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作者邵东国等
出版社科学出版社
ISBN9787030637017
出版时间2020-11
装帧平装
开本16开
定价198元
货号29166185
上书时间2024-10-26
《灌区水转化机制与用水效率评估方法》围绕灌区水转化机制与用水效率评估方法,以我国南方典型丘陵平原过渡带一湖北漳河水库灌区为背景,以灌区自然环境与农业生产变化为条件,以农田水势、沟渠水位、灌排水量之间的转化关系为主线,釆用实地查勘、灌排试验、区域监测、理论分析、模型构建、数值模拟、统计归纳等相结合的研究方法,揭示了变化环境下灌区水转化过程及效应,提出不同尺度农业用水效率定量表征及提升方法,建立了多水源调配-渠系输配水-作物耗水多尺度协同高效用水机制与调控模式,丰富和发展了农业水资源高效利用理论与方法,为灌区现代化建设与管理提供了科学依据。
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 研究背景与意义 1
1.2 国内外研究发展动态 2
1.2.1 土壤水分与作物产量关系 2
1.2.2 灌区水转化过程及模拟 3
1.2.3 灌区水资源合理配置 4
1.2.4 灌溉用水效率评价 6
1.2.5 水分生产率的尺度效应 7
1.3 灌区水转化机制与用水效率评估技术体系 8
1.3.1 研究内容 8
1.3.2 研究方案与技术路线 9
1.3.3 主要成果与结论 12
第2章 漳河水库灌区降雨时空分布及干旱特性 14
2.1 灌区概况 14
2.1.1 灌区自然环境 14
2.1.2 灌区社会经济 15
2.1.3 灌区工程情况 16
2.1.4 灌区用水管理 18
2.2 灌区水资源非一致性分析 18
2.2.1 基于变异诊断系统的水文序列变异识别 18
2.2.2 基于GAMLSS模型的水文序列变异识别 21
2.2.3 漳河水库灌区水资源非一致性分析 28
2.3 灌区干旱特性分析 41
2.3.1 干旱指标选取及干旱频率分析 41
2.3.2 干旱指标适用性比较及干旱特征分析 43
2.4 本章小结 45
第3章 稻田土壤水分运动试验与模拟 47
3.1 稻田不同灌溉方式下土壤水分模拟 47
3.1.1 试验方法及模型建立 47
3.1.2 监测和模拟结果分析 50
3.2 稻田不同水管理组合下土壤水渗漏分析 58
3.2.1 试验方法及模型建立 58
3.2.2 模拟情景设置 60
3.2.3 数据分析 61
3.2.4 结果分析 61
3.3 考虑侧渗的多层土壤结构水平和垂向渗流特征试验与模拟 69
3.3.1 试验方案 69
3.3.2 模型建立 70
3.3.3 模型验证 71
3.3.4 结果分析 73
3.4 多层土壤水肥迁移转化参数测试装置及方法 78
3.4.1 测试装置 78
3.4.2 测试方法 79
3.4.3 实例验证 80
3.4.4 结果分析 82
3.5 本章小结 87
第4章 水稻控势灌溉及其产量环境效应 90
4.1 水稻控势灌溉试验与模型 90
4.1.1 旱作水稻田间试验布置 90
4.1.2 水稻产量响应规律分析 92
4.1.3 水分生产函数模型 97
4.2 基于AquaCrop模型的旱作水稻生产力模拟 100
4.2.1 模型简介 100
4.2.2 模型运动过程 106
4.3 生物多样性条件下田间需水量 111
4.3.1 农田土壤动物生物量调查 111
4.3.2 数据统计与处理 111
4.3.3 农田土壤动物群落对不同灌排处理的响应 112
4.3.4 农田土壤动物群落对环境因子的响应 115
4.3.5 考虑生物多样性的田间需水量阈值 117
4.4 本章小结 117
第5章 不同尺度水平衡监测及灌溉水利用系数分析 119
5.1 区域水平衡监测 119
5.1.1 试验区概况 119
5.1.2 水平衡动态监测试验 121
5.1.3 试验数据处理 122
5.1.4 试验结果分析 124
5.2 基于系统动力学的稻田塘堰系统水转化模拟 127
5.2.1 稻田塘堰系统水转化系统动力学模型 127
5.2.2 模型应用 129
5.2.3 模型验证及结果分析 131
5.3 长藤结瓜灌区灌溉水利用系数分析 134
5.3.1 田间水有效利用系数分析 134
5.3.2 渠系水利用系数分析 136
5.3.3 灌溉水有效利用系数分析 156
5.4 本章小结 169
第6章 灌区多水源水量调配机制 172
6.1 基于随机降雨模拟的塘堰优化运行规则 172
6.1.1 模型与方法 172
6.1.2 模型应用 174
6.1.3 结果分析 176
6.2 水库-塘堰联合供水模式水量分配计算方法 179
6.2.1 Copula函数理论简介 179
6.2.2 水库-塘堰联合供水组合模式的数学表达 181
6.2.3 应用研究 183
6.2.4 成果分析 187
6.3 水库-塘堰联合供水模式失效风险计算方法 189
6.3.1 水库-塘堰联合供水模式失效的数学表述 189
6.3.2 基于预测精度的Copula函数优选 190
6.3.3 应用研究 192
6.4 基于粒子群-人工蜂群算法的渠-塘-田优化调配耦合模型 196
6.4.1 优化调配耦合模型的构建 196
6.4.2 优化调配耦合模型求解 199
6.4.3 模型应用 201
6.4.4 结果分析 203
6.5 本章小结 204
第7章 灌区水资源高效利用调控模型 206
7.1 不确定条件下作物不同生育期间水量优化分配模型 206
7.1.1 研究方法 20'
7.1.2 实例研究 210
7.1.3 结果分析 213
7.2 变化条件下灌区水资源季节间不确定分配模型 220
7.2.1 研究方法 220
7.2.2 实例研究 224
7.2.3 结果分析 229
7.2.4 讨论 236
7.3 基于供求关系和生产函数的灌区水量使用权交易模型 238
7.3.1水量使用权交易模型 238
7.3.2 水量使用权交易计算结果分析 242
7.4 本章小结 247
第8章 灌溉用水效率评价及其考核指标 249
8.1 基于仿C-D函数的农业用水影响因子识别方法 249
8.1.1 理论基础与指标选取 249
8.1.2 面板数据模型检验与选择 252
8.1.3 农业用水影响因素分析 254
8.2 农业用水效率测算及其影响因子分析 256
8.2.1 农业用水效率测算分析方法 256
8.2.2 农业用水效率测算结果分析 267
8.2.3 农业用水效率影响因素分析 284
8.2.4 农业用水效率与灌区规模分析 286
8.3 灌溉用水效率考核指标及计算方法 287
8.3.1 农业用水效率评价指标研究现状 287
8.3.2 万亩灌溉取水量的计算方法 288
8.3.3 模型应用 290
8.4 灌溉用水效率综合评价方法 292
8.4.1 灌溉用水效率评价指标体系 292
8.4.2 灌溉用水效率评价循环修正方法 293
8.4.3 灌溉用水效率评价PCA-Copula方法 296
8.4.4 应用研究 297
8.4.5 结果分析 298
8.5 本章小结 304
第9章 灌区水分生产率尺度效应及转换 306
9.1 水分生产率尺度效应与评价指标 306
9.1.1 水分生产率尺度效应因素 306
9.1.2水分生产率评价指标 309
9.2 漳河水库灌区不同尺度水分生产率变化规律 312
9.2.1 研究区简介 312
9.2.2 水稻田间尺度水分生产率 313
9.2.3 中等尺度水分生产率 320
9.2.4 干渠及灌区尺度水分生产率 322
9.2.5 水分生产率影响因素分析 330
9.3 区域水分生产率的空间尺度转换 334
9.3.1 尺度转换的定义及方法 334
9.3.2 Kriging插值法基本理论 336
9.3.3 田间到区域的水分生产率尺度转换 339
9.4 本章小结 346
参考文献 348
附图 357
《灌区水转化机制与用水效率评估方法》围绕灌区水转化机制与用水效率评估方法,以我国南方典型丘陵平原过渡带一湖北漳河水库灌区为背景,以灌区自然环境与农业生产变化为条件,以农田水势、沟渠水位、灌排水量之间的转化关系为主线,釆用实地查勘、灌排试验、区域监测、理论分析、模型构建、数值模拟、统计归纳等相结合的研究方法,揭示了变化环境下灌区水转化过程及效应,提出不同尺度农业用水效率定量表征及提升方法,建立了多水源调配-渠系输配水-作物耗水多尺度协同高效用水机制与调控模式,丰富和发展了农业水资源高效利用理论与方法,为灌区现代化建设与管理提供了科学依据。
灌区,水资源管理,研究,中国
第1章绪论
1.1研究背景与意义
国以农为本,民以食为天。粮食是人类生存与发展的基础,是国民经济发展、社会稳定的重要物质保证。联合国粮食及农业组织发布的《2017年世界粮食安全和营养状况》中指出,全球粮食产量足以满足所有人口的需求,但仍有8.15亿人处于饥饿状态。全世界面临的**挑战之一是如何确保越来越庞大的人口(预计将于2050年达到100亿)拥有足够的粮食满足营养需求。要在2050年时满足另外20多亿人口对粮食的需求,全球粮食产量将需要增加50%。中国作为世界上人口*多的发展中国家,其粮食安全状况不仅影响着自身发展,而且具有广泛的世界效应。2004年以来,中国粮食实现“十二连增”,特别是2012年以来,粮食产量连续4年超过6亿t。据《国家人口发展规划(2016—2030年)》预测,2030年全国总人口达到14.5亿左右,粮食总量需求将达峰值。如何保障中国的粮食安全,成为关系国计民生的重大。
水利是现代农业发展的基础,是保障粮食安全的重要支撑力。我国是农业灌溉大国,根据水利部和国家统计局发布的《**次全国水利普查公报》,全国共有大型灌区456处,总灌溉面积1867万hm2,其中,设计灌溉面积2万~3.33万hm2的大型灌区占全国大型灌区灌溉面积的31%;设计灌溉面积3.33万~10万hm2的大型灌区占全国大型灌区灌溉面积的33%;设计灌溉面积10万hm2以上的大型灌区占全国大型灌区灌溉面积的36%。全国共有中型灌区7316处,总灌溉面积1487万hm2。全国共有3.33~667hm2的小型灌区205.82万处,总灌溉面积2280万hm2。灌区在占全国一半耕地的有效灌溉面积上生产了全国75%的粮食和90%以上的经济作物。我国以占全球约6%的淡水资源和9%的耕地,解决了全球1/5人口的吃饭问题。随着国家节水型社会建设的深人推进,产业结构和农业种植结构的调整以及节水灌溉技术的普及推广,农田灌溉水有效利用系数已提高到0.542,粮食亩均产量已提高到363.5kg。但是随着我国城镇化进程持续快速推进,粮食需求刚性增长,水资源日益紧张,确保国家粮食安全与农业可供水量短缺矛盾日益尖锐。《全国农业可持续发展规划(2015—2030年)》中明确提出要确立水资源开发利用控制红线,到2020年和2030年全国农业灌溉用水量分别保持在3720亿m3和3730亿m3;确立用水效率控制红线,到2020年和2030年农田灌溉水有效利用系数分别达到0.55和0.6以上。未来20年是中国社会经济提质增效、转型升级的重要时期,明晰粮食生产中不同尺度的水转化规律与消耗机理,通过科技进步与管理改革提高水的利用效率,是保障农业可持续发展与粮食安全的根本途径。
灌区水资源高效利用是一个复杂的系统工程,涉及作物水分利用、灌排控制、水源调蓄等多个过程与物理、化学、生物、农艺等多因素的协同作用。随着灌区节水改造、土地平整等工程建设的进行,地块、田埂、沟渠、塘堰等自然条件与土地耕作、作物种植、灌溉排水等人工条件发生很大变化,导致土壤结构、入渗补给、蒸散发以及产汇流等要素均发生改变,灌区水资源高效利用的影响因素及相互作用关系更加复杂。如何科学描述灌区复杂条件下的水转化过程,评估灌区水转化效率,**限度地减少供、用、耗、排中的无效水量损耗,提高降水、土壤水、地表水、地下水利用效率,满足农业生产对水资源的需求,成为国际农业水利领域的前沿热点问题。
本书针对我国南方典型丘陵平原灌区的自然环境与生产特点,通过不同尺度水转化过程及用水效率监测、调控试验和模拟,研究大田作物与灌区不同尺度水转化机制及效应机理、不同尺度农业用水效率定量表征及提升方法和水资源高效利用综合调控模式及效应。构建灌区水转化及多尺度多过程耦合模拟模型,揭示灌区条件变化下的水转化与用水效率时空特征及其尺度转换关系,发展农业用水效率多过程统一定量表征与多因素协同提升方法,不同自然环境条件下灌区多尺度协同高效用水机制及调控模式。对发展水资源高效利用理论与方法,促进水资源均衡配置与可持续利用,建立*严格水资源管理制度,解决我国农业用水效率低与干旱缺水等问题,保障水与粮食安全,具有重要理论意义与广泛应用前景。
1.2国内外研究发展动态
1.2.1土壤水分与作物产量关系
土壤水分状况是影响作物生长与产量的主要因子,直接影响灌排调控及水分利用效率。为揭示不同地域土壤水分运动与作物产量形成规律,国内外建立了许多灌排试验站,对土壤水运动及作物生长等开展了大量观测试验研究。费宇红等(2012)提出了解决“四水”转化中参数不确定性等问题的零通量面法。雷志栋等(1988)建立了饱和-非饱和土壤水运动理论。基于“水分的自发流向总是由高水势流向低水势,水流通量与水势梯度成正比,与水流阻力成反比”等原理,康绍忠等(1994)建立了土壤-植物-大气连续体(SPAC)水分传输理论。Kirkham等(1992)和郭庆荣等(1995)通过试验研究了不同灌排方式下土水势对春玉米、水稻等作物生理生态及产量的影响。Andraski等(2000)通过研究发现了温度对土水势的正效应;陆建飞等(1998)研究了持续土壤水分胁迫对水稻生育与产量的影响。李毅杰等(1998)研究了不同土壤水分下限对大棚滴灌甜瓜产量和品质的影响。姚宁等(2015)研究了不同生长阶段水分胁迫对旱区作物生长发育和产量的影响。邓勋飞等(2005)建立了水稻叶水势与水分处理间相关关系及其与主要环境因子的拟合方程,邵东国等(2010)建立了农田水肥高效利用多维临界调控模型。李亚龙等(2004)提出了水稻各主要生长发育期的叶水势临界值。Beider等(2005)将其用于分析作物产量动态变化关系、季节蒸发蒸腾量和水分利用效率。包含等(2014)提出春玉米在作物生理作用影响下,当10cm土壤深度处土水势值下降到低于-0.18bar时,会出现根系提水现象。林渌等(2015)研究不同水势对温室黄瓜花后叶片气体交换及叶绿素荧光参数的影响,-10kPa和-30kPa分别为黄瓜开始产生干旱胁迫和干旱胁迫由气孔限制转向非气孔限制的水势临界值。迄今,美国等已用土水势为土壤水分指标指导小麦、玉米和番茄等作物灌溉。然而,现有水势概念借用了等温条件下与纯水化学势之差来表征水分能量大小,仅涵盖了水分恒温时与纯水的分压力势差,并不体现实际中温度、溶质等其他因素变化所造成的影响,不能反映水分所处状态的总能量。对此,景卫华等(2008)提出了基于总能量的整体描述水分运动中热运动与机械运动两种形式的总水势概念与计算公式,但它只能比较各点水分能量构成和不同能量形式大4S难以判定水分运动形态,也不能定量描述水分运动过程;且现有成果大多集中在灌溉、排水等单一措施对农田尺度水转化及产量环境效应影响上。需要综合考虑节灌、控排对土壤水分运动与作物产量、生态环境等的影响,深人探讨农田水势定量描述方法及其状态方程、转化特性、调控技术与标准。
1.2.2灌区水转化过程及模拟
灌区水转化过程直接影响灌溉水利用率。受地形地貌、土壤植被、水文地质等自然条件和灌排系统建设、农业生产等人类活动的双重作用,不同地域灌区的水转化过程存在明显差异。为此,人们开展了大量蒸发蒸腾、渗漏、产汇流及地下水补给、排泄等试验观测和研究,获取了一些重要的田间水转化或局部水文过程观测数据,取得了一些研究进展。康绍忠等(1995)建立了麦田“五水”转化的动力学模式,揭示了麦田水分微循环的规律。雷慧闽等(2007)通过田间水热通量观测站,对山东省位山引黄灌区冬小麦和夏玉米进行长期水热平衡分析,研究了农田尺度水热耦合循环过程的机制。Moussa等(2002)研究了水管理措施时空分布对灌区水文过程的影响。Davies等(2008)研究了局部蓄水设施条件下的水文过程。蔡明科等(2007)研究了节水对水量平衡的影响及其评估模型。Janssen等(2010)研究了土地利用、耕作与种植等农业措施对水转化及利用效率的影响。Liu等(2010)研究了土壤水分空间变异性及水平衡要素的尺度特征。但灌区监测较多的是干支渠灌水量与水位,排水、产汇流等监测很少,且存在农业生产与水文监测信息非连续性、非一致性等问题。现有试验站观测点或田间试验取得的成果较多注重于局部水文过程单因子效应,或多项水均衡要素试验和测定等特殊环境下水文过程分析。
近年来,许多学者试图借用流域水文模型方法研究灌区水转化过程及平衡机制,并已建立了一些描述灌区水文过程的概念模型、机理模型和随机模型。但受灌排沟渠系统控制,灌区边界并不完全封闭,存在复杂的内外水量交换,农田、沟渠、唐库之间的水转化,灌溉回归水循环利用等。孙敏章等(2005)、Matsushita等(2009)将生态水文模型与高分辨率激光雷达和航测地形等数据、GIS空间信息管理功能及遥感反演等高新技术整合,从土地耕作、作物种植、灌溉排水等方面分析灌区土壤墒情、蒸发蒸腾等水文要素变化特征及灌溉用水效率尺度效应等。张银辉等(2009)应用分布式水文模型DEHYDROS进行了河套灌区的水文学过程模拟研究,得出蒸散量、渗漏量、系统排水量和引水量的多年平均值,对比实测数据,验证了模型的合理性。Singh(2013)应用SGMP模型开展了灌区涝灾过程模拟研究,并提出了不同情景下的应对措施。Jiang等(2015)通过耦合SWAP-EPIC模型和GIS,建立了灌区分布式水文模型,借以评估黑河中游流域灌区的管理现状及水分生产率。闫旖君等(2017)从取水、输水、配水、排水系统的角度,构建了人民胜利渠灌区多水源循环转化模型,定量模拟分析了人民胜利渠灌区系统多年平均下的多水源循环转化关系。Dai等(2016)全面考虑水稻灌区水文特征改进SWAT模型,其模拟效率明显优于原SWAT模型,更适合南方丘陵区水稻灌区的水文循环模拟,但仍需要深人探讨恰当离散和表征灌区下垫面条件时空变异性的数学描述方法、灌排分布式网络结构及其水转化路径识别技术和灌区水转化过程精细模拟法。
1.2.3灌区水资源合理配置
灌区水资源配置研究可追溯到20世纪40年代的水库优化调度问题。20世纪70年代以来,随着系统分析理论及计算机模拟技术的发展及应用,水资源优化配置的研究成果不断增多。Dudley等(1971)针对季节性灌溉用水的分配问题,结合具有二维状态变量的随机规划方法和作物生成模型开展了相关研究。Buras(1972)研究了数学规划理论在水资源配置中的运用。Haimes等(1975)采用多层次管理方法和技术,研究了地表水库和地下含水层两个水源联合调度问题。Willis等(1986)应用线性规划方法求解了1个地表水库域4个地下水含水单元构成的地表水、地下水运行管理问题!以缺水造成的损失程度*小或供水产生的费用*少为目标,将地下水运动用基本方程的有限差分式表示。20世纪90年代以来,由于水污染和水危机的加剧,传统的以供水量和经济效益**为目标的水资源优化配置模式已经难以满足社会经济的发展需求,国外开始关注水资源开发利用的生态环境效益、水资源约束以及水资源可持续利用的相关研究。Rao等(1995)将适于多峰搜索的基于排挤的小生境遗传算法应用到含水层污染治理研究中,拓展了遗传算法在多目标决策中的应用。Fortes等(2005)在半分布式水量平衡模型的基础上,结合GIS建立了提高水资源利用率的灌溉制度模拟模型。Geng等(2013)基于水资源综合管理的相关理念,利用多准则决策方法建立综合水资源优化配置模型,并且采用均衡规划方法进行求解,取得了良好的效果。
我国灌区水资源科学分配的研究以20世纪60年代的水库优化调度为先导,经过国家“六五”“七五”重点科技攻关项目的研究后,在80年代中后期,水资源配置理论与方法得到逐步发展与完善。曾赛星等(1990)根据内蒙古河套灌区的实际情况,针对不同作物的不同生育期,采用动态规划的方法确定了灌水定额和灌水次数。贺北方等(1995)对多水库多目标**控制运行
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