基于作物需水量的城市农业水资源评估——以贵州省贵阳市为例

[目的]对贵阳市城市农业绿水和蓝水的水足迹与灌溉效率进行定量研究,为科学定量评估城市农业用水和管理监测提供依据。[方法]利用实地调查数据、贵阳市气象数据与农业统计数据,基于作物需水量、水足迹的方法进行农业水资源评估。[结果]①作物水足迹极值取决于调查样地作物单位面积产量的极值。②贵阳市城市农业不同作物生长的消耗绿水量均高于蓝水量,绿水量和蓝水量的比例范围从最低53.81%(豇豆)到最高63.60%(番茄)。③贵阳市城市农业3种灌溉效率(沟灌、喷灌和滴灌)分别为27.23%,69.45%与80.32%。④2017年贵阳市城市农业蓝色水量灌溉需求量在4.81×10~5 m~3(完全滴灌)与6.93×10~5 m~3(完全沟灌)之间。[结论] 2017年贵阳市城市农业总用水需求为1.29×10~6 m~3,其中8.84×10~5 m~3为绿水,4.02×10~5 m~3为蓝水。灌溉方式对贵阳市城市农业用水有较大的提升空间,滴灌方式对贵阳市城市农业水资源管理贡献率达53.09%。     

晋江西溪流域绿水蓝水资源量估算及分析

运用SWAT模型计算了东南沿海晋江西溪流域的绿水蓝水资源量。对西溪流域绿水蓝水的组成和时间分布规律进行了研究,并分析了西溪流域与中国北方两流域在绿水占水资源比例上的差异。研究结果表明:(1)西溪流域1973—1979年绿水蓝水资源总量是传统水资源量的1.6倍;(2)绿水蓝水的年内分布特点为汛期最高,冬季最低,且绿水流是绿水的主要组成部分;(3)由于气候湿润、干燥度指数较小等原因,晋江西溪流域水资源以蓝水为主,约为绿水资源量的1.8倍;但也表明即使在南方地区,绿水资源仍是水资源的重要组成部分,应予以重视。     

民勤三项农业节水措施的相对潜力估算

该研究利用FAO-56推荐的灌溉指标法,计算民勤农田灌溉需水量,并通过设定情景,在可比条件下探讨《石羊河流域综合环境治理规划》中提出的3项措施在压缩农业用水方面的潜力。结果表明,在相同气候条件和传统灌溉方式下,民勤县主要农作物2006年灌溉需水量比1973年增加0.22亿m3;其中播种面积增加与种植结构调整都是促进用水因素,种植结构调整的贡献率高于60%。在相同气候条件和不改变种植结构的情况下,玉米和棉花采用膜下滴灌方式可压缩用水0.55亿m3。基于规划目标和情景分析,仅依靠压减耕地面积达不到规划要求的节水目标;具有节水潜力的是膜下滴灌等节水灌溉技术。     

考虑水转化过程的干旱区内陆河流域适宜灌溉规模

农业适水发展是保障干旱区水土资源高效利用和生态健康的关键,其核心在于如何科学确定灌溉规模,进而控制农业灌溉用水量。该研究以石羊河流域为研究区,在明确非灌溉需水量的基础上,基于水均衡模型计算不同水文年考虑水转化过程的农业灌溉可用水量,并构建多目标种植结构优化模型对作物种植结构进行调整,最后改进水热平衡模型构建考虑水转化过程的旱区适宜灌溉规模计算模型,分析流域不同情景下的适宜灌溉规模。结果表明：地表水地下水联合调控下,石羊河流域丰、平、枯水年的灌溉可用水量分别为18.97亿～21.57亿、14.75亿～17.51亿、12.31亿～14.95亿m3;优化作物种植结构后能够以减少2.94%的经济效益实现14.13%的灌溉节水;构建的适宜灌溉规模计算模型在干旱区内陆河流域具有较好的适用性,采用该方法得到现状条件下石羊河流域丰、平、枯水年的适宜灌溉规模分别为27.73万～31.66万、21.55万～25.76万、18.01万～22.03万hm²,提高节水水平、调整种植结构后,流域的适宜灌溉规模有所增加。现状2020年（平水年）的实际灌溉面积高于当地水资源能够承载的临界适宜灌溉规模,需压减2.13万～6.34万hm²。研究结果可在宏观层面上为决策者制定适水农业发展方案提供理论依据。     

伊洛河上游流域退耕还林还草对蓝水绿水分配的影响

土地利用变化对区域水循环具有重要影响,土地利用决策就是水资源决策,这一命题已经被诸多研究证实并被研究者和决策者所认识。本文以黄河流域中游的伊洛河上游流域为研究区域,应用分布式流域农业生态水文模型SWAT （Soil and Water Assessment Tool）,在我国退耕还林还草的生态恢复和重建的重大背景下,分别设置了6种不同的土地利用变化情景,基于蓝水和绿水的视角,研究土地利用/覆被对流域水循环的影响。本文对SWAT模型输出的月径流结果进行了率定和验证,证明该模型对研究流域水文循环的模拟达到了可接受水平的准确性与合理性。采用单因素方差分析和多重比较,分析基于不同水文年型下土地利用变化对各水文要素变化的影响。结果表明：1）2010-2015年多年平均降水资源总量为34.94亿m³,多年平均蓝水绿水资源总量为34.09亿m³,蓝水资源量占多年蓝水绿水资源总量的33.73%,绿水资源量占多年蓝水绿水资源总量的66.27%。2）不同情景退耕还林或还草,蓝水资源量均减少,绿水流均增加,绿水库均减少。在丰水年和平水年,退耕还林还草对蓝水资源量中地表径流分量影响较明显。该结论对于加深认识伊洛河上游流域土地利用/覆被和水资源的相互关系具有一定意义,为该区域高效合理利用水土资源提供了科学依据。     

基于SWAT模型分析岷沱江流域蓝/绿水资源量的时空变化特征

基于SWAT模型,从不同土地利用类型及水文循环的角度出发,模拟大流域尺度下岷沱江流域1981-2014年的蓝水(地表径流、土壤中流和地下径流)、绿水(蒸散用水和土壤含水)资源量,探究岷沱江流域的蓝/绿水时空分布特征,采用Man-Kendall(M-K)检验法分析年际间水资源量变化趋势,模拟不同土地利用情景下的蓝/绿水资源量变化规律。结果表明:(1)1981-2014年,岷沱江流域的绿水资源量有所增加,M-K统计值为0.0232,未通过M-K置信度为90%的显著性检验;蓝水资源量和流域降水量呈减少趋势,M-K统计值分别为-0.1729、-0.1087,均未通过M-K置信度为90%的显著性检验,线性变化趋势均不显著;(2)空间上,流域内蓝/绿水资源量均自北向南先逐渐增加后减少,即中游最多,下游次之,上游最少。(3)在岷沱江流域降水减少的情况下,林地、草地中蓝水资源量波动减少,绿水资源缓慢增加,且在不同土地利用类型中,蓝/绿水资源量差异明显,表现为耕地林地草地,其中耕地面积仅占流域总面积的25%,但对蓝/绿水资源量的贡献率最高。建议加强对岷沱江流域耕地的管理,合理利用中下游蓝/绿水资源,对上游干旱、半干旱地区实施绿水信贷补偿措施,以达到区域水资源优化配置。     

辽宁省节水潜力计算分析

利用辽宁省第一次全国水利普查成果,在分析辽宁省水资源开发利用现状和用水水平的基础上,以普查现状年2011年为计算现状年,以2015年和2020年为规划水平年,从农业、工业和城镇生活三方面计算节水潜力,计算结果表明:辽宁省2015年节水潜力为22亿m3,农业、工业、城镇生活节水潜力占总节水潜力的比例为66.34%、27.1%、6.55%;2020年节水潜力为38.8亿m3,三者节水潜力占总节水潜力的比例分别为68.16%、26.58%、5.26%。     

乌江流域蓝绿水对气候和土地利用变化的响应

为了更深入地研究气候变化和土地利用变化对乌江流域蓝绿水时空分布的影响,该研究采用SWAT（soil and water assessment tool）模型,利用1985—2019年逐日气象数据以及1990年、2000年和2010年土地利用数据,设定多种变化情景,定量分析了蓝水绿水对乌江流域气候和土地利用变化的响应。同时,还利用5个CMIP6（Coupled Model Intercomparison Project Phase 6）模式集合平均（multi-modal ensemble,MME）以及FLUS（future land-use simulation）模型,预估了乌江流域在2015—2100年间蓝绿水的时空变化。结果表明：1）SWAT模型在乌江流域的校准期和验证期的决定系数（coefficient of determination,R²）分别为0.94、0.87,纳什系数（nash-sutcliffe coefficient,NSE）分别为0.94、0.77,FLUS模型的Kappa系数为0.764,证明其在流域水文模拟和未来土地利用预估方面的可靠性。2）在1985—2014年间,乌江流域的蓝水、绿水都呈现出先增加后减少的趋势。蓝水、绿水均先分别增加了137.3、7.9 mm/a,然后分别减少了127.5、12.7 mm/a。气候变化对蓝水变化的影响贡献占比为99%,对绿水变化的影响贡献占比平均为88%,表明气候变化在蓝水和绿水变化中的主导地位。3）到2040年,城镇用地面积几乎比2010年扩张了近1.5倍。在2015—2100年,无论是在SSP2-4.5还是SSP5-8.5情景下,蓝水、绿水都呈增加趋势。因此未来需要合理规划乌江流域的土地利用,控制城镇化速度。研究结果可为乌江流域合理规划土地利用、实现水资源综合管理提供支持和参考。     

内蒙古河套灌区粮食生产灰水足迹评价

随着面源污染和土壤盐渍化成为重要的环境污染源和粮食安全的制约要素,如何评价和量化农业生产的负面效应,成为亟需解决的问题。水足迹理论的出现使该负面效应的量化成为可能,水足迹包括蓝水、绿水和灰水足迹,灰水足迹可以表征不同类型负面效应的大小,粮食生产灰水足迹反映了单位粮食产量的负面效应。该文应用水足迹理论,以内蒙古河套灌区为研究区,给出粮食生产灰水足迹的计算方法,选取环境最大允许浓度Cmax和本底浓度Cnat,逐项计算各项灰水足迹,并根据短板原理得出总灰水足迹,计算分析河套灌区粮食生产灰水足迹。结果表明:2005-2008年面源污染的灰水足迹为0.55~0.58亿m3;积盐的灰水足迹从2005年的4.570亿m3减少到2008年的1.825亿m3。总灰水足迹从2006年的5.872亿m3,减少到2008年的1.825亿m3,总灰水足迹在总水足迹中比例小于10%,有逐年降低的趋势。2005-2008年粮食生产灰水足迹分别为0.129、0.159、0.062和0.043 m3/kg,粮食生产灰水足迹有逐年降低的趋势,2008年的粮食生产灰水足迹仅相当于2006年的27.04%。节水灌溉等新技术的推广是其主要原因,节水灌溉可以减少无效灌溉水量和水分的无效蒸发量,从而减小粮食生产灰水足迹。在此基础上,给出减少粮食生产灰水足迹的措施,即节水灌溉、种植业结构调整、合理确定地下水位和合理使用化肥、农药。研究成果较好地量化了大型灌区粮食生产的负面效应和粮食生产灰水足迹,可为其他粮食主产区农业可持续发展及制定农业产业政策提供参考。     

应用MIKE BASIN模型规划调配大凌河流域水资源

为实现水资源的科学管理,大凌河流域建立了MIKE BASIN模型。运行MIKE BASIN模型可得到流域、节点、用水户、水库、水电站、河流等结果项,可模拟出每个用水户的耗水量、回水量、缺水量等时间序列值,这些结果很容易从模型中提取出来,进行平衡分析计算。MIKE BASIN模型的建立为今后大凌河流域水资源综合管理、规划提供了科学有效的方法。     

渭河流域蓝绿水对土地利用变化的响应模拟

为深入探讨渭河流域土地利用演变过程对蓝绿水时空变化的影响,该研究基于渭河流域1995、2015年土地利用数据,利用CA-Markov(Cellular Automata-Markov)模型预测渭河流域2035年的土地利用格局;结合SWAT(Soil and Water AssessmentTool)水文模型,设置多种土地利用变化情景,定量分析流域内土地利用变化与蓝绿水量的时空响应关系。结果表明:1)CA-Markov模型模拟2015年土地利用格局效果较好,Kappa系数为0.89,可用于模拟预测;1995-2035年间,耕地主要向建筑用地和草地转移,草地主要向林地和耕地转出,流域内耕地呈减少趋势,单一动态度为-0.27%,建筑用地增速最大,单一动态度达到3.75%。2)1995-2015年间,蓝水量增加了2.38 mm/a,绿水量减少了18.74 mm/a,绿水量减少幅度较大,2015-2035年蓝水量增加了14.82 mm/a,绿水量减少了15.23 mm/a,蓝水量的增加幅度较大;在极端土地利用情景下,退耕还草、还林对蓝水量和绿水量均起减少作用,蓝水量分别减少了9.27、11.37 mm/a,绿水量分别减少了32.94、21.13 mm/a。因此需要合理规划渭河流域耕地、林地和草地,防治水土流失问题,促进流域生态环境的改善。研究结果将对渭河流域土地利用规划和水资源管理提供科学参考。     

基于遥感技术的绿地耗水估算与蒸散发反演

为研究北京市五环范围内的绿地耗水总量和空间分布情况,该文应用高分辨率遥感影像、长时间序列气象数据、植被耗水规律研究成果等资料,进行绿地提取、耗水估算和蒸散发反演。主要步骤包括:预处理遥感影像,分析典型地物的光谱特征,层次分类提取绿地分布,估算不同气象条件、植被覆盖条件下的耗水量,以遥感技术为基础反演日蒸散发量。遥感技术提取的北京市五环内绿地面积为197.3km2,估算年耗水量为1.61亿m3。特枯年、枯水年、平水年和丰水年的净灌溉水量分别为1.09、0.75、0.59和0.35亿m3。应用地表能量平衡模型反演典型日蒸散发结果表明,城市水体、高植被覆盖率区和低植被覆盖率区的ET均值分别为11.1、5.7和4.0mm/d。五环内城区夏季典型日蒸散总量为126.6万m3,二环内、二三环间、三四环间、四五环间的绿地日ET总量分别为:10.3、14.2、20.4和81.7万m3,该研究可为城市绿地灌溉系统设计提供耗水总量和空间分布的信息。     

超纤渗灌对绿色屋顶土壤水分和蒸散发的影响

为研究超纤渗灌对绿色屋顶土壤水分及蒸散发的影响，以金鱼草、七里香、罗汉松、太阳花、多肉及佛甲草为试验材料，观测有无超纤渗灌处理下的绿色屋顶土壤含水率，并通过三温模型及蒸渗仪法测算不同植物的蒸腾速率及蒸散量，评估超纤渗灌对绿色屋顶蒸散发的影响。结果表明：超纤渗灌处理下的七里香、金鱼草及裸土种植盆内的平均土壤含水率分别比无超纤渗灌处理提高27%，18%及47%，超纤渗灌能增加土壤含水率，减少水分胁迫情况的发生。在夏季（雨季），超纤渗灌处理的植物蒸腾速率总体显著（P<0.01）大于无超纤渗灌处理，且气温越高，植物冠层温度与气温温差越大。在冬季（旱季），超纤渗灌能使屋顶基底温度平均高出0.25 ℃，减小温度变化振幅；超纤渗灌处理能使佛甲草夜间蒸散量增加0.14 mm，但白天有超纤渗灌的蒸散量比无超纤渗灌低了0.57 mm，总体减少了9.3%。超纤渗灌能提高绿色屋顶土壤含水率，在夏季增加植物蒸散量，在增加冬季夜间屋顶蒸散量的同时，也有利于绿色屋顶白天吸附空气湿气，促进这一部分非降水资源的利用。     

植被恢复对青海省北川河流域水循环演变趋势的影响

[目的] 研究植被恢复对流域水循环的影响,明确植被恢复条件下流域水资源的演变趋势,为指导干旱半干旱地区开展科学的植被恢复工作提供数据支撑。[方法] 结合青海省北川河流域植被覆盖变化及长序列气象、水文数据,分析流域尺度水循环要素的演变趋势,分析植被恢复对关键水循环要素演变的影响作用。[结果] 20世纪80年代以来,北川河流域丘陵山区植被覆盖快速增加,仅2000—2019年期间平均增幅14.98%,最大增幅52.2%。1956—2019年,流域年降水量相对平稳,但年径流量呈不显著衰减趋势,平均降幅1.60×10⁷ m³/10 a,流域生态用水量增加是造成径流衰减的主要原因;植被恢复改变了流域大气降水的时空分配,在空间上更多降水用于流域内部生态消耗,减小了对下游的水源供给量,在时间上更多降水参与土壤水—地下水循环,延长了向流域外的排泄周期;地表风速、水面蒸发量、干旱指数等气象要素显著降低。[结论] 植被恢复影响下,北川河流域生态用水量增大,径流量衰减,降水—土壤水—地下水循环过程的水量比例增加,流域水源涵养能力不断提高,半干旱的气候条件有所改善。     

塔里木河流域的环境治理与水土保持生态建设

分析塔里木河流域生态环境的演变过程 ,可以看出在历史时期 ,特别是近 5 0年来的水土资源开发 ,使流域上、下游维护生态环境的水分条件失调 ,植被退化和沙漠化急剧发展 ,已威胁到塔里木盆地社会、经济的可持续发展。为此 ,实施塔里木河流域环境综合治理既迫切又及时 ,采取“治理上游、改造中游、拯救下游”的工程措施 ,可起到调控流域水资源分配 ,改善河流沿岸荒漠林 ,保障输送一定水量恢复下游生态的控制作用 ;但还必需采取整个流域为单元的水土保持的一系列根本措施 ,进行生态建设 ,使流域上下游协调发展 ,才能有效遏制住环境退化。根据塔河实际 ,还提出了近期做好水土保持工作的几点建议     

汉江上游流域生态系统水源供给服务变化

[目的]研究汉江上游流域2000—2010年生态系统水源供给服务的时空变化及其影响因素,为区域水资源的科学管理与政策制定提供科学依据。[方法]基于InVEST模型的产水模块分析汉江上游流域生态系统的水源供给服务。[结果]10a间研究区林地、湿地和人工表面面积有所增加,耕地面积有所减少,草地面积基本稳定。年平均植被覆盖度总体呈上升趋势,变化率为0.005 1/a。2000,2005,2010年,汉江上游流域平均水源供给量分别为4.67×1010,5.22×1010,4.73×1010 m3。[结论]研究区水源供给量的时空变化是气候变化和土地利用共同作用的结果;降水增加对水源供给量增加起到一定的积极作用,土地利用变化导致的下垫面改变及生态系统好转可能是水源供给量下降的主要驱动力。     

黄淮海地区林地最小生态需水量研究

以黄淮海地区为例 ,对林地最小生态需水量的理论和方法进行探讨 ,研究内容主要包括 :(1 )从林地生态系统水量平衡关系出发 ,分析林地生态需水的各种表现形式 ,并对林地生态需水量概念进行界定 ;(2 )提出林地最小生态需水量的计算方法 ,对其中的土壤最小含水定额和最小蒸散定额进行理论探讨 ;(3)按照区域生态环境保护目标的要求 ,对黄淮海地区的林地合理面积进行规划 ;(4 )根据规划结果 ,在 GIS支持下计算研究区的林地最小生态需水量。研究表明 ,黄淮海地区的林地合理面积为 7.80万 km2 ,占总面积的 1 8.85 % ,其每年所需的最小水量为 6 0 7亿 m3 ,其中 ,林地蒸散需水大约为 4 83亿 m3 ,土壤含水需要 1 2 5亿 m     

陕西省神木县六道沟流域水平衡解析

选取处于黄土高原北部水蚀风蚀交错地带的六道沟流域为研究区,基于水平衡方程确定了陕北小流域水资源组成结构的各个分量。通过对水文数据和径流计算结果的分析,推求了流域水量收支的各个成分。考虑到人为因素的影响,居民的生活用水量和农业灌溉用水量因素被加入到水平衡公式中。结果表明,年蒸发量和径流量分别占年总来水量的74.5%和21.5%,年蓄水量变化接近于0,居民的生活用水量和灌溉用水量分别占年总来水量的2.8%和1.2%。研究结果可为水资源相对缺乏的黄土高原北部地区的水资源可持续开发和利用提供基础数据。     

灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时空分布量化分析

作物生产水足迹度量作物生产过程对不同类型水资源的消耗,为实现农业水资源管理与评价提供了更全面的新视角。该研究通过耦合土壤水分动态平衡模块,考虑输配水损失,构建灌区蓝、绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度分布式量化模型;以宝鸡峡灌区为例,定量评价不同典型年灌区蓝绿水资源与作物生产水足迹多时间尺度演变规律。结果表明:宝鸡峡灌区蓝绿水资源总量在2008-2017年呈上升趋势。各作物对绿水资源利用效率均持续上升,而小麦蓝水资源利用效率呈下降趋势;玉米、小麦生产总水足迹整体呈上升趋势,多年平均值分别为573和779 m3/t;作物生产绿水足迹在拔节-灌浆期占比较高,成熟期占比较低;作物生产水足迹在日尺度波动幅度最大;平水年、丰水年灌区用水存在不合理现象,枯水年作物生产单产水平最高,总水足迹最低,水资源利用效率最高。该研究所构建模型可移植适用于无排水渠系灌区水文模拟,准确量化灌区农业生产耗水,解析日-月尺度作物生产水足迹演变特征,有助于明确灌区作物耗水规律,进而高效利用绿水资源,合理配置蓝水资源,提高作物产量,实现高效生产。