用分布式水循环模型与机器学习预测内蒙古河套灌区节水潜力

为探究内蒙古河套灌区真实节水潜力,该研究构建河套灌区分布式水循环模型与基于机器学习的盐分模型,设置节水方案集,定量分析各方案下的灌区引、耗水量、地下水埋深、积盐量变化等。结果表明：1）水面蒸发的纳什系数均不低于0.654,相对误差绝对值不高于分别为4.82%,相关关系为0.88,排水过程纳什系数均不低于0.600,相对误差绝对值不高于分别为5.11%,相关关系为0.82,地下水埋深的纳什系数均不低于0.628,相对误差绝对值不高于分别为5.12%,相关关系为0.86,满足灌区水循环满足精度要求。本文选择采用土壤盐分模型,得到土壤积盐量与实测值的纳什系数均不低于0.76,满足精度要求。2）渠道砌衬方案S1、田间节水调控方案S2、种植结构调整方案S3的耗水节水量分别为2.93亿、3.02亿和2.54亿m³。S1+S2+S3组合方案灌区耗水节水量最多,为9.11亿m³,S2+S3方案组合次之。3）渠系水利用系数提高,将引起地下水水位下降,不利于排盐,S1方案下地下水埋深大于3 m的面积比例较基准方案增加了7.59%,不利于灌区排盐。田间工程措施使得相应的农田入渗量减少,地下水位下降,有利于灌区脱盐,S2方案下地下水入渗补给量较基准方案减少2.57亿m³,灌区地下水位下降较为明显,S2方案有利于灌区脱盐。S3方案下地下水入渗补给量略微减少,地下水位变化不大,有利于灌区脱盐。不同方案组合,S1+S2、S1+S2+S3方案下对地下水埋深影响较大,尤其是S1+S2+S3方案在灌区西北部、山前、乌拉特前旗、乌梁素海东部的形成连片埋深高值区,影响区域生育期农田作物与林草地植被生长。S1S2方案下不利于灌区脱盐,自然植被生育期平均埋深超过2.5 m的比例较基准方案增加了5.46%。在综合考虑生态环境的约束下,推荐耗水节水量最大的方案S2+S3,即灌区适宜的耗水节水潜力为5.69亿m³。该方案下虽然也会引起地下水位略有下降、进乌梁素海排入水量略微减少,但最有有利于灌区排盐。研究可为引黄灌区节水方案制定与灌溉管理提供技术支撑。     

基于C-D函数的地下水动态变化对不同农作物产量和灌溉量的响应——以新疆奇台县平原并灌区为例

根据奇台县平原井灌区的地下水埋深观测数据、野外调查数据、社会经济数据和农业气象资料,借助柯尔一道格拉斯生产函数,建立了根据不同农作物产量变化的地下水埋深变化生产函数模型.模拟结果显示:粮食作物产量对地下水埋深的影响最大,蔬菜瓜果次之,经济作物影响最小.它们每增加1%,引起的地下水位埋深平均增加的幅度分别是0.639%,0.120%和0.205%.模型通过了精度检验(r=0.987,P<0.0001),模拟结果与实测埋深值拟合较好,模拟精度的相对误差都小于5%.同时,由反映农作物灌溉耗水量与地下水埋深变化之间关系的公式得知:灌溉粮食作物引起的地下水下降幅度最大,占总下降幅度的70.4%,每年可使地下水位下降0.339 2m/a.灌溉蔬菜瓜果引起的地下水位下降的比重和速率(14.8%,0.071 5 m/a)略高于灌溉经济作物产生的变化(14.7%;0.0709 m/a).     

新疆奇台县坎儿井废弃过程及其驱动力分析

对奇台县坎儿井分布状况、兴衰过程、地质情况、地下水位实地调查和其社会经济的资料分析表明,奇台县坎儿井经历了从1949年开挖,20世纪60年代初数量达到最多,20世纪80年代初期全部废弃的一个由兴到衰的过程。人口增加和农业生产的发展是导致地下水位迅速下降、坎儿井干枯的根本原因。坎儿井数量变化过程与人口、耕地增加过程早期基本一致,后期变化方向相反。人口数量达到90 000人,水浇地为50 000 hm2时,平均地下水埋深为5 m左右,坎儿井开始衰亡。坎儿井全部废弃时平均地下水位约深8 m,此时,人均地下水可开采量仅1 300 m3,农田灌溉所用地下水已接近地下水可开采量。后期河流引水量和地下水开采增加的量大于降水量及河流来水量对地下水的补给量,地下水位仍不断下降,坎儿井没有恢复,反映人文因素对地下水的影响程度远远超过自然因素。     

集约化农业生产区浅层地下水埋深的时空变异规律(简报)

揭示区域地下水埋深的时空变异规律,可为地下水资源评价和管理提供科学依据.通过收集和实测河北南部平原一曲周县1990和1999年两个时期地下水埋深的资料,应用地统计学方法对其进行了分析.结果表明,两个时期地下水的平均埋深分别为4.64 m和9.81 m,它们的空间相关距离分别为13.6 km和10.4 km,呈递减趋势.由于该区地形地貌和种植业布局的转变,导致了地下水埋深空间分布呈南深北浅的趋势.从1990年到1999年,地下水埋深具体变化为＞9.81 m的区域从无增加到324.0 km2,＜4.6m的区域从281.8 km2减少至15.3 km2.地下水大量开采和种植业布局的转变是该区地下水位下降的主要原因.     

不同地下水埋深条件下再生水灌溉对冬小麦生长的影响

为给地下水浅埋区再生水作物安全灌溉提供科学指导，该文利用地中渗透仪控制地下水位，研究不同地下水埋深条件下再生水灌溉对冬小麦生长的影响。结果表明：灌水量相同时，地下水埋深对作物生长影响顺序为:埋深2 m>埋深3 m>埋深4 m；灌水量不同时，地下水埋深为2 m的处理，低水处理较高水处理更能促进冬小麦干物质量和产量的增长；地下水埋深为3 m和4 m时，高水处理较低水处理更能促进冬小麦干物质量和产量的增长。再生水灌溉对冬小麦生长有一定的促进作用。     

石家庄平原区粮食施肥增产对地下水开采量演变影响研究

通过对近30年来石家庄平原区农业开采地下水量与化肥施用量和粮食产量之间的关系研究,揭示了化肥施用在小麦玉米产量耗用地下水开采量中的影响作用。结果表明,化肥施用量增加使小麦玉米产量的增幅大大超过农用地下水开采量增幅,从而使单位小麦玉米产量所耗用的地下水开采量不断减小,从20世纪70年代的1.86 m3·kg-1减小到2000—2005年间的0.72 m3·kg-1。如果没有化肥的增产效用,按照20世纪70年代的化肥施用量水平(0.17 t·hm-2),达到现状的粮食生产规模需要耗用的地下水开采量将大大增加,20世纪80年代、90年代、2000—2005年间平均分别需要多耗用地下水10.35×108 m3、18.88×108 m3和20.12×108 m3。但是21世纪初期单位面积上化肥施用量水平已较高,继续增加化肥施用对粮食单产及单位小麦玉米产量耗用地下水强度影响不大。     

小麦、玉米水肥一体化节水技术研究与示范

随着工农业的快速发展,对水的需求量越来越大,由于地上水源得不到有效补充,人们不得不加大对地下水的超量开采,致使目前邢台市许多河道断流,地下水位以每年1m多的速度下降,水源短缺的问题已经成为经济社会发展的重要制约因素。由于全市农业灌溉用水90%靠开采地下水来实现,且农业用水量占到全市总用水量的70%,所以节水应该首先从农业节水抓起。     

季节性冻融区井渠结合灌域地下水动态预报

该文以河套灌区永济灌域为研究对象,建立考虑冻融影响的分段式水均衡模型,预报12种井渠结合节水情景的地下水动态响应。结果表明:冻融期间气温对地下水埋深的影响在时间上滞后46.5 d,两者相关关系明显;地下水开发利用越多、秋浇采用黄河水的比例越小,节水规模越大,同时地下水位下降越明显。12种节水情景中,节水规模占现状引水量的5.7%~15.5%,全灌域平均地下水埋深增加0.05~0.24 m,井渠结合区地下水埋深增加0.16~0.38 m;灌域引黄水量与地下水埋深关系用二次函数进行拟合,决定系数R~2达到0.88以上;灌溉水利用效率的提高以及地下水位下降引起潜水蒸发的减小是井渠结合节水的实质。分析结果表明,考虑冻融影响的水均衡模型简单实用,可为中国西北干旱半干旱地区开展井渠结合地下水响应预报提供参考。     

降水量与地下水埋深的小波分析——以广饶县井灌区为例

广饶县井灌区地下水是当地农业生产和人民生活的重要水源。随着当地国民经济的增长,需水量不断加大,地下水连年超采,致使地下水位大幅度下降,由1984年的1.97 m下降至2001年的-10.79 m。该文运用小波分析的方法,研究了井灌区1975~2000年逐月的地下水埋深的动态变化,并结合1956~1995年40年的降水量小波分析探讨了地下水位下降的驱动因子,得出在1975年以前和1980年前后地下水埋深与降水量有较好的对应关系。     

呼图壁县地下水位动态对土地利用变化响应

研究干旱缺水地区地下水位(埋深)时空动态特征及对土地利用变化的响应,对于加强农业地区土地利用和地下水资源管理具有重要意义。以呼图壁县平原灌区为研究区,基于地统计学和GIS结合技术,应用普通克里金插值拟合研究区2000年、2010年及2018年地下水埋深时空分布,并且利用同期遥感数据解译生成了土地利用类型图,叠加分析不同时期地下水埋深变化与对应时期的土地利用类型转移之间的响应关系。结果表明:呼图壁县地下水埋深的空间变化主要是由地形地貌、气候等结构性自然因素引起的,空间相关性逐年增强,空间异质性逐渐减弱;地下水埋深在空间上主要表现为从南向北逐渐变浅,时间动态上为2000—2010年地下水埋深值10 m的面积减小比例高达86.61%,2010年后控制耕地面积的大幅扩张,但由于耕地本身基数较大,地下水开采量在2014年达到最大值后开始减少,局部地区地下水位开始恢复;研究区主要土地利用类型为耕地,地下水中农业用水占比高达84.68%,地下水埋深动态变化与耕地面积变化高度相关。     

基于植被遥感信息的作物蒸散量估算模型--以华北平原冬小麦为例

本文基于作物系数法并结合植被遥感信息(MODIS/NDVI),提出一种能反映作物空间分布和土壤供水差异信息的作物蒸散量估算模型。利用该模型得到2000—2013年华北平原冬小麦的蒸散量,模拟结果与遥感蒸散产品吻合度较高(R2=0.952,RMSE=1.3×107 m3),并分析了冬小麦蒸散量和灌溉耗水量的时空变化。结果表明:1华北平原冬小麦蒸散量呈南高北低的格局。基于250 m空间分辨率上来看,山东省、河南省的黄河灌区以及太行山前平原的冬小麦蒸散量可达400 mm以上,中部平原区冬小麦蒸散量350 mm,滨海一带蒸散量200 mm。2冬小麦灌溉耗水量与其蒸散量格局相一致。在太行山前平原、河南省和山东省的引黄灌区,灌溉耗水量可达250 mm以上;河北平原北部由于冬小麦种植比例较低,灌溉耗水量100 mm。3近14年河北平原北部冬小麦播种面积下降明显,区域灌溉耗水量减少,地下水位下降趋势得到明显缓解。本文提出的作物蒸散量估算模型能够较好地用于确定较大区域作物蒸散耗水量,并可应用于区域作物灌溉量的评估与管理中。     

不同畦长灌溉对冬小麦产量及水分利用特性的影响

为探讨畦长对冬小麦耗水及产量和水分利用特性的影响,本试验以冬小麦品种‘科农2011’为试验材料,在2014—2015年中国科学院栾城农业生态系统试验站小麦生长季,畦宽为5 m条件下,设置4 m、5 m、10 m(农民习惯畦长)、50 m、100 m共5个畦田长度,各处理均在拔节期和灌浆期用塑料软管从机井口引水到畦首灌水,塑料软管出水口安装水表计量灌水量,用秒表计量灌溉用时,研究不同畦长处理对冬小麦耗水特性、灌溉定额及灌溉用时、畦田内不同部位土壤含水量差异、籽粒产量以及产量和灌溉水利用效率的影响。结果表明:随着畦长增加,灌水量和总耗水量逐渐增加,灌水量占总耗水量的比例逐渐增加;籽粒产量虽逐渐增加,但未达到显著水平。土壤储水消耗量、产量水分利用效率和灌溉水利用效率随着畦长增加逐渐降低。与农民习惯的畦长10 m相比,4 m畦长处理的灌水量减少34.50%,多消耗深层土壤贮水58.92 mm,总耗水量降低1.61%,产量水分利用效率提高1.15%,灌溉水利用效率提高51.96%,次灌溉用时减少42.75%。100 m畦长处理在产量没有显著提高的基础上,总耗水量增加9.58%,灌溉水增加38.08%,产量水分利用效率降低9.88%,灌溉水利用效率降低26.20%,次灌溉用时增加65.61%。综合考虑籽粒产量、灌水量和水分利用效率,4 m畦长是本试验条件下兼顾高产与节水的最优畦长处理。     

盐碱地水盐调控研究

高效安全利用咸水资源是提高环渤海低平原区农业生产可持续发展的重要保障。本文针对该区淡水缺乏、咸水充沛和土壤盐碱贫瘠等因素制约农业生产的问题,回顾了20世纪80年代以来在以中国科学院南皮生态农业试验站为典型代表站点的黄淮海缺水盐渍区开展的以盐碱地治理和农田生产力提升为目标的农田水盐运移过程及调控研究成果。20世纪50—60年代,该区域的工作主要是通过建立排水系统减少区域洪涝灾害发生。20世纪80年代,通过研究提出了控制盐碱的合理浅层地下水水位阈值,形成了以浅层地下水优化治理盐碱地提高农业生产的技术体系;20世纪90年代以来形成了微咸水资源安全灌溉理论及技术体系,冬小麦咸水灌溉阈值从3 g·L~(-1)提升到5 g·L~(-1),并阐述了微咸水灌溉阈值提升的理论基础;近10年来研究并阐明了农田生态系统水盐运移过程及主要限制因子调控机理,研发了以集蓄雨水、咸水利用、合理引水和节约淡水为核心的农田多水源综合利用技术,集成了农田多水源综合利用模式。根据多年的研究积累,以突破水土资源限制农业生产的问题为导向,实施了国家区域战略性增粮工程渤海粮仓科技示范工程,取得了明显的社会、经济和生态效益。在农田水盐研究方面,未来将以提高综合效益和资源利用效率为核心,开展基于生态平衡的作物产量、质量和资源利用效率的协同提升研究,适应区域水土资源的农业绿色发展研究,微咸水高效安全利用的机理过程、技术研发及示范工作,为该区农业可持续健康发展提供理论依据和技术支撑。     

干旱内陆河灌区灌溉条件下地下水变化规律

在干旱内陆河灌区,地下水比较活跃,与非灌区存在着交换,同时也与土壤水存在着交换.在灌溉前后地下水水位变化幅度较大.了解和掌握地下水的运动规律,对于促进农业节水灌溉有重大的现实意义.以塔里木盆地西北缘阿瓦提县为例,通过实验对干旱内陆河灌区的地下水变化规律进行研究,得出在干旱内陆河灌区,地下水位动态随地表来水入渗补给而上升,随农作物蒸腾、潜水蒸发消耗而消退,在灌溉过程中,地下水位浮动比较大,易引起耕地盐碱化,并提出了有效的建议.     

华北平原浅层地下水可持续利用潜力分析

浅层地下水是华北平原最重要的水资源,对农业、经济和社会发展具有制约性作用。本文基于"华北平原地下水可持续利用调查评价"项目研究资料与成果,以行政区为单元,计算了华北平原浅层地下水开采资源量,评价了其资源潜力,在此基础上定性分析了浅层地下水的可持续利用潜力。研究结果表明,华北平原浅层地下水总开采资源量为202.94×108m3·a-1,开采资源模数为14.58×104m3·a-1·km-2,区域分布不均,呈西部山前平原及沿黄平原高、中东部平原低的规律。浅层地下水开采潜力系数为1.15,总体上采补平衡,开采潜力一般,但空间分布不均,最高值为滨州地区的5.16和天津地区的4.18,较低的为石家庄地区的0.72和廊坊地区的0.75。可持续利用潜力分析表明,华北平原浅层地下水已基本无开发利用潜力,尤其浅层淡水,局部地区超采现象严重,可持续利用潜力不容乐观;但微咸水、咸水开采潜力(较)大,其中河北平原咸水、微咸水开采资源潜力近35×108 m3·a-1,在开发利用技术条件允许的情况下可以进一步增大开发利用率,提高区内浅层地下水可持续利用潜力。该研究可为实现华北平原的水资源优化配置、农业与经济社会的可持续发展提供指导。     

华北平原主要种植模式农业地下水足迹研究——以河北省吴桥县为例

本研究采用地下水足迹分析方法,以华北平原传统冬小麦-夏玉米两熟区河北省吴桥县为例,开展冬小麦、夏玉米两熟复种体系农业地下水资源消耗研究,在此基础上分析了不同作物地下水足迹对地下水资源的影响,以期为华北平原地下水超采区种植结构调整提供理论依据。研究结果表明,自1949年以来,吴桥县冬小麦地下水足迹均高于夏玉米,历年冬小麦和夏玉米的地下水足迹均值分别为89.02 km~2和29.84 km~2。从变化趋势来看,吴桥县冬小麦和夏玉米的地下水足迹均呈波动上升的趋势。而作物地下水足迹胁迫指数(GF/Aaq),冬小麦基本处于中等程度胁迫(0.1GF/Aaq1),夏玉米绝大多数年份处于较轻程度胁迫(0.01GF/Aaq0.1),但两种作物胁迫指数近年来不断增加。对该区域其他作物地下水足迹计算结果表明,夏花生和马铃薯的每平方米地下水足迹较低,分别为2.08×10~(-7)km~2和1.94×10-7 km~2,且两者的每平方米地下水足迹胁迫指数在被比较作物中同样最低,分别为3.57×10~(-10)和3.34×10~(-10)。根据作物比较认为传统冬小麦-夏玉米种植模式可以通过在农作制度调整过程中将花生、马铃薯作为替代作物引入到当地的种植结构中,可在一定程度上减少对地下水资源的消耗,从而缓解区域环境中的地下水资源压力。因此,为改善华北平原农业地下水资源的利用状况,可以通过调整作物种植结构,增加低耗水作物与主粮作物复种轮作的面积有效控制地下水资源的开采,实现农业的可持续发展。     

华北平原农田生态系统服务评价及灌溉效益分析

农田生态系统为人类提供农产品等服务的同时,对生态环境也产生负面影响。本文基于千年生态系统评估(MA)框架,以华北平原典型高产农田区域——河北省石家庄市栾城区为研究对象,应用能值理论分析农田生态系统投入,从供给、调节和支持3方面分析农田生态系统正、负服务产出;应用分摊系数法求解农田灌溉净效益,计算能值指标并评价农田生态系统可持续发展状况。结果表明:研究期间栾城农田生态系统能值年均总投入(1.00×1012 sej·m~(-2))中,不可更新工业辅助能(6.81×1011 sej·m~(-2))与不可更新环境资源(灌溉用地下水,2.57×1011 sej·m~(-2))投入之和占总能值投入的90%以上,说明农田生态系统消耗了大量不可更新资源;农田提供的正服务(1.82×1012 sej·m~(-2))主要是农产品供给(1.07×1012 sej·m~(-2)),负服务(5.87×1011 sej·m~(-2))以温室气体排放(5.31×1011 sej·m~(-2))为主;考虑农田生态系统环境负效益,计算栾城农田灌溉效益分摊系数为0.32,灌溉净效益为3.94×1011 sej·m~(-2),灌溉效益偏低;栾城区能值可持续发展指标取值为0.10~0.18,属于典型的消费型农田生态系统,迫切需要探索出一条低能耗,高产出的真正意义上的高质量农田发展之路,实现农田生态系统健康可持续发展。     

华北平原灌溉用水强度与地下水承载力适应性状况

针对华北平原农灌区地下水严重超采问题,基于近30a以来降水、水资源和农林灌溉状况的变化过程和现状,应用地学模数理念、均衡理论和MapGIS技术,建立了适应性状况评价指标体系与方法,以0.49km2精度识别了华北平原农林灌溉用水强度与当地地下水可采资源量之间适应性状况。研究结果表明,华北平原中部的大部分地区农林灌溉用水强度处于"严重不适应"状态,河北平原大部分地下水超采区农林灌溉用水强处于"极严重不适应"状态,其中小麦等夏粮作物灌溉用水强度占50%以上,蔬菜作物和耗水型果林灌溉用水强度所占比率呈显著增加趋势,应避免非理性持续大幅增加。     

基于层次分析-熵权法的内蒙古农牧交错带农业用水水平综合评价

在我国北方干旱半干旱地区,农业灌溉是水资源消耗的主要途径,农业水资源利用效率的高低,直接决定着区域可利用水资源量。为探究我国北方农牧交错带农业用水水平,以内蒙古农牧交错带农业灌溉用水为研究对象,在综合分析用水现状的基础上,通过层次分析—熵权法和模糊综合评价相结合的方法,选取体现农牧交错带农业用水特征的代表性指标,构建农牧交错的农业用水水平综合评价体系,对2020年内蒙古农牧交错带农业用水进行综合评价。结果表明：内蒙古农牧交错带各旗县间农业灌溉用水量相差较大,整体呈现东高西低趋势,灌溉水量为582.41～4 905.86 m³/hm²,灌溉水利用效率为51%～84%;各旗县农业用水综合评价得分为2.26～3.67,农业用水水平整体处于中等偏上,29个旗县中较高水平占比44.80%,中等水平占比55.20%;与作物水分利用效率(WUE)对比,构建的综合评价体系可以更真实地反映出农牧交错带农业用水实际情况,对于农牧交错带中农业用水水平处于中等偏下水平的旗县地区,需加大力度发展农业节水措施,提升农业水资源利用效率。     

农户稀缺感知、超采认知对地下水灌溉用水效率的影响——基于河北地下水超采区457个农户调研数据

华北地区由地下水超采造成的环境问题日益严重,农业作为主要用水部门,亟须提高灌溉用水效率,减少水资源浪费。本文基于2019年对河北地区457户使用地下水进行灌溉的农户调查数据,采用随机前沿模型对灌溉用水效率进行测算,进一步在参照相关研究基础上重新构建农户水资源稀缺性感知和地下水超采认知测度的指标体系,在控制个人和家庭特征、生产特征基础上,实证分析农户稀缺感知和超采认知对灌溉用水效率的影响。研究结果显示:农户平均灌溉用水效率值为0.59,主要分布区间为0.40～0.80,具有较大提升空间;稀缺感知中水量感知、水位感知和稀缺预期对农户用水效率具有显著正向影响,超采认知中地下水超采危害认知和压采环保认知对用水效率提升具有促进作用;务农年限和受教育程度同用水效率正相关,相较于自有土地,流转土地具有更高的用水效率,耕地细碎化和灌溉设施距离过远则显著降低用水效率。因此,大力提升农户相关认知水平、推进土地流转和完善设施建设等措施将有助于提高河北地区灌溉用水效率。