任理，1959年6月生于北京，工学博士，中国农业大学资源与环境学院土壤和水科学系教授，博士生导师。曾受聘：中国科学院地理科学与资源研究所客座研究员（2002—2005年）；中国科学院计算数学与科学工程计算研究所科学与工程计算国家重点实验室客座研究员（2002—2004年）；中国科学院陆地水循环及地表过程重点实验室水文水资源研究方向客座研究员（2004—2007年）。曾受邀担任：中国土壤学会土壤物理专业委员会副主任；国家自然科学基金委员会地球科学部与中国地质调查局水文地质环境地质部“中国地下水科学战略研究小组”成员。现受邀担任：中国水利学会水资源专业委员会委员；中国地质学会环境地质专业委员会委员；中国地质学会水文地质专业委员会委员；中国自然资源学会水资源专业委员会委员。目前受聘兼任：南方科技大学环境科学与工程学院访问教授；中国科学院农业水资源重点实验室客座研究员。多年担任《水利学报》和《水文地质工程地质》编委。研究领域：土壤物理学、农业水文学。近年来的主要研究方向：农业水土资源环境可持续利用的模拟与评估。为本科生和研究生讲授的课程有：地下水流数值模拟、土壤水动力学、土壤物理、土壤溶质运移。具体指导并获得学位的硕士生29名、博士生17名。此外，独立指导已于2006年出站的印度博士后1名。曾获：中国农业大学本科教学很好奖励（1998年）；中国农业大学很好硕士论文指导教师（2002年）；中国农业大学很好博士论文指导教师（2004年和2006年）。所指导的博士学位论文曾入选“全国很好博士学位论文提名论文”（2008年）。在国内外学术期刊上发表论文近100篇，出版学术专著1部。

本书是运用土壤和水评价工具（SoilandWaterAssessmentTool，SWAT）这一分布式水文模型对海河流域的河北省太行山山前平原在冬小麦-夏玉米一年两熟制下开展农业水文模拟研究的学术专著，针对该区域由于浅层地下水多年超采所导致的含水层面临疏干的严峻情势，就冬小麦的现状灌溉制度和限水灌溉方案及休耕模式下浅层地下水与轮作周年产量的时空变化特征开展了情景模拟与分析。定量化地探讨了现状灌溉下浅层地下水的可持续利用性、限水灌溉下浅层地下水涵养与粮食减产之间的权衡、浅层地下水采补平衡下考虑非休耕季冬小麦产量很高而推荐的休耕模式对浅层地下水储量变化的影响，此外，还基于浅层地下水采补平衡且冬小麦减产很少进行了同时考虑限水灌溉模式和休耕模式的县域尺度区划，并评估了这种推荐的区划下浅层地下水的压采量与农田节水量。研究结果可为该井灌平原当前所需的兼顾冬小麦适度生产与浅层地下水开采提供科学决策和管理的参考依据。

目录
章 绪论 1
1．1 研究背景和意义 2
1．2 研究进展概述 5
1．2．1 分布式水文模型SWAT 的相关应用研究进展概述 6
1．2．2 限水灌溉和农田休耕的相关应用研究进展概述 8
1．2．3 小结 11
1．3 研究目标和研究内容与技术路线 12
1．3．1 研究目标 12
1．3．2 研究内容与技术路线 12
第2章 材料与方法 19
2．1 研究区概况 20
2．1．1 行政区划 20
2．1．2 农业气候 20
2．1．3 耕地资源与利用 22
2．1．4 水文水资源 26
2．2 SWAT 模型 27
2．2．1 SWAT 模型地下水模块的改进 27
2．2．2 SWAT 模型地下水模块参数的初始化 31
2．2．3 SWAT 模型的输入与构建 35
2．2．4 参数率定与模型验证方法 38
2．3 限水灌溉模式的情景设置及优化方法 39
2．3．1 基于模拟试验的限水灌溉模式的情景设置思路 39
2．3．2 限水灌溉模式的优化方法 40
2．4 休耕模式的情景设置和“水-粮食-能源”关联性的评估指标及优化方法 42
2．4．1 休耕模式的情景设置思路 42
2．4．2 休耕模式下“水-粮食-能源”关联性的评估指标 43
2．4．3 休耕模式的优化方法 50
第3章 参数的率定与模型的验证 53
3．1 地下水模块参数的率定结果 54
3．2 以浅层地下水埋深为目标的率定和验证结果 57
3．3 浅层地下水均衡的验证结果 62
3．4 农田蒸散和作物产量的验证结果 63
3．5 小结 64
第4章 现状灌溉情景的模拟分析与评估 67
4．1 浅层地下水的时间变化特征 68
4．1．1 浅层地下水埋深的时间变化特征 68
4．1．2 浅层含水层储水量的时间变化特征 73
4．2 浅层地下水的空间变化特征 74
4．2．1 浅层地下水埋深的空间变化特征 74
4．2．2 浅层含水层储水量的空间变化特征 78
4．3 浅层地下水资源利用的可持续性 81
4．4 小结 83
第5章 限水灌溉情景的模拟分析与评估 85
5．1 模拟试验结果 86
5．1．1 冬小麦优先灌溉的生育阶段排序 86
5．1．2 冬小麦生育期不同灌水次数下的模拟试验结果 89
5．2 模拟情景分析 90
5．2．1 浅层含水层储水量和浅层地下水埋深 91
5．2．2 土壤水均衡和水管理响应指标 103
5．2．3 作物产量和作物水分生产力 107
5．2．4 浅层地下水压采与农田节水的效应 113
5．3 冬小麦生育期灌溉模式的优化 124
5．3．1 考虑浅层地下水位基本保持平稳下优化的灌溉模式 124
5．3．2 考虑冬小麦可容许减产幅度下优化的灌溉模式 136
5．4 浅层地下水涵养与作物生产的权衡 156
5．5 小结 158
第6章 休耕情景的模拟分析与评估 161
6．1 休耕模式的情景设置 162
6．2 休耕模式的情景模拟与分析 162
6．2．1 浅层含水层储水量动态和浅层地下水位变化 162
6．2．2 土壤水均衡 167
6．2．3 作物产量 169
6．3 不同休耕模式下“水-粮食-能源”的关联性 179
6．4 考虑“水-粮食-能源”关联性的休耕模式优化 199
6．5 小结 211
第7章 结论与讨论 215
7．1 主要结论 216
7．2 讨论 219
7．2．1 研究工作的特色 219
7．2．2 研究工作的局限性 221
参考文献 223
附录 231
致谢 241
图目录
图1．1 SWAT 模型构建及参数率定与模型验证的技术路线图 13
图1．2 现状灌溉情景模拟分析与评估的技术路线图 14
图1．3 限水灌溉情景模拟分析与评估的技术路线图 16
图1．4 休耕情景模拟分析与评估的技术路线图 17
图2．1 河北省太行山山前平原的行政区划 21
图2．2 河北省太行山山前平原1993 ～ 2012 年在冬小麦和夏玉米的生育期及自然年内的平均降水量的空间分布 22
图2．3 河北省太行山山前平原1990 年、1995 年、2000 年、2005 年和2010 年的土地利用类型图 23
图2．4 河北省太行山山前平原1995 年、2000 年、2005 年和2010 年的主要农作物播种面积占农作物总播种面积的比例分布图 24
图2．5 河北省太行山山前平原1980 年（a）和2005 年（b）的耕地资源利用图 25
图2．6 京津以南河北平原浅层地下水一般超采区和严重超采区的空间范围 26
图2．7 SWAT 模型中地下水模块改进和模型构建及率定与验证过程示意图 30
图2．8 SWAT 模拟中的子流域和水文响应单元的空间位置及模型构建、率定和验证所用的多源数据 37
图3．1 浅层含水层给水度的初值和率定后的上下限及最优值在水文响应单元尺度的空间分布 56
图3．2 研究区所涉及的子流域中浅层地下水埋深在率定期（a）和验证期（b）的模拟值与实测值的对比 57
图3．3 研究区所涉及的22 个子流域以浅层地下水埋深为目标在率定期和验证期的统计指标 59
图3．4 研究区所涉及的22 个子流域以浅层地下水埋深为目标的率定结果 60
图3．5 研究区所涉及的22 个子流域以浅层地下水埋深为目标的验证结果 61
图目录
图3．6 以浅层地下水埋深为目标对参数率定前（模拟值a）后（模拟值b）模型模拟的蒸散量及冬小麦和夏玉米产量与相应的实测值的对比 63
图4．1 研究区1993 ～ 2012 年土壤水均衡项和地下水均衡项及浅层地下水埋深变化的模拟结果 68
图4．2 典型水文响应单元内冬小麦生育期在平水期（a）、枯水期（b）和特枯水期（c）的土壤水均衡项与浅层地下水埋深的变化 72
图4．3 典型水文响应单元内夏玉米生育期在平水期（a）、枯水期（b）和特枯水期（c）的土壤水均衡项与浅层地下水埋深的变化 73
图4．4 冬小麦生育期（a）、夏玉米生育期（b）和自然年（c）在不同降水水平下浅层含水层储水量的变化 74
图4．5 浅层地下水位年均下降速度的模拟值在研究区所涉及的子流域尺度（a）和县（市）域尺度（b）的空间分布 75
图4．6 1992 年、1997 年、2002 年、2007 年和2012 年浅层地下水埋深模拟值在研究区所涉及的22 个子流域的空间分布 76
图4．7 1992 年、1997 年、2002 年、2007 年和2012 年浅层地下水埋深模拟值在研究区所涉及的48 个县（市）域的空间分布 77
图4．8 1993 ～ 2012 年浅层地下水埋深特定变化范围内井灌耕地面积不同比例时的浅层含水层储水量变化 78
图4．9 研究区所涉及的各子流域离差标准化的CGWP1（a）和CGWP2（b）的空间分布 82
图4．10 研究区所涉及的各县（市）域离差标准化的CGWP1（a）和CGWP2（b）的空间分布 83
图5．1 在冬小麦不同生育阶段分别灌溉一次的处理下作物产量、浅层地下水位变化和作物地下水生产力的模拟试验结果 88
图5．2 在冬小麦生育期内不同灌水次数的灌溉处理下作物产量、浅层地下水位变化和作物地下水生产力的模拟试验结果 90
图5．3 研究区在基本情景和冬小麦限水灌溉情景下模拟分析时段内土壤水均衡项和浅层地下水均衡项及浅层地下水埋深的动态模拟结果 94
图5．4 研究区在基本情景和冬小麦生育期三种限水灌溉情景中不同降水水平下冬小麦生育期、夏玉米生育期和自然年内的浅层地下水均衡的模拟结果 95
图5．5 研究区所涉及的各子流域在基本情景和冬小麦生育期三种限水灌溉情景下浅层地下水位变化的模拟结果 96
图5．6 研究区所涉及的各县（市）域在基本情景和冬小麦生育期三种限水灌溉情景下浅层地下水位变化的模拟结果 97
图5．7 在基本情景、冬小麦生育期“春浇两水”和“春浇一水”的不同比例时的浅层含水层储水量变化 99
图5．8 对参数GW_DELAY 扰动-50% 前后模拟的浅层地下水位变化和浅层含水层储水量变化的相对误差在不同时间尺度上的分布 102
图5．9 研究区在基本情景和三种限水灌溉情景下冬小麦生育期、夏玉米生育期和自然年内的土壤水均衡 104
图5．10 研究区在基本情景和三种限水灌溉情景下当作物生育期不同降水水平时冬小麦和夏玉米的产量及生育期内农田耗水量和水分生产力的模拟结果 108
图5．11 研究区所涉及的各子流域在三种限水灌溉情景下冬小麦产量与其在基本情景下相比的变化 110
图5．12 研究区所涉及的各县（市）域在三种限水灌溉情景下冬小麦产量与其在基本情景下相比的变化 110
图5．13 研究区所涉及的各子流域在三种限水灌溉情景下冬小麦生育期内农田耗水量与其在基本情景下相比的变化 111
图5．14 研究区所涉及的各县（市）域在三种限水灌溉情景下冬小麦生育期内农田耗水量与其在基本情景下相比的变化 111
图5．15 研究区所涉及的各子流域在三种限水灌溉情景下冬小麦的水分生产力与其在基本情景下相比的变化 112
图5．16 研究区所涉及的各县（市）域在三种限水灌溉情景下冬小麦的水分生产力与其在基本情景下相比的变化 112
图5．17 基于浅层地下水位基本保持平稳约束下优化的研究区所涉及的各子流域内冬小麦生育期的灌溉模式和子流域尺度冬小麦平均减产率的空间分布 126
图5．18 基于浅层地下水位基本保持平稳约束下优化的保定地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和冬小麦平均减产率的空间分布 127
图5．19 基于浅层地下水位基本保持平稳约束下优化的石家庄地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和冬小麦平均减产率的空间分布 129
图5．20 基于浅层地下水位基本保持平稳约束下优化的邢台地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和冬小麦平均减产率的空间分布 130
图5．21 基于浅层地下水位基本保持平稳约束下优化的邯郸地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和冬小麦平均减产率的空间分布 131
图5．22 考虑冬小麦减产幅度不大于30% 约束下优化的研究区所涉层地下水位变化的空间分布 138
图5．23 考虑冬小麦减产幅度不大于20% 约束下优化的研究区所涉及的各子流域内冬小麦生育期的灌溉模式和子流域尺度浅层地下水位变化的空间分布 139
图5．24 考虑冬小麦减产幅度不大于30% 约束下优化的保定地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和浅层地下水位变化的空间分布 140
图5．25 考虑冬小麦减产幅度不大于30% 约束下优化的石家庄地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和浅层地下水位变化的空间分布 141
图5．26 考虑冬小麦减产幅度不大于30% 约束下优化的邢台地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和浅层地下水位变化的空间分布 142
图5．27 考虑冬小麦减产幅度不大于30% 约束下优化的邯郸地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和浅层地下水位变化的空间分布 143
图5．28 考虑冬小麦减产幅度不大于20% 约束下优化的保定地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和浅层地下水位变化的空间分布 145
图5．29 考虑冬小麦减产幅度不大于20% 约束下优化的石家庄地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和浅层地下水位变化的空间分布 146
图5．30 考虑冬小麦减产幅度不大于20% 约束下优化的邢台地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和浅层地下水位变化的空间分布 147
图5．31 考虑冬小麦减产幅度不大于20% 约束下优化的邯郸地区在研究区内的各县（市）域冬小麦生育期的灌溉模式和浅层地下水位变化的空间分布 148
图5．32 冬小麦生育期的三种限水灌溉方案和三种优化灌溉模式下浅层地下水涵养与作物生产之间的权衡 157
图6．1 基本情景和所设计的冬小麦季六种休耕情景在模拟分析时段内的种植和灌溉的方案 163
图6．2 模拟分析时段内研究区的基本情景和不同休耕情景下浅层含水层的平均储水量在冬小麦和夏玉米生育期内的变化 165
图6．3 研究区所涉及的22 个子流域在基本情景和不同休耕情景下的浅层地下水位年均变化速度 166
图6．4 研究区所涉及的48 个县（市）域在基本情景和不同休耕情景下的浅层地下水位年均变化速度 167
图6．5 10 个冬小麦休耕季（a）、10 个冬小麦非休耕季（b）、10 个冬小麦休耕季后的夏玉米季（c）、10 个冬小麦非休耕季后的夏玉米季（d）的作物根系带2 m 土体的水均衡 168
图6．6 模拟分析时段内研究区在基本情景和休耕情景下作物根系带2 m土体的水均衡动态 170
图6．7 研究区所涉及的各子流域在隔年休耕情景下10 个非休耕季的冬小麦平均产量 172
图6．8 研究区所涉及的各县（市）域在隔年休耕情景下10 个非休耕季的冬小麦平均产量 173
图6．9 模拟分析时段内研究区在基本情景和休耕情景下相应于不同降水水平的冬小麦和夏玉米的平均产量 174
图6．10 模拟分析时段内冬小麦季不同休耕模式下研究区所涉及的各子流域中夏玉米的雨养与现状灌溉制度相比的年均减产量 175
图6．11 模拟分析时段内冬小麦季不同休耕模式下研究区所涉及的各县（市）域中夏玉米的雨养与现状灌溉制度相比的年均减产量 176
图6．12 研究区所涉及的各子流域在冬小麦季隔年休耕情景下20 年内夏玉米的平均产量 177
图6．13 研究区所涉及的各县（市）域在冬小麦季隔年休耕情景下20 年内夏玉米的平均产量 178
图6．14 大清河淀西平原所涉及的10 个子流域在研究区内不同休耕情景下表征“水-粮食-能源”关联性的6 个评估指标的计算结果 182
图6．15 子牙河平原所涉及的12 个子流域在研究区内不同休耕情景下表征“水-粮食-能源”关联性的6 个评估指标的计算结果 184
图6．16 研究区所涉及的22 个子流域在不同休耕情景下表征“水-粮食-能源”关联性的4 个评估指标的计算结果 185
图6．17 在不同休耕情景下表征“水-粮食-能源”关联性的9 个评估指标在研究区尺度的计算结果 186
图6．18 以浅层地下水实现“采补平衡”且水分生产力和能源生产力均较现状模式有所提高为约束、以冬小麦年均产量最高为目标而优化的休耕模式在研究区所涉及的子流域尺度上的空间分布 201
图6．19 以浅层地下水实现“采补平衡”且水分生产力和能源生产力均较现状模式有所提高为约束、以冬小麦年均产量最高为目标而优化的休耕模式在研究区所涉及的保定地区县（市）域尺度上的空间分布 202
图6．20 在研究区所涉及的保定地区优化的不同休耕模式的井灌耕地面积比例及在各县（市）域的地下水压采量、冬小麦减产量和节省的能源消耗成本 204
图6．21 以浅层地下水实现“采补平衡”且水分生产力和能源生产力均较现状模式有所提高为约束、以冬小麦年均产量最高为目标而优化的休耕模式在研究区所涉及的石家庄地区县（市）域尺度上的空间分布 205
图6．22 在研究区所涉及的石家庄地区优化的不同休耕模式的井灌耕地面积比例及在各县（市）域的地下水压采量、冬小麦减产量和节省的能源消耗成本 206
图6．23 以浅层地下水实现“采补平衡”且水分生产力和能源生产力均较现状模式有所提高为约束、以冬小麦年均产量最高为目标而优化的休耕模式在研究区所涉及的邢台地区县（市）域尺度上的空间分布 207
图6．24 在研究区所涉及的邢台地区优化的不同休耕模式的井灌耕地面积比例及在各县（市）域的地下水压采量、冬小麦减产量和节省的能源消耗成本 208
图6．25 以浅层地下水实现“采补平衡”且水分生产力和能源生产力均较现状模式有所提高为约束、以冬小麦年均产量最高为目标而优化的休耕模式在研究区所涉及的邯郸地区县（市）域尺度上的空间分布 209
图6．26 在研究区所涉及的邯郸地区优化的不同休耕模式的井灌耕地面积比例及在各县（市）域的地下水压采量、冬小麦减产量和节省的能源消耗成本 210
表目录
表2．1 河北省太行山山前平原不同时期土地利用类型表 23
表2．2 河北省太行山山前平原不同时期土地利用类型变化表 23
表2．3 SWAT 模型中地下水模块参数初始化的方法、数据来源、空间尺度和初值范围 34
表2．4 模型构建中所用的自然地理信息和气象及农业管理措施数据 35
表2．5 0-1 规划的变量设置 41
表2．6 冬小麦季休耕模式下“水-粮食-能源”关联性的评估指标 46
表3．1 以浅层地下水埋深为目标率定的参数在研究区所涉及的两个水资源三级区的变化范围和最优值 54
表3．2 研究区浅层地下水均衡项的模拟结果与地下水资源评价结果的对比 63
表4．1 1993 ～ 2012 年在不同降水水平下冬小麦生育期内浅层地下水均衡项及地下水埋深变化 70
表4．2 1993 ～ 2012 年在不同降水水平下夏玉米生育期内浅层地下水均衡项及地下水埋深变化 70
表4．3 冬小麦生育期和夏玉米生育期及自然年在不同降水水平下研究区所涉及的各县（市）域浅层含水层储水量变化 79
表5．1 冬小麦生育期限水灌溉方案的情景设置 91
表5．2 在基本情景和冬小麦生育期三种限水灌溉情景下水管理响应指标的计算结果 106
表5．3 研究区在冬小麦生育期不同降水水平下三种限水灌溉情景中的产量、耗水量和水分生产力的模拟结果及其相对于基本情景的变化 109
表5．4 在研究区所涉及的水资源三级区尺度上冬小麦生育期三种限水灌溉方案对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响 114
表5．5 在研究区所涉及的县（市）域尺度上冬小麦生育期“春浇两水”方案对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响 115
表5．6 在研究区所涉及的县（市）域尺度上冬小麦生育期“春浇一水”方案对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响 118
表5．7 在研究区所涉及的县（市）域尺度上冬小麦生育期“雨养”方案对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响 121
表5．8 本节所用0？1 规划的变量设置 124
表5．9 浅层地下水位基本保持平稳的约束下而优化的冬小麦生育期灌溉模式对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响在研究区所涉及的水资源三级区尺度上的计算结果 132
表5．10 浅层地下水位基本保持平稳的约束下而优化的冬小麦生育期灌溉模式对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 133
表5．11 考虑冬小麦减产幅度的约束下而优化的冬小麦生育期灌溉模式对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响在研究区所涉及的水资源三级区尺度上的计算结果 149
表5．12 考虑冬小麦减产幅度不大于30% 约束而优化的冬小麦生育期灌溉模式对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 150
表5．13 考虑冬小麦减产幅度不大于20% 约束而优化的冬小麦生育期灌溉模式对浅层地下水压采和农田节水的效应及其对产量和水分生产力的影响在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 153
表6．1 模拟分析时段内研究区在不同休耕模式下冬小麦非休耕季的产量及其变化 171
表6．2 模拟分析时段内研究区在不同休耕模式下的夏玉米产量及其变化 179
表6．3 不同休耕情景下表征“水-粮食-能源”关联性的7 个评估指标在研究区所涉及的水资源三级区尺度上的计算结果 187
表6．4 情景F1 下表征“水-粮食-能源”关联性的7 个评估指标在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 187
表6．5 情景F2 下表征“水-粮食-能源”关联性的7 个评估指标在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 189
表6．6 情景F3 下表征“水-粮食-能源”关联性的7 个评估指标在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 191
表6．7 情景F4 下表征“水-粮食-能源”关联性的7 个评估指标在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 193
表6．8 情景F5 下表征“水-粮食-能源”关联性的7 个评估指标在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 195
表6．9 情景F6 下表征“水-粮食-能源”关联性的7 个评估指标在研究区所涉及的县（市）域尺度上的计算结果 197
附表 研究区所涉及的县（市）域尺度上优化的灌溉模式和优化的休耕模式 232