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。     

平板闸门自由-淹没孔流统一流量率定模型

中国灌区的常用量水方法中，利用水工建筑物尤其是闸门量水是目前应用最为广泛的，但传统的闸门过流公式林林总总，实际应用中需区分自由、淹没流态选择对应的公式，理论值与实测值偏差较大，该研究拟提出一种基于实测数据率定的形式简单、可应用于多种流态的流量计算模型。主要采用三维数值模拟的方法，通过建立实际水闸的三维流体力学模型，研究不同流态下的闸门水力特性，并结合室内模型试验和野外原型观测提出基于实测数据率定的流量计算模型。研究步骤为：1）验证基于实测数据的率定模型的有效性及精确性；2）分析该模型应用于闸门不同流态的率定效果，判断其是否可用于自由及淹没孔流建立统一的流量关系；3）对所提出的模型方法进行野外实测数据验证，并进行误差来源分析。结果表明：1）该模型能够进行区分流态的率定且精度较高，90.63%的数据误差在5%以内；2）该模型能够统一自由-淹没孔流率定，使用仿真数据进行统一率定时数据误差在5%以内的占比为86.67%，使用南水北调中线某闸门8、10、11月份验证模型精度可达到77.64%的数据误差在5%以内，95%以上数据误差在10%以内的效果。该模型具有简单、光滑连续的特点，在实际工程应用中建议通过大量实测提高模型精度。     

水稻灌区水量转化模型及其模拟效率分析

为更合理地定量描述和研究分析南方丘陵水稻灌区水量及其转化关系,在已构建的水稻灌区分布式水量平衡模型（改进SWAT模型）的基础上进一步从模型模拟结构、稻田水量平衡要素（蒸发、降雨、渗漏和灌排）模拟和渠系渗漏影响等方面对模型予以改进完善,以期能合理体现灌区特征,充分描述灌区水文过程,提高模拟精度,为灌区水量转化和节水潜力分析研究提供有效手段。文中将完善相关改进的模型应用于漳河灌区典型流域,并将其模拟结果与原SWAT模型模拟结果比较分析。结果表明：改进SWAT模型径流模拟总量与实测值基本一致,相对误差在±10.0%之内;Nash-Suttclife效率系数达到0.57～0.76;评价系数均在0.85以上。原SWAT模型径流模拟总量仅占实测值的30%～40%;Nash-Suttclife效率系数均低于0.50,甚至出现负值;评价系数在0.76～0.91之间。改进SWAT模型水稻蒸发蒸腾量模拟值与试验值相对误差仅为-4.76%,评价系数为0.93,Nash-Suttclife效率系数高达0.85;而原SWAT模型模拟值与试验值相对误差高达-38.49%,评价系数为0.73,Nash-Suttclife效率系数为负值。可见,改进SWAT模型因全面考虑水稻灌区水文特征,其模拟效率明显优于原SWAT模型,更适合于南方丘陵区水稻灌区的水文循环模拟。     

基于粒子群人工蜂群算法的灌区渠-塘-田优化调配耦合模型

为了缓解农业水资源供需矛盾,减少南方季节性干旱造成的损失,该文结合南方灌区渠、塘、田地复杂的水量转化关系,建立了以灌溉区域效益最大为目标的渠-塘优化调控与田间多种作物优化配水相结合的耦合模型;根据该模型的特点,提出了模型求解的粒子群-人工蜂群混合算法。将模型应用于漳河灌区,并与常规的渠-塘调控和作物配水模型和只考虑作物优化配水模型相比较。结果表明,渠-塘-田地协同调配效果显著,耦合模型计算所得特别枯水年(降雨频率为95%)下灌溉用水效益比采用其他2种模型分别提高了20.7%和6.9%。粒子群-人工蜂群混合算法能快速求解该优化调配耦合模型,有利于解决多水源、长距离输配水、库塘共同调控等复杂情况下的高效用水模型的求解问题。     

基于遥感蒸散发的区域作物估产方法

灌区作物产量估算对农业用水效率评价和灌区水分管理具有重要意义。该研究以干旱区代表性灌区-内蒙古河套灌区主要农作区为研究对象,基于遥感蒸散发模型HTEM和遥感作物识别结果获取河套灌区玉米生育期日蒸散发量。选取Jensen模型、Blank模型和Stewart模型3种常用水分生产函数模型,建立河套灌区玉米估产模型,并分析各估产模型的适用性及其参数。结果表明,研究区玉米生育期多年平均蒸散发量约为526 mm。3个模型均有较高的估产精度,其中Stewart模型的产量模拟精度最高,相对误差为4.30%,相关系数为0.75。因此,Stewart模型在河套灌区具有更好的适用性,基于遥感蒸散发模型、遥感作物识别模型和作物水分生产函数模型建立灌区作物估产模型可以取得良好的模拟效果。     

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。     

梯形喉口无喉道量水槽设计及其水力性能模拟与试验

为了解决灌区普遍存在的通过增大水头损失来提高测流精度的问题,该文提出了一种具有梯形喉口的无喉道量水槽,并给出了量水槽参数与渠道尺寸的比例关系。该文在原型试验基础上,通过Flow-3D软件对过槽水流进行了数值模拟,分析了测流过程中水流流态、纵向时均流速分布、水头损失、湍动耗散沿程变化以及测流精度。研究结果表明:纵向时均流速分布和水流流态的模拟值与实测值最大相对误差均不超过10%,其模拟结果与实测结果较为吻和;基于临界流原理和能量守恒推出的水位流量关系式,进一步回归分析得到测流公式,其计算值与实测值最大相对误差为9.21%,满足量水精度要求;水头损失随着流量增大而增大,当流量大于45 L/s时,增大趋势明显变缓;最大水头损失不超过上游总水头10%,相比长喉道、巴歇尔、抛物线形量水槽水头损失较小。该研究可为灌区渠道量水设施设计提供参考。     

降雨对土壤水分特征影响研究

降雨渗透、产生径流,诱发山体崩塌、泥石流或产生水土流失。研究降雨~径流~土壤水分的关系,阐明土壤中水分运动现象,提高山地灾害预测精度。2006年,日本京都大学梁伟立等人采用土壤样本室内试验、室内与野外结合试验、野外观测试验法,对雨水渗透过程的模拟精度进行解析。室内试验法不能模拟实际浸透现象;室内与野外结合试验法与室内试验法接近;野外观测试验法,雨水的储水量、基质位能变化趋势与观测值一致,能模拟实际浸透现象,测试精度较高。     

考虑流固耦合的厚壁输水管水锤和振动特性分析

厚壁管对瞬变流具有很高的抗风险能力，在输水系统中得到了广泛的应用。为了研究厚壁管中流固耦合现象，该研究考虑轴向应力的缓冲效应，基于薄壁管流固耦合分析模型（薄壁模型），建立并提出了适用于厚壁管流固耦合一维模型（厚壁模型）。采用有限体积法对模型求解，压力振荡数值结果与已有的试验结果峰值相对误差低于4.5%，说明厚壁模型是可靠的。在此基础上，从压力振荡、波速及管道振动角度比较了两模型差异：薄壁模型和厚壁模型模拟波速与试验结果相对误差分别为4.6%和1.3%；相对薄壁模型结果，厚壁管模型显示压力振荡周期和幅值均增大，流体模态频率减小了0.24 Hz，结构模态频率增大了0.38 Hz。此外，当输水管道厚径比<0.05，厚壁模型仍具有一定可靠性。该模型扩展和改进了常用薄壁模型，使其同时适用于厚壁管及薄壁管流固耦合分析。     

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模拟及验证

沟灌地表水流与溶质动力学耦合模型可为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供有力工具,然而已有相关模型无法考虑沟底相对高程随机分布,且存在溶质对流和弥散过程的分裂误差以及由此带来的不稳定性等缺陷。为此,该文采用守恒型全水动力学方程和对流-弥散方程描述沟灌地表水流与溶质运动过程,借助双时间步法和有限体积法,并在地表水位相对高程梯度向量离散式中引入额外项,以精确模拟考虑沟底相对高程随机分布下地表水流推进与消退过程,实现了无条件稳定性下对沟灌地表水流与溶质运动所有物理过程的动力学耦合模拟。借助全程、前半程和后半程施肥时机下9个典型沟灌施肥试验实测数据,验证了模型的模拟效果。结果表明,模型能以优良的拟合度模拟出考虑地表相对高程随机分布下沟灌地表水流推进与消退过程,以及地表溶质浓度演变过程,且水量与溶质量的质量守恒误差小于0.1%,有效克服了已有模型的缺陷,为沟灌施肥系统的优化设计与管理提供了优良的数值分析工具。     

考虑灌溉参数空间变异的区域畦灌模拟与验证

精确评估区域畦田灌水质量有助于提高农田灌水管理水平,而具有空间变异性的灌溉参数如何有效表征是影响区域畦田灌水质量精确模拟评价的关键因素。为此,该研究的目的在于借助Monte-Carlo抽样,建立考虑畦灌参数空间变异性的区域畦灌模拟方法。采用Monte-Carlo抽样将具有空间变异性的区域灌溉参数(如入畦单宽流量、土壤砂粒含量、黏粒含量、土壤容重等)离散表征为若干个灌溉参数样本,依次输入田块尺度畦灌地表水流-土壤水动力学耦合模型,以模拟评价区域畦灌过程。基于3次区域畦灌试验的实测数据和1个对比的确定性畦灌模拟方法,验证建立的模型的模拟效果。结果表明,所建模拟方法与确定性模拟方法模拟计算的灌水效率和灌水均匀具一定差异,所建模型的模拟值与实测值间的灌溉定额和田间水利用系数相对误差分别为9.95%~12.23%和8.39%~10.21%,而基于现有模型的相对误差则分别为14.15%~16.78%和13.87%~15.88%,畦田平均土壤含水率实测值与所建模型模拟值的累积分布趋势表现出良好的一致性。上述指标表明所建模拟方法有效缩小了区域灌溉参数空间均化处理所带来的模拟误差范围较大等问题,为区域畦田灌溉优化设计和管理提供了技术支撑。     

欧拉法融合拉格朗日法高效模拟灌溉二维地表水运动规律

大规模现代化农业灌溉管理下,为实现快速高效地获知灌溉水运动及其分布的目的,该文基于二维浅水方程组的欧拉-拉格朗日混合型表达形式,提出了一种高效简洁的欧拉-拉格朗日混合解法。该解法的基本物理变量被严格地定义在欧拉型非结构化三角形有限体积单元格上,且变量在单元格之间呈现出阶梯分布状态,以精准地捕捉各类地表浅水波动并有效地保持质量守恒性;由于控制方程中不存在水运动的对流梯度项（或位置加速度项）,仅通过拉格朗日迹线追踪的形式获得未知与已知时间步之间的变量关系,故与广泛应用的欧拉解法相比,离散格式表达式极为简洁易用;在地表水运动的干湿边界处,地表水位梯度项被做了修正,以严格地保证各物理量之间的数值平衡,进而能高精度的模拟整个畦田内的地表水流推进/消退全过程。为验证模型的模拟性能,选取一种高效的欧拉解法（非迭代型全隐式标量耗散有限体积法）求解二维浅水方程组做为对比模型,基于3个典型畦灌试验的实测数据,从模拟精度、质量守恒性和计算效率3个方面,对比分析了2种数值解法的性能。结果表明,2种解法在模拟精度方面相差无几,且欧拉-拉格朗日混合解法比欧拉解法具有更好的质量守恒性;在计算效率方面,欧拉-拉格朗日混合解法比欧拉解法的效率提高了约5.3倍。故该文提出的二维浅水方程组的欧拉-拉格朗日混合解法,更适用于二维灌溉地表水运动的模拟分析。     

基于LMDI-SD耦合模型的绿色发展灌区水资源承载力模拟

针对灌区大量引水导致的河道断流、生态环境恶化以及水资源利用效率不高等问题，开展绿色发展模式下水资源承载能力模拟研究。以宝鸡峡灌区为研究区，基于Divisia指数分解、Kaya恒等式以及系统动力学理论，提出对数平均迪氏分解与系统动力学耦合模型，从需水机理出发识别灌区用水量变化的主要驱动因子；运用情景分析法，考虑生态需水、高效节水、产业结构调整和外调水等情景设置5种模拟方案，对2017－2030年灌区需水量进行动态模拟；引入水资源承载指数探讨规划年2025年和2030年的水资源承载力水平。结果表明：灌区各部门用水定额对用水量变化起主要驱动作用；按方案1（现状发展模式），2025年水资源基本可承载灌区社会经济发展，但2030年出现轻度超载；方案5（绿色发展模式）通过对用水变化主要驱动因子的调控，到2030年，水资源承载指数均小于1，属于可承载状态。研究表明，通过合理的调控措施可有效地缓解灌区水资源供需矛盾、提升水资源承载能力。本研究可为干旱半干旱灌区绿色发展模式下水资源合理开发提供科学的决策依据。     

微孔管渗灌时土壤水分运动的有限元模拟及其应用

为了深入了解新型微孔渗灌管的灌水性能，提供推广应用渗灌的科学理论和技术依据，建立了含有第3类边界条件的二维微孔管渗灌土壤水分运动的数学模型，采用有限单元法进行了模拟。检验结果表明模型具有较高的精度。模型的仿真应用结果表明：供水水压力、土壤初始含水率、渗管的渗水速率等对渗灌效果都有明显影响。供水压力增大渗灌后土壤湿润范围内的平均含水率增大。初始含水率越高，湿润锋越不明显，总渗水量越小。随着渗管渗水速率的增大，渗管周围将出现饱和区，并存在渗水速率临界值，该值与土壤初始含水率有关。增加渗管的渗水速率可以提高渗灌的灌水效果。     

机压喷灌干管管网优化的模糊线性规划法

在考虑了机压管道式喷灌系统配水干管管网流量变化的基础上,针对该管网控制点压力约束所具有的模糊性,建立了管网优化计算的模糊线性规划模型,在模型的求解过程中,通过适当的变换,将模糊线性规划问题转换成普通的线性规划问题。应用上述模型,可进行机压管道式喷灌系统配水干管管网的优化计算,可确定水泵最优扬程及干管各管段尺寸最优值,以使干管管网系统年费用值达最小。与普通线性规划模型相比,所提出的方法可使设计结果更加经济合理。     

考虑水温的塑料硬管沿程水头损失计算公式探讨

根据已有的塑料硬管沿程水头损失计算公式,采用多元线性回归计算方法,提出了微灌塑料硬管沿程水头损失计算公式,这一公式同时考虑了管径、流速和水温等影响因素,使计算结果更加符合实际。通过分析,认为这一公式能满足设计要求,可用于微灌工程的设计计算     

撒施肥料一维畦灌地表水流与溶质运移模型构建与验证

模拟撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移过程可为采用先进的畦灌液体施肥方式提供对比依据。该文基于湍流理论垂向流速线性与对数分布规律及不可压缩流体力学连续方程,构造沿畦长及任意垂向断面的非均布流速场和溶质浓度场,建立起撒施肥料下的一维畦灌地表水流与溶质运移模型,并利用典型畦灌施肥试验结果,检验该模型的模拟效果。结果表明,建立的模型不仅具有在撒施肥料状况下较好模拟地表水流运动和溶质浓度时间变化过程的能力,还具备较佳的水量和溶质质量守恒性,从而为评价撒施肥料下的畦灌施肥系统性能及与其它施肥方式下的畦灌施肥系统性能对比,提供了实用的数值模拟工具。     

渗灌的非饱和土壤水二维流动的探讨

本文对渗灌条件下的非饱和土壤水二维流动问题进行了探讨。对水平二维流及垂直二维流均进行了重复实验,并建立了相应的非饱和土壤水二维流的数学模型。按有限差分的计算方法求到数学解且与实验结果相符合,验证了该数学模型的可行性。同时应用数学模型对田间渗灌在不同条件下(如不同初始含水量、不同的土质、不同的密实度及不同直径供水管等几个主要因素)的非饱和土壤水二维流进行了模拟计算。根据计算结果分别就上述各影响因素对田间渗灌的非饱和二维流动的差异性进行了分析,由此对田间渗灌中若干问题提出初步看法。     

设施农业雨水集蓄利用与番茄灌溉方案优化

为充分利用雨水资源,提高设施农业灌溉用水效率,该研究对雨水蓄水池容积和大棚番茄灌溉方案进行了优化。以天津市武清区一设施农业小区为研究区,根据2020年6个场次降雨,对蓄水池集雨情况进行分析,基于AquaCrop模型优化大棚番茄灌溉方案,最终设置3种集雨灌溉情景,采用水量平衡法,分别绘制不同情景的丰、平、枯水年雨水集蓄系统的评价指标变化曲线,综合分析其变化特征并确定雨水蓄水池最优容积。结果表明：研究区已建蓄水池集雨率约为57%,有较大改进空间;番茄优化灌溉方案与实际灌溉方案相比,在产量仅减少5.5%的情况下,可节省水量23.6 m3,水分利用效率和灌溉利用效率分别提高7.2%和39%,说明优化方案在保证作物产量的同时可有效节水;实际集雨率和实际灌溉情景下,雨水蓄水池的最佳容积平均值为362 m3,在优化灌溉方案和提高雨水收集设施集雨率后,容积平均值分别为298和288 m3,说明节水灌溉和提高雨水蓄水池集雨率等措施,对雨水蓄水池容积优化和提高复用率具有显著影响。该研究可为指导农业雨水集蓄利用工程建设、促进非常规水利用的推广、保障农业可持续发展提供参考。