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摘要
确保安全供水、可持续粮食生产和节约能源的挑战使农业流域水-粮-能关系的定量分析成为一个非常重要的问题。目前，考虑到地表水和地下水的联合管理，对农业流域WFEN之间复杂的相互作用的理解有限。基于WEAP- MODFLOW，提出了考虑节水灌溉和干旱等多种情景下农业流域WEFN相互作用的定量分析框架。结果表明，该框架能够敏感地捕捉到现有的权衡和协同效应，以确定可能的综合措施，确保农业流域特别是干旱条件下安全获得水、粮食和能源。这也可以为管理者和政策制定者提供有价值的帮助，以超越部门的思维来提高WFE部门在不断变化的环境下的弹性。研究结果表明，由于地表水供应有限，干旱的影响导致地表水灌溉减少，导致地下水开采量增加了一倍以上，可能对地下水的可持续利用构成危机，并且抽水能源消耗增加了47%。综合治理措施实施后，粮食产量比干旱条件下提高6%，地下水位比干旱条件下恢复0.48 m，能耗比单纯节水灌溉降低3%。不同情景下的可持续性指数结果也反映出综合措施管理在干旱影响下具有较高的可持续性(SI=0.13)。
研究目的
(1)开发和测试一个综合框架，通过对WEAP-MODFLOW的集成建模，对农业流域复杂的WFEN进行定量分析。
(2)基于建模结果，评估不同需求侧管理措施和干旱情景下灌溉、粮食生产和能源需求之间的权衡和协同效应。
(3)分析干旱和灌溉技术变化影响下地下水补给的不确定波动，为地下水的可持续高效管理提供建议。
(4)最终目标是定量计算农业流域可持续性指数、地下水灌溉比和生态需水量等控制性关联指标。
01
研究案例
文章的研究案例是一个中等大小的盆地，面积为72.5平方公里。流域属半干旱气候，年平均降水量650毫米。由上、中、西、东、下五个水文地质带组成(图1)。该地区的主要水源是地表径流，地下水占一小部分。地下水主要有浅层潜水和深层承压水两种类型，其流向均为上部的泉水。有三条河，美因河和它的两条支流。泉水是美因河的源头，月平均流量约32万立方米。
图1 研究案例中的河流和水文地质带
图2 农业流域WFE关系的复杂相互作用
在该流域，作物灌溉占总需水量的很大比例。农作物用地总面积约为18558公顷，其中粮食作物占49%，经济作物占30%，能源作物占21%(图3)。
图3 所有集水区的土地利用和种植模式
02
WEAP-MODFLOW耦合模型
WEAP由斯德哥尔摩环境研究所于1988年开发，旨在整合水资源管理和规划。它可以表示不同的水需求(如灌溉和城市)，供水来源(如地表水和地下水)，以及基于日，月或年时间步骤的要素(如河流，运河和井)之间的相关联系。MODFLOW是美国地质调查局(USGS)开发的三维有限差分地下水模拟平台。在MODFLOW中，可以模拟不规则区域的稳定和瞬态流动，其中含水层可能是承压和非承压含水层的组合。与MODFLOW的动态联系将允许对地下水位、补给和储水量进行时空预测，这在干旱和半干旱地区尤为重要。
WEAP-MODFLOW耦合是通过查找表(链接形状文件)实现的，该表格作为GIS形状文件提供，可以将MODFLOW网格单元映射到WEAP空间元素，如GW(地下水)节点、集水区和需求节点以及河流元素。在本研究中，链接形状文件的参数化和设置使用LinkKitchen完成，LinkKitchen可以为WEAP与MODFLOW之间的联动文件的生成和归属提供功能和辅助。
图4 WEFN的定量分析框架
图5 WEAP-MODFLOW中研究案例和模型要素的概念化
数据集
表1 模型的主要输入数据
考虑干旱和灌溉管理变化，将耦合模型应用于5种特定情景下(表2)并进行关联分析。
03
研究结果及讨论
1.BAU情景
图6 三种情景下代表网格的地下水位波动
受降水、实际蒸散发和可供应资源等因素的影响，农业部门在降水较多的年份(2002)需较少的水，降水相对较少的年份(2001)灌溉需求增加。在BAU，WSI和干旱情景下，模拟期结束时所有含水层的地下水位下降。
2. 节水灌溉（WSI）和干旱情景
1）WSI情景中的灌溉需水由于灌溉效率的提高，显示出明显的下降趋势，其中地下水利用明显减少，地下水位也有上升的趋势。
2）在干旱情景下，月平均灌溉需水量明显上升；WSI情景下，GW供应量占灌溉需求的百分比下降到17.5%，但在干旱情景下大幅上升到28.1%。
三种情景下的能源需求预测表明，WSI的能源需求最高，但是其抽水消耗百分比是最低的。干旱情景下，地下水抽取消耗能源最大，接近WSI的两倍。
3. 综合措施情景分析
4. 关联分析
1）BAU和WSI情景下粮食生产结果相似；干旱情景下的作物年产量略有下降；考虑灌溉效率的提高和种植模式的变化，S2情景总粮食产量相对较高。
2）先进的节水灌溉技术可以减少粮食生产的用水量，帮助维持必要的河流生态流动和地下水补给和提取之间的正平衡，这对于可持续地下水管理和河流生态系统是可取的。
3）在S1和S2情景下发现：生态流量指标值相对较高，地下水供应值较低。
4）S1与S2情景相比，节水灌溉技术对能耗缓解的影响相对较小，节水灌溉技术和改变种植模式的综合措施在干旱条件下对缓解水和能源短缺更有效。
各情景下的可持续性指数(SI)。BAU情景SI为0；WSI情景中由于加压灌溉的水由SW和GW提供，对能源需求的压力导致SI为0.61，较低但为正；由于干旱的影响，更多的开采水资源和危及含水层水的安全产量和生态基础流量导致SI为负(-0.97)；干旱条件下，综合节水灌溉技术和种植模式的变化，SI大于干旱情景(S1情景为0.08，S2情景为0.13)。
04
结论
研究提出基于WEAP-MODFLOW模型的框架，定量分析了节水技术和农业流域干旱影响的WEFN中复杂的相互作用，量化和评估了纽带关系中的组成部分和指标(例如，灌溉用水量，供水量、累积地下水补给和供水中包含的能源消耗)，以应对水的可用性、水的需求和供应、能源消耗和粮食生产的可能变化。研究结果表明，节水灌溉和干旱对农业流域水资源利用关系的影响是复杂的。
1、节水技术可以提高灌溉用水效率，但节水技术也是高能耗的，可能会对能源部门造成威胁，特别是在水电占比较高的地区。
2、对于农业管理部门来说，受干旱影响，地表水灌溉量更有可能减少，导致地下水的开采和利用增加。一方面应及时出台政策，提倡节约用水，在农田灌溉中引入新的灌溉方法和技术，提高灌溉水的利用率；另一方面，在可能的条件下，可以改进种植方式，最大限度地分配灌溉用水。
3、水资源管理要实行地表水和地下水联合管理，确保供水安全。一方面体现在最大限度地减少农业生产过程中的供需矛盾，缓解水资源短缺的发生。另一方面体现在对地下水开采的控制上，保证开采不会造成地下水水位严重下降，造成地下水漏斗的发生，井泵举升的发生。
05
局限性
1、在实际问题中，仔细校准耦合的WEAP-MODFLOW模型，以更好地约束和验证参数。与单独使用一个数据源相比，用两个数据源(例如GW水平和河流流量)通过多目标校准算法进行进一步校准，可以获得更好和准确的验证。
2、可以采用能源部门的模型分别表示能源成分，并与水文模型相结合，揭示关系之间的相互作用。例如，低排放分析平台(LEAP)模型可以与WEAP-MODFLOW模型相结合，以探索能源-水和能源-食物的相互作用，特别是评估可用作生物燃料的作物的能源消耗和生产。
