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中国西北干旱区，在气候变化和人类活动的共同影响下，水循环规律发生显著变化，并引发了一系列资源、环境和生态问题，成为流域可持续发展的重要制约因素；石羊河流域正是一个由于水资源开发利用不当而引发生态环境危机的典型地区。本文结合国家自然科学基金项目“变化环境下跨流域分布式水循环模拟及其不确定性量化研究”(40730632)、中国科学院学部咨询项目“我国水资源问题研究”第四课题“北方重点地区水资源承载力与节水型社会对策研究”、国家科技支撑计划项目“民勤沙漠化防治与生态修复技术集成试验示范研究”(2007BAD46B08)、国家科技支撑计划项目“甘肃干旱内陆区特色经济作物节水综合技术研究与示范”(2007BAD88B07)、中国科学技术协会咨询项目“我国西部沙产业发展对策研究”等课题，以石羊河流域为例，围绕水资源管理问题开展研究。主要结论有：
(1)气候变化和人类活动共同影响下的水循环研究，是国际国内水文水资源界的研究热点和难点。以夏军提出的分布式时变增益模型(DTVGM)为基础，建立了石羊河流域分布式时变增益水文模型，对石羊河流域上游的水循环机理进行了研究。从所选择的两个典型流域的降雨径流模拟结果分析，无论是在率定期还是验证期，模拟与实测径流相关系数都在0.78以上，效率系数在0.50以上；水量平衡系数均在±10％以内，由于受资料条件的限制，未考虑冰川融雪对径流的影响，但各条支流所模拟的径流过程已能够体现石羊河流域中上游地区的降水径流特征。变化环境下石羊河流域水循环格局变化与生态演变的分析结果表明，石羊河流域历史时期的环境演变，主要是大尺度气候变化等自然因素主导的，现代则是水资源严重不足与人类不合理活动共同影响的。
(2)受到水分条件的强烈制约，石羊河流域下游绿洲生态系统十分脆弱，沙漠化形势严峻。在充分考虑石羊河流域水资源、生态系统现状和区域社会经济发展要求的基础上，确定并量化流域生态保护目标，结合干旱区生态恢复、灌溉技术等最新的科技发展，在建立节水型生态系统、实施生态改良系统工程的基础上，提出基于流域生态修复的生态需水量分析方法，计算了流域生态需水量，结果表明，石羊河流域生态需水总量为7.6×108m3，但现状石羊河流域生态用水严重不足，尤其是下游民勤绿洲，远没有达到维持绿洲稳定的生态需水量。
(3)石羊河流域是资源性缺水地区，必须实施科学、合理的水资源配置，以水资源的可持续利用支撑经济社会的可持续发展和生态、环境的良性循环。提出了基于ET管理与结构调整的石羊河流域水资源配置方案和管理体系设计，并进行了配置效果和合理性分析，这个方案是在水资源总量严重不足背景情况下协调流域上中下游和行业之间用水的配置方案，体现了高强度节水，但水资源调度在挖掘了当地水资源潜力和当前外调水潜力的情况下，仅能维持全流域生活、工业、部分生态需水和部分农业需水；为抢救下游生态，中游还需维持不超过现状水平年的地下水超采量，这将是流域可持续发展的隐患。因此，从长远和根本计，为保证全流域生态环境的恢复和社会经济健康良性发展，根据国家水战略总体布局，提出了基于流域生态安全和跨流域调水的水资源合理配置方案。同时提出了水资源配置控制指标体系，对于流域节水和产业结构调整具有重要的导向意义，可作为实际工作中领导干部绩效考核指标体系的依据和参考。
(4)在分析石羊河流域水资源转化关系的基础上，研究了流域尺度节水潜力，结果表明，现状灌溉面积下流域尺度的节水潜力为3.57×108m3，规划期末灌溉面积下流域尺度的节水潜力为2.4×108m3。研究了地表水严重缺乏、地下水持续超采的民勤绿洲的地下水优化开采问题。针对其超采则生态恶化、平衡则生产滑坡的两难处境，提出了兼顾生存与发展、开发与保护要求的地下水开采的“折衷”思路，并通过建立数学模型、运用优化技术进行了定量分析，得到了具有可操作性的优化开采量。本文结合研究区域的实际，提出了一种适合于地下水持续超采且缺乏长系列观测资料地区的地表水与地下水联合优化调度方法。其要点是根据地下水主要源于地表水入渗的实际，以地表水在各子区的分配和地下水允许开采量为依据，在总体超采条件下寻求相对平衡的地下水开采量。
(5)提出了水资源承载力(WRCC)的概念，突出强调了自然与人文复合水资源系统(NHCWS)和人口当量，有助于科学认识WRCC，具有决策参考的方便性与民众理解的直观性。构建了以人口当量为单一表征指标的WRCC计算方法，虽然计算繁杂，但考虑因素全面、信息量大，有利于深入分析。石羊河流域WRCC分析表明，现状的水资源已经严重超载，超载人口为82.4万人，超载率达到1.58。多目标情景分析结果表明，石羊河流域的超载问题通过单纯的节水将无法解决，采取包括节水、跨流域调水、产业结构大调整等综合措施，才能从根本上提高其水资源超载力，从而为流域的可持续发展和生态保护提供水资源支撑，基本可实现经济发展、生态良好的目标。
(6)石羊河流域由于以水为核心的生态环境问题的特殊性、重要性和紧迫性，要求采取快速、高效、强有力的对策进行生态抢救和综合治理；提出了基于建立节水型生态特区的石羊河流域综合治理的战略对策，建议从转变经济增长方式和用水方式入手，综合运用科技、经济、行政、法律等措施，实施生态产业革命，促进下游绿洲的生态恢复和全流域的可持续发展。并讨论了与之紧密相关的一些重大问题。