耦合地下水模拟的渠井灌区水资源时空优化配置

为控制渠井灌区地下水位,合理确定地表水和地下水的分配方案,构建水资源时空优化与地下水数值模拟耦合的模型体系。以灌区缺水量最小、时段缺水率均衡和渠系单元缺水均衡为原则建立灌区地表水地下水联合利用的时间和空间优化模型,分别采用人工鱼群算法和粒子群算法求解,以优化的地表水供水量和地下水开采量为耦合变量,作为地下水模拟模型的输入,以丰、平、枯水年地下水位变幅之和最小为模拟目标,获得不同水文年地表水地下水的时空优化配置方案。泾惠渠灌区优化结果表明,丰水年和平水年不缺水,枯水年在2020年和2030年灌溉缺水分别为4 489万m3和3 941万m3,主要分布在12月、3月、6月、7月、8月。2020年丰、平、枯水年灌区平均地下水位变幅分别为0.49、0.06、-0.42 m,2030年丰、平、枯水年灌区平均地下水位变幅分别为0.21、-0.08、-0.26 m,基本上实现多年采补平衡。耦合地下水模拟的水资源时空优化配置方法,是渠井灌区实现水资源合理利用和生态健康的有效途径。     

引黄灌区水资源联合利用耦合模型

随着引黄水量日益减少,如何有效利用有限的地表水和地下水,成为内蒙河套灌区亟待解决的问题。该文以引黄水量最小和地下水开采量最大为目标,以控制各用水区地下水位在适宜范围作为约束条件,通过动态耦合地下水模拟模型与地表地下水联合利用优化模型,建立了灌区水资源联合利用耦合模型,最后应用此耦合模型对灌区2020和2030年的引黄水和地下水进行了优化分配。结果表明：通过合理调整产业结构和有效利用地表地下水,灌区2020和2030年的引黄水量分别为39.15、38.54亿m3/a,可以达到国家规定的40亿m3/a指标。研究成果可为黄河流域乃至全国其它干旱灌区的水资源高效利用、盐碱化防治等方面提供借鉴和参考。     

关中平原渠井双灌区地下水循环对环境变化的响应

为促进陕西关中平原渠井双灌区地下水良性循环,保障灌区水资源高效安全利用,以泾惠渠灌区为例,分析了灌区多年来地下水系统外部环境因素及地下水循环要素的变化特征,基于多变量时间序列CAR(controlled auto-regressive)模型建立了地下水位动态对环境变化的响应模型,利用验证后的模型对灌区不同环境变化情景下的地下水位埋深进行了模拟。研究结果表明:降水、蒸发、渠首引水、渠井用水比例是影响灌区地下水循环的主要外部环境因素;降水量减少、蒸发量增加,地下水各项补给量减少、排泄量增加,使得地下水位逐年下降,近34 a累计下降11.8 m;在多年平均降水量情景Ⅰ下(近56 a均值:513 mm),维持灌区地下水良性循环的适宜渠井用水比例为1.53,在多年平均降水量减少5%,即降水情景Ⅱ下(487 mm),适宜渠井用水比例为1.61。环境变化下不同渠井用水方案的研究,有利于灌区地下水的良性循环,可为灌区制定高效安全用水对策提供依据。     

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).     

红崖山灌区机井空间布局适宜性评价

灌区机井空间布局的适宜性评价对于地下水的合理开采与机井的布局优化具有重要作用。该文选择石羊河流域红崖山灌区为研究区,提取土地资源利用类型、地下水埋深、含水层厚度、单井出水量和地下水矿化度等影响因素作为机井空间布局的适宜性评价指标,根据影响因子属性的空间变异性,将灌区划分为366个评价单元,并采用熵权法确定各指标的权值和区域的综合评价值。结果表明,红崖山灌区机井的空间布局受地下水埋深和单井出水量的影响较大;研究区不适宜、不太适宜、一般、较适宜和适宜布井的面积比例分别为19.33%、24.33%、46.61%、7.33%和2.40%,较适宜和适宜布井的面积比例较小。研究结果为灌区机井空间布局提供了一定的理论依据。     

内蒙古河套灌区节水灌溉工程实施后地下水变化的BP模型预测

根据黄河河套灌区多年的水文、气象和地下水资料，应用不同的ANN—BP网络模型对灌区年、月地下水埋深的变化进行了模拟，预测了黄河河套灌区节水工程实施后未来灌区年平均地下水位下降的情况，从预测结果可以看出，河套灌区节水工程实施后灌区平均地下水位预计下降0.5 m左右。此外对BP模型的结构设计中隐含层数、隐含单元数和学习速率的合理确定作了具体分析，提出了学习速率取值范围lr=0.01～0.1，为河套灌区节水工程改造规划、设计和管理决策及BP模型的应用提供了参考依据。     

基于DRAINMOD模型估算灌区浅层地下水利用量及盐分累积

在灌溉季节,尤其是下游灌区,农田地下水位较高,作物可就地利用部分浅层地下水,从而减少灌溉需水量,达到节水减排的双重目的。大田作物对浅层地下水利用量的估算是合理制定灌溉淋洗制度及控制土壤盐碱化的前提,但其估算存在一定困难。该文假设当农田灌溉、排水等水文气象条件一致时,某一作物对浅层地下水的利用量等于该田块有、无作物(即裸地)2种情况下造成地下水位差异的水量。据此,首先建立了浅层地下水利用量的计算模型,并以某一半干旱灌区为例,利用田间水文模型-DRAINMOD模拟出有、无作物2种条件下农田地下水位变化过程,然后,计算了棉花、小麦轮作期内对浅层地下水的利用量;在此基础上,进一步分析了浅层地下水利用条件下土壤剖面的盐分平衡。结果显示,该文提出的计算模型能够较好的反映大田实际情况;研究时段内,田间地下水埋深平均值为2.1 m,单位面积上作物利用浅层地下水量为305.8 mm,主要发生在作物生长阶段,其中棉花生长季内地下水利用量约为160 mm。盐分平衡计算结果显示,浅层地下水的利用使得水位以上土壤剖面盐分含量增加,但1 m以内根区土壤盐分在降雨和灌溉作用下得到一定的淋洗,未超出作物耐盐极限,不会对产量造成显著影响。研究成果可为相关灌区制定合理的灌溉制度及提高水资源利用效率提供科学依据。     

考虑季节性冻融的井渠结合灌区地下水位动态模拟及预测

该文以季节性冻融灌区内蒙古河套灌区为研究对象,建立灌区冻融期地下水补排模型,与三维地下水数值模型相结合,构建适用于季节性冻融灌区的生育期-冻融期全周年地下水动态模拟模型。采用河套灌区2006—2013年灌区实测地下水埋深对模型进行了率定和验证,并针对河套灌区不同地下水矿化度可开采区(分别为2.0、2.5及3.0g/L)、不同渠井结合比设置了18种井渠结合节水情景,对其地下水动态进行了预测。结果表明,该文构建的冻融期模型能准确反映其地下水动态过程;井渠结合后地下水埋深变化与井渠结合区地下水开采利用的矿化度上限和渠井结合比有关,井渠结合区地下水矿化度上限越大,渠井结合比越小,地下水埋深增加越多;实施井渠结合后,灌区生育期平均地下水埋深增加0.103~0.445 m,秋浇期增加0.076~0.243 m,冻融期增加0.096~0.216 m;从空间上看,全灌区年均地下水埋深增加0.096~0.316 m,井渠结合区增加0.346~0.635 m,非井渠结合区变化较少,一般不足7 cm。该文为季节性冻融灌区开展大规模井渠结合灌溉提供参考。     

基于径向基函数神经网络的地下水数值模拟模型的替代模型研究

近年来提出的替代模型方法是一种连接数值模拟模型与优化模型的有效途径,替代模型质量的好坏取决于采样方法和替代模型种类。以金泉工业园区地下水水源地为研究区,基于拉丁超立方抽样方法,结合研究区地下水数值模拟模型,获取输入(抽水量)输出(水位降深)数据集,运用人工神经网络方法,建立径向基函数神经网络模型,作为地下水数值模拟模型的近似替代模型。经验证,径向基函数神经网络模型输出得到的水位降深均值与模拟模型计算结果的拟合平均相对误差为0.038;水位降深剩余标准差的拟合平均相对误差为0.042。拟合平均相对误差较小,表明径向基函数神经网络模型能够有效地替代地下水数值模拟模型,为日后替代模型的深入研究提供了科学依据。     

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。     

基于渗流井理论的放水试验数值模拟及水文地质参数不确定性分析

[目的]建立可靠的地下水数值模型,为煤矿矿坑涌水的预测提供参考。[方法]采用Modflow-2005中的Conduit Flow Process(CFP)方法对某煤矿放水试验进行模拟,并用局部灵敏度分析方法进行水文地质参数不确定性分析。[结果]建立了"渗流—管流耦合模型",经过反复调参,分析拟合结果,求得最佳拟合的水文地质参数。通过灵敏度分析,获得最大的灵敏度参数。[结论]研究区内含水层渗透性差异比较大,在疏放水过程中要做好预防措施;灵敏度分析结果表明,井管C值对放水试验影响最大,纵向上侏罗系下统延安组渗透系数的影响大于其他含水岩组。     

基于井电双控平台的地下水流场动态监测与提取

[目的] 基于灌区已建成“井电双控”平台的优势，提出利用抽水井水位来获取开采期地下水流场的动态变化，为地下水资源的科学管理及合理利用提供技术支撑。[方法] 利用Processing MODFLOW软件模拟得出研究区的仿真流场，以此作为抽水井水位确定流场的判别标准，并对该方法下流场的拟合效果进行评价与改进。[结果] 直接使用抽水井水位得出的流场较仿真流场整体偏小；使用抽水井降深修正后的水位得出的流场与仿真流场拟合效果较好，但实际中需要结合模型计算；在部分抽水井内安装水位监测设备基础上增加专用监测井，其得到的动态流场与仿真流场接近且易于实现，说明该方法可用于研究区流场的动态监测。[结论] 基于“井电双控”系统下，将抽水井作为监测井的方法有效解决了因地下水监测站网密度低、信息传输时效性差等造成对地下水管理存在偏差的问题，对加强地下水位—水量的双控管理及区域地下水资源的保护具有一定的应用价值。     

人工草地牧草优化种植结构和地下水资源可持续利用

用响应矩阵法将牧草生育期耗水量、灌溉抽水量及其抽水量对地下水系统水位降深的响应关系相嵌在一起，建立了确定地下水资源可持续利用决策的非线性多目标模型，用排序的表现矩阵度量可行解对所有目标总体表现优劣程度的向量比较多目标遗传算法求解模型，得出人工草地牧草最佳种植结构方案和地下水资源可持续利用决策。     

自然-社会水循环模型估算平原-丘陵-湿地区水稻种植潜力

自20世纪中叶以来在平原-丘陵-湿地区随着井灌水稻热的兴起,水稻种植面积急剧扩大甚至超过此类地区水稻种植潜力,引起了湿地面积萎缩、地下水水位下降和水质恶化等问题。为解决这些问题,该文构建自然-社会二元水循环模型揭示人类影响下的平原-丘陵-湿地区水循环机理,进而推算适宜的水稻种植面积。首先,利用数值法构建了基于栅格的分布式水文模型,然后在此模型中嵌入人类活动影响模型从而构建了二元水循环模型。根据水稻种植潜力阈值抽取河道水量极值、地下水最大埋深、地下水最大降深和最大地下水开采量等因素与旱田作物种类组合了18种情景模式。在满足控制阈值条件下,依据多年平均日降雨、蒸发和情景模式利用二元模型计算了各种情景的水田种植潜力,由潜力分析得:18种模式地下水最大埋深在5.17～7.49 m之间,地下水最大降深在1.67～3.73 m之间;水田处最大坡度范围0.028～0.053;河道引水量占河道水量的50%～70%;地下水开采比例在79%～112%间;水稻种植潜力为28.36万hm~2～54.12万hm~2,来自旱地面积为21.05万hm~2～40.32万hm~2,来自未利用地面积为5.68万hm~2～11.09万hm~2。以情景模式17为例在水田生育期内对河道生态需水量、地下水水位和旱地作物蒸发等进行了检验,验证得到:整个水稻生育期内分区流域地下水埋深均小于7.12m,开发水田的分区流域基流比最小值为33.45%,分区流域旱田平均蒸发与1990年土地类型情景下的分区流域旱田平均蒸发的比值大部分位于0.98～1.05,说明水稻生育期内情景17对河道水量和地下水水位的影响在控制范围内,对旱田蒸发影响比较小,因此情景模式17的水稻种植潜力是可行的。研究可为描述平原-丘陵-湿地区的水文循环过程和推求水田开发潜力提供依据。     

利用作物水盐生产函数和土壤水盐动态模型制定咸水灌溉制度

Using a crop-water-salinity production function and a soil-water-salinity dynamic model, optimal irrigation scheduling was developed to maximize net return per irrigated area. Plot and field experiments were used to obtain the crop water sensitivity index, the salinity sensitivity index, and other parameters. Using data collected during 35 years to calculate the 10-day mean precipitation and evaporation, the variation in soil salinity concentrations and in the yields of winter wheat and cotton were simulated for 49 irrigation scheduling that were combined from 7 irrigation schemes over 3 irrigation dates and 7 salinity concentrations of saline irrigation water （fresh water and 6 levels of saline water）. Comparison of predicted results with irrigation data obtained from a large area of the field showed that the model was valid and reliable. Based on the analysis of the investment cost of the irrigation that employed deep tube wells or shallow tube wells, a saline water irrigation schedule and a corresponding strategy for groundwater development and utilization were proposed. For wheat or cotton, if the salinity concentration was higher than 7.0 g L^-1 in groundwater, irrigation was needed with only fresh water; if about 5.0 g L^-1, irrigation was required twice with fresh water and once with saline water; and if not higher than 3.0 g L^-1, irrigation could be solely with saline water.     

再生水灌区地下水硝态氮空间变异性及污染成因分析

为了深入了解北京市再生水灌区地下水硝态氮空间分布规律及污染成因,该文基于地统计学理论、结合ArcGIS软件的地统计分析功能,绘制表达了该区域地下水硝态氮随机性和结构性的半变异函数图和空间分布图。结果表明,研究区域地下水硝态氮含量服从对数正态分布,且与1阶高斯克里格模型拟合最好,从获得的参数可知,地下水硝态氮的空间变程为9639.36m,为反应灌区硝态氮的分布特征,2个监测点的距离不应大于变程;其块金效应为0.43,表明地下水中的硝态氮含量的变化是结构性因素与人为因素共同作用的结果,同时还发现土地利用类型、地下水的开采强度与区域地下水是否容易遭受硝态氮的污染有很大的相关性,监测井深度越小、地下水位降幅越大,地下水硝态氮增幅越大,再生水蓄积区(坑塘水面)对应区域产生地下水硝态氮污染的风险较小。研究结果可为再生水的安全利用提供参考。     

新疆干旱区成龄核桃滴灌制度优化

科学合理的灌溉制度是提高灌水利用效率的主要因素。该研究采用HYDRUS-2D模型结合寻优模型相结合的方法,研究新疆核桃滴灌优化制度。利用2018年和2019年定点观测土壤水分数据进行模型率定与验证;利用模型设定128种情景进行模拟研究,分析南疆干旱区滴灌成龄核桃不同灌溉制度下的深层渗漏和水分胁迫。应用模型结合灌溉制度寻优函数探求滴灌条件下成龄核桃各灌溉制度土壤水分通量。结果表明:HYDRUS-2D模型模拟土壤含水率精度较高,R2为83.03%～83.73%,均方根误差在0.016～0.017cm~3/cm~3范围。根据模型模拟结果,推荐新疆干旱区核桃滴灌制度为灌水定额35 mm,灌溉11次,灌水周期9 d,灌溉定额385 mm或者灌水定额50 mm,灌溉7次,灌水周期14 d,灌溉定额350 mm,在以上滴灌制度下,可最大限度减少农田水分损失和提高灌水利用效率。该研究可为制定南疆滴灌条件下成龄核桃适宜灌溉制度提供参考。     

利用地下水模型模拟分析灌区适宜井渠灌水比例

为了获取泾惠渠灌区适宜井渠灌水比例,科学合理地确定农业节水方案,该文综合应用ArcGIS和PMWIN地下水模拟软件建立了灌区的地下水分布模拟模型,根据灌区历年农业用水实际情况设定了10种灌溉情景模拟灌区地下水位的变化趋势,通过地下水模型分析研究了灌区井渠灌水比例。利用VB程序语言改写EVT蒸发蒸腾子程序包,使其能模拟非线性蒸发,潜水蒸发量计算精度得到较大改进。研究表明:1)渠首有效灌溉引水量在3.7～4.1亿m3,井渠灌水比例控制在0.35～0.55,基本可以保持灌区地下水采补平衡;2)渠首有效灌溉引水量在1.5～2.0亿m3,井渠灌水比例控制在0.5～0.7,也能实现灌区地下水采补平衡;3)目前井渠灌水比例在0.9～1.2,已引起灌区地下水超采。建议井渠灌水比例控制在0.5～0.7,加大农业节水力度、增加水价财政补贴、进行地下水人工调蓄,实现灌区水资源高效持续利用。