基于Horton分形的河套灌区渠系水利用效率分析

大型灌区灌溉水利用效率是关系国民经济发展和水资源高效利用的重要评价指标。该文采用分维定律对内蒙古河套灌区输配水渠系布置结构与渠系水分利用效率进行评价。根据河套灌区现状的渠系资料,应用Horton定律计算出河套灌区及灌域的分形维数(乌兰布和1.14,解放闸1.86,永济2.21,义长1.8,乌拉特1.99,河套灌区1.88)。在此基础上对不同灌域的渠系水利用效率与分维值进行了分析,拟合了灌溉引水量、灌溉面积与分维值多元曲线,得出了渠系结构优化下的不同灌域的渠系水利用效率提高潜力(乌兰布和19.01%,解放闸28.8%,永济32.7%,义长27.07%,乌拉特30.7%)与灌区平均效率提高潜力(27.19%)。由此提出不同灌域渠系改造方案,对于灌区的科学管理与节水工程规划具有重要的理论意义和应用价值,同时对相似灌区的规划和节水改造具有很好的参考价值。     

基于水足迹的中国农业用水效果评价

为兼顾灌溉用水效率和总量控制评估区域农业用水效率,结合水足迹与灌溉发展状况构建了农业用水效果评价指标(agricultural water use effect,AWE),AWE越小农业用水效果越好。在核算2000—2014年间31个省区农作物水足迹的基础上,分析了中国AWE的时空格局及其与灌溉用水效率指标之间的关系。结果显示:中国年均农作物水足迹为1.097 2×10~(12) m~3,蓝水、绿水足迹分别占13.1%和86.7%,且均随时间增加;单位耕地面积农作物水足迹及绿水比例均呈现由东南向西北递减,研究时段内灌溉效率稳步提升,而由于灌溉用水规模的扩大和蓝水足迹比例的增长,AWE由2003年的0.113增长到2014年的0.137,中国农业用水效果呈恶化趋势;AWE空间差异大,且在不同年份均表现为黄淮海平原和西部省区较大而东南沿海较小;经济发达地区农业用水效果有明显改善趋势,而粮食增产任务加大的黑龙江省AWE的增速最大;AWE与传统灌溉用水效率评价指标无空间一致性,灌溉效率和水分生产率高的北方农业主产区应注重农业生产用水效果的评估与提升。农业用水效果评价可为区域灌溉用水效率提升与总量控制的科学研究与决策实践依据。     

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%。     

基于生态水文理念的流域水资源规划研究 ——以子牙河为例

传统水资源规划一般仅关注水文循环中的"蓝水"资源,忽视了占水文循环60%以上的"绿水"资源。基于生态水文理念来研究流域水资源规划方法,可实现区域可持续发展。本文以子牙河流域为例,从流域降雨着手,剖析大气降水、蓝水和绿水转化过程,构建基于生态水文理念下的流域水资源规划模型。通过调整种植结构、节水灌溉制度、产业结构、居民生活用水、养殖业用水等方案,以及南水北调中线配套工程措施,利用构建的流域水资源规划模型,对各项规划措施进行模拟。结果表明:75%保证率和50%保证率下,自然植被耗水量分别为76.3亿m3和88.2亿m3,农业生产耗水量分别为126.8亿m3和142.1亿m3。城市生活、工业生产、第三产业和农村生活耗水量均分别为7.9亿m3、2.6亿m3、3.1亿m3和3.3亿m3。相对于调整之前,75%保证率下,子牙河流域耗水量减少11.9亿m3,50%保证率下减少13.2亿m3。其中,占总耗水量最大的农业生产部门对耗水削减的贡献量最大,达到了7.6亿m3(75%保证率)和8.8亿m3(50%保证率),占总削减量的60%以上,表明种植结构和节水灌溉制度的调整对减少子牙河流域耗水量起到了重要作用。本文研究成果可为流域水资源高效可持续利用提供必要的技术支撑。     

有机肥和秸秆还田对河套灌区盐渍化土壤养分及微生物数量的影响

为探讨施用有机肥和秸秆还田对盐渍化耕地土壤的培肥效果及改土效应,以河套灌区典型盐渍化土壤为研究对象,对比分析了不施肥(CK)、化肥(CF)、化肥+有机肥(CFM)、化肥+秸秆还田(CFS)对土壤pH、有机碳、全氮含量、速效氮磷钾含量和微生物数量的影响,并通过简单相关分析和冗余分析研究等氮条件下浅层(0～20 cm)土壤化学性质与土壤微生物数量间的相关关系,揭示不同培肥措施下土壤微生物数量差异的驱动因子,明确施用有机肥和秸秆还田这2种主要培肥措施下土壤肥力的变化特征。结果表明:与CK处理相比,CFM和CFS处理的土壤pH分别降低了1.36%～1.78%和1.02%～1.44%,土壤盐渍化得到改善;CFM和CFS处理提高了土壤有机碳和全氮含量,土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量也显著增加,且施用有机肥的提升效果优于秸秆还田;在土壤微生物方面,CFM处理可显著提高土壤细菌数量(53.44%～59.78%)和放线菌数量(10.08%～16.79%),CFS处理可显著提高土壤真菌数量(29.99%～49.06%)。综上所述,增施有机肥和秸秆还田可有效降低土壤pH,增加土壤有机碳和速效养分;同时改善了土壤微环境,显著增加了土壤微生物数量。该研究结果可为河套灌区盐渍化土壤的改土培肥提供参考。     

内蒙古河套灌区节水潜力的估算

从作物需水量出发，考虑经济需水量、有效降水补给、生育期作物地下水利用量、输水损失、田间损失、无效蒸腾、非充分灌溉系数等因素后，建立了一个节水潜力的理论计算公式，继而利用一个调节因子，求得实际节水潜力。利用此方法对内蒙古河套灌区近、中、远期的节水潜力进行了估算，结果表明，河套灌区远期的节水潜力(灌溉面积100%达到目前的节水灌溉标准，这在今后25～30年时间里完全可以实现)，在不考虑压盐用水的情况下，可达20.02亿m³，约为现状用水量的40%左右。     

1992-2017年中亚五国农作物水足迹变化特征

本研究以中亚五国为研究区域,以农作物水足迹为评估手段,分析了1992—2017年间中亚五国农作物水足迹的时空变化特征,以揭示中亚五国农作物水足迹结构,厘清引起中亚五国水足迹变化的主要农作物的贡献。结果表明:1)中亚五国农作物水足迹时间变化特征明显,1992—2017年中亚五国农作物绿水足迹(-9.7×10~9 m~3)和蓝水足迹(-5.6×10~9 m~3)均趋于减少。中亚五国农作物水足迹空间分布差异显著,哈萨克斯坦农作物绿色水足迹最高(平均4.96×10~(10) m~3),且远高于其他4国(平均3.6×10~9 m~3),而蓝水足迹以乌兹别克斯坦最高(平均1.53×10~(10) m~3)。农作物绿水足迹和蓝水足迹增长率最大的国家分别是土库曼斯坦(87.6%)和吉尔吉斯斯坦(32.3%);绿、蓝水足迹减少率最大的国家分别是哈萨克斯坦(-20.7%)和乌兹别克斯坦(-24.2%)。2)中亚地区农作物绿水足迹主要以粮食作物为主,蓝水足迹以粮食作物和油料纤维作物为主;而粮食作物水足迹结构中,主要以小麦、水稻和玉米为主,油料纤维作物水足迹结构中,主要以棉花为主。3)哈萨克斯坦作为绿水足迹减少最多的国家,大麦(51.6%)和小麦(28.2%)的贡献最大;乌兹别克斯坦作为蓝水足迹减少最多的国家,棉花(61.9%)贡献最大。通过开展中亚地区的农作物水足迹研究,发现中亚农作物水足迹整体呈下降趋势,厘清了中亚地区引起水足迹下降的主要农作物种类,相关成果可以为中亚地区的农作物优化种植和水资源节约提供支撑。     

内蒙古河套灌区盐碱地治理中农户参与意识及其影响因素

内蒙古河套灌区土壤盐渍化现象非常严重,而对于在盐碱地治理中起重要作用的基层农户,其参与意识及影响因素仍不明确。本研究利用参与式调查方法,对内蒙古河套灌区农户的种植结构、管理方式、盐碱地认知程度及参与盐碱地治理意愿等方面进行了深入了解,并利用相对感知强度和多元逻辑回归等方法,分析了农户盐碱地治理的参与意识及主要影响因素。结果表明,河套灌区长期采用大水洗盐的灌溉方式,施肥类型以化肥为主,有机肥施用较少。大水洗盐导致地下水位普遍偏高,春季返盐现象严重;较少施用有机肥不利于土壤结构的改良,可见河套灌区农户没有通过改变种植和管理方式来治理盐碱地的意识。有54%的农户认为自家的耕地土壤盐渍化较为严重,但是很少有农户主动采取治理措施。有72%的受访者表示愿意投入资金治理盐碱地,但能接受的投入成本较低(不超过750元·hm-2)。影响农民参与盐碱地治理意识的主要因素是文化程度(P0.05),另外投入成本过高、缺乏技术支持等也是重要因素。因此,调整农作物管理模式、加强宣传教育、增加对农户的补助及技术支持是河套灌区盐碱地改良的必要方式。该结果可为扩大盐碱地治理的群众基础以及制定相关政策提供科学依据。     

节水灌溉对盐渍土盐分调控与土壤微生物区系的影响

河套灌区是我国大型自流灌区之一,盐渍化是该区土壤主要障碍因素之一。目前,河套灌区葵花田生育期灌溉量约为1 100～1 200 m3hm-2,灌溉用水量偏大和地下水位偏高已成为制约当地灌溉农业可持续发展的主要障碍:一方面,水资源浪费严重;另一方     

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。     

黄土区露天矿排土场水分调控技术研究

河套灌区是中国乃至亚洲最大的一首制自流灌区。目前河套灌区农田灌溉中存在的主要问题是灌溉水源不足,水利工程老化,田间工程标准低,节水灌溉推广缓慢,灌溉水浪费严重等。为了解决这些问题,河套灌区应从工程节水、农业节水、化学节水、管理节水等综合技术方面考虑。工程节水主要从渠道衬砌、激光平地、小畦灌溉等方面着手,同时积极开展节水灌溉,合理利用地下水。农业节水主要是做好种植区划,加强农艺节水,深耕蓄墒与秸秆还田,减少地面蒸发。化学节水是积极推广应用抗旱剂、保水剂和其它化学调控试剂。管理节水主要是加强用水管理,完善管理制度,建立"农民用水者协会"。     

区域灌溉水利用效率测算分析

在对内蒙古通辽市科尔沁左翼中旗水资源利用现状和农业灌区用水现状进行实际调查与分析的基础上,根据首尾测算分析法的计算原理,选择代表不同灌溉方式的典型样点灌区,开展相关的田间测试试验,分别用水量平衡法和田间测试法对典型样点灌区灌溉水利用效率进行客观、科学的计算,从而得出科尔沁左翼中旗灌溉水利用效率。通过测试与评估农业灌溉中不同类型田块及不同灌溉技术下的灌溉水有效利用系数,得出样点灌区主要灌溉方式低压管灌、喷灌和膜下滴灌的灌溉水利用系数分别为0.865,0.874,0.906。在2014年的水文气象条件、灌区灌溉系统状况以及灌区的管理等综合因素条件下,科尔沁左翼中旗的灌溉水有效利用系数为0.880。计算结果符合灌区实际情况,为进一步提高灌区灌溉水有效利用效率、更好的发展灌区节水灌溉提供决策依据。     

基于能值分析的黄河流域粮食生产系统蓝绿水资源利用评价

明晰水资源紧缺地区粮食生产系统中水资源的贡献和利用效率,是落实最严格水资源管理制度的基础。该研究结合水足迹计算和能值分析方法,构建粮食生产系统水资源能值评价指标体系,应用于2001－2016年黄河流域沿线小麦和玉米生产系统,解析沿线各省粮食生产系统中水资源能值投入、能值贡献与能值利用效率。结果表明：水资源能值投入增加,其中玉米绿水能值投入增幅达118.14%。蓝水能值贡献率高于绿水,青海、宁夏和内蒙古3省粮食生产系统水资源能值贡献率最大。水资源能值利用效率显著提升,绿水能值利用效率均高于蓝水,各省区水资源能值利用效率以河南和山东最高。研究结果可为黄河流域沿线农业生产系统水资源效率评价和优化配置提供方法参考。     

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。     

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。     

基于遥感蒸散发的河套灌区旱排作用分析

干旱区灌区大量引水灌溉造成灌溉地地下水位明显高于非灌溉地,进而导致地下水、盐从灌溉地向非灌溉地的迁移（内排水）及盐分在非灌溉地的积累（旱排）。为分析灌溉地与非灌溉地间的水、盐迁移,拟建立基于遥感蒸散发的灌溉地-非灌溉地水、盐平衡模型,应用于内蒙古河套灌区中西部4县（旗、区）。结果表明,研究区年均内排水量为3.55亿m3,与排水沟排水量相当;灌溉地向非灌溉地的年均迁移盐量为151.7万t,其中灌溉地年均脱盐0.4 t/hm2,非灌溉地年均积盐2.7 t/hm2。可见,内排水和旱排对于灌溉地土壤盐渍化控制具有重要作用,在灌区排水、排盐规划中应综合考虑排水工程系统与内排水、旱排的作用。     

基于多变量时间序列CAR模型的地下水埋深预测

为准确估计内蒙古河套灌区地下水埋深的变化规律,根据河套灌区沙壕渠灌域1988－2007年实测的地下水埋深、降雨、蒸发及引水量资料,基于多变量时间序列CAR（Controlled Auto-regressive）模型建立了地下水埋深的预测模型,并对模型进行了验证,并将模型在不同方案条件下进行了地下水埋深预测的应用。结果表明：河套灌区地下水埋深受到气候条件、引水量的影响较大。CAR模型预测效果良好,模型在沙壕渠灌域具有较好的适用性。预测方案显示,当区域蒸发量增加25%,降雨量减少34%,年引水量减少18%时,地下水埋深将达到2.21 m。提出的研究方法和结果可为灌区灌溉用水管理提供参考。     

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。     

垄膜沟灌对旱区农田土壤盐分及硝态氮运移特征的影响

引黄水量的执行性削减加剧了河套灌区农业水资源的紧缺程度及土壤次生盐渍化问题。采取合理的节水灌溉模式对缓解河套灌区农业用水紧张、改良盐渍化土壤、营造适宜作物生长的土壤环境具有重要意义。为明晰垄膜沟灌对河套灌区土壤盐分及硝态氮运移特征的影响及调控效果,通过4次田间沟灌试验,对比研究了高水、中水、低水及高肥、低肥6个组合处理条件下土壤盐分以及土壤硝态氮的变化特征。结果表明:垄膜沟灌条件下灌水量对土壤全盐量的影响高于施肥量,中水处理土壤全盐量始终维持在一个适宜且稳定的水平。灌水量和施肥量对土壤硝态氮含量均有不同程度的影响,中、低水处理后期硝态氮的淋溶显著低于高水处理。垄膜沟灌种植模式下中水低肥处理增加了土壤水分的有效性,抑制了土壤反盐,减少了垄上硝态氮的淋溶,在节水节肥的基础上为作物的生长发育提供了一个适宜的土壤环境,利于生物量的累积及最终产量的形成,在一定程度上解决了河套灌区引黄灌溉配额减少与漫灌洗盐方式严重浪费水资源之间的矛盾,为当地垄膜沟灌技术的推广提供了一定的理论依据与技术支撑。