干旱区引水灌区灌溉退水计算方法

准确计算干旱地区灌区退(回归)水,对水资源高效利用具有重要意义。针对中国西北干旱地区大量引水灌区的特点,该研究结合退水单位线和"水桶模型"(根系层的水均衡模型)建立了灌溉退水计算模型,并将该模型应用于甘肃省景电灌区(黄河流域部分)的退水计算,结果表明:灌区退水量计算值与监测值拟合良好,模型率定期和验证期决定系数分别为0.82和0.71,模型可靠。2000年至2019年深层渗漏量和退水量的分析结果表明:年深层渗漏量与净灌溉和有效降雨的总量呈显著正相关,相关系数r=0.718(P0.01);月深层渗漏量受灌区作物生长期的影响显著,69.6%的深层渗漏在冬灌(10-11月)期间产生;年深层渗漏系数与年深层渗漏量呈显著正相关(r=0.944,P0.01);月深层渗漏系数在作物主要生长期(4-9月)小于0.4,非生长期(11月至次年2月)大于0.8;年退水量与年深层渗漏量呈显著正相关(r=0.716,P0.01);月退水量与月深层渗漏量相关性较差,原因是灌溉退水存在明显的滞后性;研究区退水单位线表明灌溉退水滞后峰值在2个月左右,但深层渗漏对退水的影响可达24个月左右。退水单位线的参数具有明确的物理意义且易于确定,针对灌溉退水具有明显滞后性的干旱地区,该方法能够有效计算灌区灌溉退水量,可为灌区水资源管理和决策提供科学支撑。     

基于排水过程分析的水稻灌区农田面源污染模拟

对前郭灌区主要面源污染物迁移、转化及汇集过程开展了2a的系统试验与监测,模拟了灌区面源污染水质水量过程,分析了灌区农田面源污染形成机制。水均衡测定结果表明,灌区排水主要由灌溉退水、稻田地表弃水和稻田渗流排水3部分组成,采用马斯京根法和连续分段马斯京根法能够有效地模拟各级排水沟道的排水过程。主要面源污染物随水体发生迁移及掺混,采用一级动力学方法描述污染物转化过程,模拟的灌区水质水量过程与实际过程符合较好,稻田地表退水主要影响水稻抽穗前的面源污染入河过程,而渗流排水则在抽穗后灌区排水水质中起主要作用。结果表明水稻灌区中地表排水和稻田渗漏排水对于面源污染过程起主要作用。     

不确定条件下考虑水循环过程的灌区多水源高效配置

灌区多水源配置涉及"大气水-地表水-土壤水-地下水"水循环过程，水文要素的变化增加了灌区多水源配置的复杂性，如何在不确定性条件下考虑农田水循环过程，将有限的不同来源的水量高效的分配到作物不同生育阶段，对促进灌区精准灌溉具有重要意义。基于此，该研究在径流与降水联合不确定性条件下，建立基于水循环过程的灌区多水源高效配置多目标模型，该模型耦合了Jensen模型与水短缺足迹模型，以实现节水增效的目的，并获得灌区高效配水方案对径流-降水联合不确定性的响应特征。结果表明：在不同径流与降水的组合情景下，基于各情景配水方案及发生概率，灌区主要生育期的综合配水量为2 241万m3，地表水与地下水的分配比例为6.5∶1，田间实际配水量占灌区可分配水量的95%；经济效益与田间配水量呈正相关关系，而水短缺足迹与田间配水量呈负相关，所构建的模型权衡了灌区经济效益、产量、蓝水利用量多个相互矛盾目标，与实际情况相比，灌区水分生产力可提高11%；不同情景下各生育阶段需要灌溉的程度不同，拔节期对缺水的敏感性最强，且水量分配变幅较大；分蘖期、拔节期和乳熟期采用以地表水灌溉为主，而抽穗期采用以地下水灌溉为主的方式可促进灌区节水增效；多水源配置方案使灌区灌溉的有效性在各情景下均呈现良好状态，可靠性在良好和中等水平之间，而灌区在灌溉的充分性方面有很大提升潜力。构建的模型能够反映水文要素的动态变化对灌区多水源配置的影响，明晰渠首引水与田间多水源配水的相互关系，并提出效益与用水效率同步提升的多水源配置方案，为灌区农业水资源的高效利用提供决策支持。     

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。     

土壤水盐与玉米产量对地下水埋深及灌溉响应模拟

引黄水量的削减将进一步加剧宁夏银北灌区农业用水短缺问题,合理应用地下水进行灌溉对保障作物产量具有重要意义。为探究地下水灌溉条件下土壤水盐与作物生长的互馈机制,该研究修正了HYDRUS-1D的土壤蒸发模块,并嵌入可模拟作物生长与产量的EPIC模块,以此提高该模型在农田水文过程模拟中的适用性。采用2008年银北灌区不同水质灌水处理的玉米田间试验数据对模型进行了率定与验证。进一步应用该模型探寻地下水灌溉条件下,土壤水盐动态及玉米产量对地下水埋深变动及灌溉的响应规律。结果表明,玉米产量随地下水埋深增大呈现先增后减趋势,为保障玉米产量应将地下水适宜埋深控制在140~155 cm,且灌水量不宜低于现状灌水量,即玉米生育期内灌3水,每次900 m3/hm2。该研究对干旱银北灌区农业生产具有重要意义。     

基于小流域划分的拉林河流域农业非点源污染物入河量估算

针对拉林河流域土地利用类型及气候特点,将输出系数模型和GIS技术相结合,以小流域为计算单元,对拉林河流域的非点源污染负荷进行了计算。计算结果表明:流域内COD负荷为16 454.83 t/a、TP负荷为668.80 t/a、TN负荷为1 319.08 t/a;灌区退水对流域内非点源污染负荷的贡献相对较大,由灌区退水导致的COD负荷占总量的69.37%、TP负荷占总量的85.33%;子流域2、5、7、15是流域内水土流失非点源污染整治的重点区域。     

反渗条件下排水沟与农田水盐交换关系

因干旱和半干旱下游灌区地势较低,排水出路不畅,排水系统往往成为承泄区外来水(上游灌溉退水和排水)的蓄水场所,使排水沟水位高于农田地下水位,反渗补给农田地下水,作物利用部分排水以后,如何维持农田良性的水盐平衡成为下游灌区一个迫切需要解决的科学问题。该文基于农田水盐平衡原理,以陕西一半干旱区下游灌区为例,在实测资料的基础上,首先利用田间水文模型DRAINMOD模拟了排水沟蓄水条件下,农田水位变化情况,然后计算分析了农田与排水沟的水盐交换关系。结果表明:在一个完整的种植年内单位长度排水沟上累计承接区外来水量为9.3 m3,减去流出水量,累计蓄积区外来水量为5.5 m3,农田单位面积上反渗累计补给田间地下水量为49.2 mm;累计农田排水量仅为2.3 mm。与作物蒸散发相比,现状条件下补给量虽然较小,但对维持和补给农田地下水起到了一定的作用。所产生的补给作用虽然增加了排水沟内盐分向田间地下水中的运动,但作物利用地下水过程中根区没有出现严重的盐分累积,对田间地下水盐分浓度影响也不大。所以,通过合理调控措施,充分利用区外来水,可以提高水资源利用效率。但排水系统长期运行条件下,高水位对农田水盐平衡的影响尚需进一步研究。     

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。     

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。     

基于区间两阶段模糊随机模型的灌区多水源优化配置

针对灌区水资源调度系统中的不确定性和复杂性,该文以红兴隆灌区为研究区域,构建区间两阶段模糊随机规划模型,并将其应用到灌区地表水和地下优化配置中,模型以灌区多水源联合调度系统收益最大为目标函数,引入区间数、模糊数、随机变量表示系统中的不确定性,对地表水和地下水在各作物之间配水目标进行优化。通过计算得到不同水源向不同作物配水的最优配水目标值及最优配置水量,模型不仅可以充分考虑到不确定性因素对系统收益的影响,而且可以将经济效益与处罚风险进行权衡。以2006年红兴隆灌区作物种植情况及灌溉情况为例进行研究分析,得到系统最大收益值在1 355.144×106~2 371.792×106元之间,该优化结果以区间形式给出,可以为决策者提供更为宽裕的决策空间,从而获得最为科学的决策方案。     

基于排水沟的宁夏银北灌区农田退水污染演变研究

2000年以来宁夏引黄灌区引水量不断下降,为探究引水量下降对农田退水污染的影响,以银北灌区为研究对象,选择灌区两条典型排水沟——银新沟和第五排水沟,揭示其退水量与污染来源年内分布规律,基于水文统计分析方法探讨灌溉期水质氨氮和总磷的演变及其污染负荷年际变化特征,分析引水量下降对灌区农田退水污染的影响。结果表明:排水沟流量过程与引水过程具有很好的一致性,且农田退水污染主要发生在灌溉期;引水量减少以来,银新沟和第五排水沟退水量显著下降,灌溉期水质有所改善,与2004年以前相比,银新沟农田氨氮、总磷污染负荷消减率分别为35.3%和41.7%,第五排水沟相应为71.2%和63.7%。两沟农田污染负荷与退水量间存在较为显著的正相关。分析得出控制灌区引水量,实施农业节水对防治农田退水污染具有积极作用。     

新疆地区农业灌溉水利用系数分析

采用传统渠道断面测验法、典型灌区田间水利用系数测验、“灌区首尾”等方法,综合研究干旱灌区灌溉水利用系数。结果表明：引输水渠灌、提水井灌、喷灌、微灌、低压管道输水5种灌溉用水模式,灌溉水利用系数分别为0.370、0.687、0.795、0.860、0.800;5种模式2011年综合灌溉水利用系数所对应的全疆灌区、南疆、东疆、北疆片区分别为0.498、0.479、0.682和0.581。基于柯布-道格拉斯模型分析相关因素对综合灌溉水利用系数的影响效应,结果表明,灌溉系统大力推进渠道防渗、井灌和高效农业节水建设,对于提升灌区综合灌溉水利用系数贡献明显。研究结果为干旱新疆灌区农业用水效率和水资源总量控制管理提供了技术依据。     

基于最优保留策略遗传算法的玉米小麦优化灌溉模型研究

在综合考虑灌溉水量、作物水分需求、作物种植结构、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素的基础上，建立了适合中国国情的基于灌水收益最大的多作物多约束非线性优化灌溉模型，同时应用遗传算法的搜寻功能，对模型的实数编码解空间进行搜索。求解结果显示该模型很好地解决了玉米和小麦联合种植的优化灌溉问题，遗传算法在求解该模型中显示出了较好的搜寻能力，能在很短时间内搜寻到模型的最优解。     

井渠结合灌区用水效率指标尺度效应研究框架

现有灌溉用水效率尺度效应的研究大部分集中在地表水灌区,而较少涉及地下水利用灌区,该文针对井渠结合灌区存在地下水回归利用的实际情况,以河北省石津灌区为背景,在国际水管理研究院（IWMI）提出的水收支方法的基础上引入回归水利用指标,提出了在井渠结合灌区进行用水效率指标尺度变化规律研究的工作框架。在所提出的框架中,评价指标选择IWMI体系,数据获取手段主要为资料收集和试验观测,尺度划分方式按照现有灌区管理模型分为灌区,干渠,分干,支渠和田间5个尺度。研究成果展现了灌溉用水效率尺度效应研究所涉及到的指标选取、尺度划分、水收支解析、水平衡要素数据获取方式、回归水分析5个方面的工作过程。该框架对于开展中国北方井渠结合灌区的节水灌溉尺度效应研究有着一定的参考价值和借鉴意义。     

浑水膜孔灌多向交汇入渗及减渗特性

浑水灌溉是我国黄河流域引黄灌区灌溉的主要特点,其中浑水中的泥沙含量对土壤入渗特性有较大的影响,为揭示浑水膜孔灌交汇入渗的减渗特性,通过开展浑水及清水膜孔灌入渗试验,建立了浑水膜孔灌自由入渗相对于清水的减渗率及浑水膜孔灌多向交汇入渗相对于自由入渗的减渗率与入渗时间之间的量化关系,提出了由清水膜孔灌自由入渗量推求浑水膜孔灌多向交汇入渗量的模型。结果表明:浑水膜孔灌自由入渗较清水的减渗量随入渗时间的延长而增大,但增大幅度慢慢变小,入渗后期其减渗量基本呈线性增加,其减渗率随时间的增大先快速增大后缓慢减小,入渗后期减渗率基本稳定;当入渗产生交汇后,入渗能力明显减小,多向交汇入渗和单向交汇入渗相对自由入渗的减渗率均随入渗时间的增长而增大,多向交汇入渗相对单向交汇入渗也存在减渗作用,3条减渗率曲线的变化率随着时间的增长而逐渐减小。     

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.     

喷灌均匀系数对作物产量影响的模拟研究

在假定喷灌水量符合线性分布的条件下，提出了一种研究作物产量与灌水均匀系数关系的模型。模拟结果表明，对一定的灌水量来说，作物产量随均匀系数的增大而增加。以净效益最大为原则，用所提出的模型研究了不同灌水均匀系数时的最优灌水量。结果指出，最优灌水量随均匀系数的增大而减小，但随产品价格与水的造价比值的增大而增大。该模型还用来确定不同灌水量时的最优灌水均匀系数，结果表明，最优灌水均匀系数随灌水量的增大而增大，但当毛灌水量与要求灌水量之比超过０．８５时，最优灌水均匀系数稳定在９０％附近     

Effect of different irrigation intervals on water saving,water productivity and grain yield of maize (Zea mays L.) under the double ridge-furrow planting technique

Surface irrigation is the traditional irrigation method applied in about 80% of the irrigated area in Egypt with greater water losses leading to profile drainage. The double ridge-furrow planting technique (DRFI) uses a practical way to reduce the applied water quantities. Therefore, field experiments were conducted in 2010 and 2011 (maize growth seasons) to study the effects of DRFI with two irrigation intervals – 7 days and 14 days – on maize yield, water saving, water productivity and some economic parameters such as net return and investment ratio compared with the conventional ridged-furrow planting technique (RFI) with irrigation at 14-day intervals. Optimal irrigation interval for maize under DRFI was also determined. Regardless of irrigation intervals, smaller depth of applied water was observed with DRFI treatments compared to RFI treatment. Consequently, with DRFI treatments, more water could be saved compared with RFI treatment in both seasons. Double ridged-furrow planting with irrigation at 7-day intervals proved superior to increase the grain yield and water productivity compared to the 14-day interval and the conventional treatment. It also increased the investment ratio and net return of maize crop. Therefore, double ridge-furrow planting with irrigation at 7-day intervals will practically be the optimal choice under the conditions of the studied area.     

浑水含沙率和泥沙粒度组成对膜孔灌入渗特性的影响

通过室内清水膜孔灌自由入渗试验和4种不同含沙率及4种不同泥沙粒度组成的浑水膜孔灌自由入渗试验,研究了含沙率和泥沙粒度组成对浑水膜孔灌入渗特性的影响。结果表明:综合考虑含沙率和泥沙粒度组成的联系,定义了相对黏粒含量的概念;基于相对黏粒含量建立了单位膜孔面积累积入渗量、水平湿润锋运移和垂直湿润锋运移的数学模型,经检验该数学模型具有较好的相关性;提出了浑水膜孔灌自由入渗情况下灌水均匀度分析的数学模型。研究结果为浑水膜孔灌的进一步研究奠定了基础。