～2016年偏多13.74%。详见表1-1～表1-3。
　　表1-1 1956～2000年西北内陆区各流域水资源评价结果
　　表1-2 1956～2016年西北内陆区各流域水资源评价结果
　　表1-3 2001～2016年西北内陆区各流域水资源评价结果
　　西北内陆区1956～2000年水资源总量为662.03亿m3，1956～2016年水资源总量为686.83亿m3，与1956～2000年相比偏多3.74%；2001～2016年水资源总量为756.55亿m3，与1956～2000年相比偏多14.28%，较1956～2016年偏多10.15%。
　　1.2.2 西北内陆区水资源演变
　　1. 典型河流径流量演变
　　由于新疆和甘肃的水资源总量占西北内陆区水资源总量的80%以上，用水总量占西北内陆区用水总量的95%左右，选用塔里木河流域、天山北麓诸河和河西内陆河等水资源二级区的典型河流进行研究，分析其演变趋势和突变年份。其中，塔里木河流域选择塔里木河干流、阿克苏河、叶尔羌河、和田河和开都—孔雀河5条河流，天山北麓诸河选择玛纳斯河和奎屯河2条河流，河西内陆河选择黑河、昌马河和杂木河3条河流。
　　近60年来，塔里木河流域的阿克苏河、叶尔羌河、和田河、开都—孔雀河山区来水量和塔里木河干流阿拉尔站多年平均径流量分别为7

目录
第1章西北内陆区水资源安全状况与评估1
1.1西北内陆区自然状况1
1.1.1西北内陆区自然概况1
1.1.2西北内陆区水资源开发利用存在的问题2
1.2西北内陆区水资源评价4
1.2.1西北内陆区水资源总体评价4
1.2.2西北内陆区水资源演变6
1.3西北内陆区水资源开发利用10
1.3.1水资源开发利用10
1.3.2西北内陆区虚拟水流动12
1.4西北内陆区水资源承载潜力14
1.4.1用水总量承载状况16
1.4.2地下水承载状况18
1.4.3水量要素评价21
1.4.4水质要素评价24
1.4.5综合评价27
1.5西北内陆区水资源安全评估30
参考文献32
第2章变化环境下西北内陆区多尺度水循环过程与模拟34
2.1西北内陆区水循环要素的时空变化特征34
2.1.1降水量和气温34
2.1.2土壤湿度36
2.1.3实际蒸散发量37
2.1.4地表水面积38
2.1.5总水储量38
2.1.6典型流域径流变化39
2.2西北内陆区冰川及其融水径流变化41
2.2.1冰川变化41
2.2.2典型流域冰川融水径流变化43
2.3西北内陆区典型流域多尺度水循环机理47
2.3.1水汽来源研究47
2.3.2地表水与地下水水化学特征48
2.3.3地表水、地下水补给来源53
2.3.4地下水年龄57
2.4西北内陆区水文过程模拟62
2.4.1内陆河流水体提取的遥感模型62
2.4.2蒸散发量估算模型对比与改进67
2.4.3冰川补给型山区流域径流过程模拟69
2.4.4疏勒河径流变化模拟及未来变化模拟73
2.4.5西北主要内陆河未来径流变化预估74
参考文献79
第3章西北内陆区空中水资源开发利用技术82
3.1空中水资源形成、迁移及转化基本理论82
3.1.1空中水资源基本概念及力学描述82
3.1.2空中水资源形成机理85
3.1.3空中水资源富集区识别87
3.1.4空中水资源转化特征分区92
3.2空中水资源开发潜力评估96
3.2.1空中水资源开发潜力评估方法96
3.2.2西北内陆区历史空中水资源开发潜力评估98
3.2.3西北内陆区未来空中水资源开发潜力评估105
3.3空中与地表水资源联合利用模式及关键技术111
3.3.1基于空—地耦合利用的空中水资源开发评估方法111
3.3.2西北内陆区空—地耦合的空中水资源开发评估113
参考文献119
第4章西北内陆区多水源开发利用关键技术121
4.1西北内陆区微咸水开发利用潜力121
4.1.1我国微咸水的分布与特性121
4.1.2西北内陆区微咸水的分布与特性121
4.1.3西北内陆区微咸水开发潜力分析122
4.1.4西北内陆区微咸水高效利用技术124
4.1.5微咸水滴灌棉花对土壤理化性状的影响规律126
4.1.6微咸水滴灌对棉花生理生长的影响133
4.2西北内陆区矿井疏干水开发利用潜力148
4.2.1矿井疏干水的分布与特性148
4.2.2西北内陆区矿井疏干水开发潜力分析与开发利用技术148
4.2.3矿井疏干水试验方法151
4.2.4电絮凝方法去除矿井疏干水中硫酸盐的实验设计152
4.3西北内陆区再生水综合利用技术155
4.3.1西北内陆区再生水利用现状分析155
4.3.2西北内陆区再生水利用潜力评估157
4.3.3西北内陆区再生水利用技术适用性分析161
4.3.4面向生态的西北内陆区再生水综合利用模式169
参考文献180
第5章西北内陆区保水节水技术集成与应用181
5.1水源涵养区水文调蓄功能提升技术181
5.1.1土壤蓄水性能特征181
5.1.2水源涵养量的时空变化规律183
5.1.3主要生态系统水源涵养量时空变化特征183
5.1.4土壤水源涵养组合模式184
5.2山前生态系统水土保持技术186
5.2.1西北内陆区水土流失现状186
5.2.2山前生态系统退耕还林(草)保护技术188
5.2.3山前生态系统水土保持造林优化配置技术190
5.2.4山前地区保水潜力分析198
5.3绿洲灌区库—渠水量高效输配技术199
5.3.1季节冻土区输水渠道防渗抗冻胀技术199
5.3.2典型灌区山区—平原水库群调蓄技术205
5.3.3优化调度调蓄水量分析206
5.3.4水库群优化调度节水量作用分析208
5.4绿洲灌区农田作物高效节水技术209
5.4.1绿洲农田输配水系统节水技术211
5.4.2绿洲农田调盐和控盐技术221
5.4.3高效节水灌溉技术使用条件下农业潜力分析223
5.5绿洲灌区农田防护林节水技术224
5.5.1节水模式下农田防护林体系格局演变特征224
5.5.2绿洲灌区农田防护林抗逆树种水分利用来源229
5.5.3直插式根灌技术231
参考文献232
第6章西北内陆区荒漠绿洲生态保护的水资源调控关键技术234
6.1荒漠绿洲生态恢复技术235
6.1.1强风沙和无灌溉条件下流沙固定技术235
6.1.2退化梭梭群落雨养恢复技术体系237
6.1.**化白刺群落结构优化修复技术237
6.1.4绿洲退耕地植被恢复及生态治理模式238
6.2荒漠绿洲防护林节水技术239
6.2.1防护林体系建设及其存在问题239
6.2.2防护林可持续经营技术240
6.2.3防护林建设主要模式242
6.3荒漠绿洲区群落结构和水分稳定技术244
6.3.1群落结构稳定技术244
6.3.2群落水分稳定技术246
6.4沙地和戈壁造林与河岸林保育技术250
6.4.1沙地和戈壁造林技术250
6.4.2荒漠河岸林保育技术252
6.5荒漠绿洲生态水效益提高与草库伦建设技术255
6.5.1荒漠绿洲生态水效益提高技术255
6.5.2经济—生态型草库伦建设技术256
6.6地表水与地下水联合调控技术258
6.6.1地表水与地下水联合调控新模式258
6.6.2地表水与地下水联合调控机制262
6.7生态稳定的地表水与地下水联合调度264
6.7.1水资源转换特点264
6.7.2中游水文过程分析265
6.7.3联合调度模型266
6.7.4面向生态稳定的地表水与地下水联合调度268
6.8下游地区地表水与地下水联合调控模型274
6.8.1联合调控模型274
6.8.2联合调度方案276
6.8.3渠系水利用系数的*优化组合277
6.9西北内陆区水资源供需平衡分析278
6.9.1生态需水量的估算278
6.9.2耕地需水量的计算279
6.9.3盐碱地生态需水量的计算280
6.9.4湖泊生态环境需水量的计算281
6.9.5西北内陆区河道外总需水量282
6.9.6供水量的估算283
6.9.7水资源平衡格局285
参考文献289
第7章西北内陆区水资源多维协同配置与安全保障291
7.1西北内陆区水资源多维属性特征与关联291
7.1.1水资源—社会经济—生态环境关联特征291
7.1.2西北内陆区水循环与生态系统演变关联293
7.1.3二元水循环与生态系统演变关联量化分析294
7.1.4多维属性关联下水资源系统演变298
7.1.5多维属性关联下社会经济系统演变302
7.2河流水力联系及水资源系统网络308
7.2.1塔里木河河流水力联系308
7.2.2天山北麓诸河河流水力联系309
7.2.3柴达木盆地诸河河流水力联系311
7.2.4青海湖水系水力联系312
7.2.5疏勒河流域水力联系314
7.2.6黑河流域水力联系315
7.2.7石羊河流域水力联系316
7.3非常规水调控技术316
7.3.1微咸水、矿井疏干水、再生水开发利用317
7.3.2西北内陆区可集成多水源利用技术317
7.3.3多水源利用技术集成增加可供水量320
7.4常规水资源节水技术321
7.4.1节水用水技术321
7.4.2种植结构调整321
7.4.3荒漠绿洲生态保护的水资源调控322
7.4.4西北内陆区水资源管理侧安全保障技术322
7.4.5高效节水技术集成326
7.5水资源多维协同优化配置模型构建331
7.5.1水资源配置思路分析331
7.5.2水资源多维协同配置模型系统332
7.5.3控制序参量预测模块334
7.5.4优化配置模块339
7.5.5有序度评价模块351
7.6水资源安全保障框架体系初步构建362
7.6.1水资源安全保障目标363
7.6.2西北内陆区水资源供给侧安全保障技术364
7.6.3西北内陆区调水需求分析365
7.7西北内陆区水资源安全保障分析367
7.7.1西北内陆区水资源治理重要指标367
7.7.2主要河流水系水资源安全保障体系研究369
7.8重点领域水资源安全保障385
7.8.1城乡饮水安全保障385
7.8.2粮食安全保障387
7.8.3城镇供水安全保障388
参考文献389
彩图