SWAT模型与水资源配置模型的耦合研究

利用改进的SWAT模型多水源灌溉模块,将水资源配置模型的农业灌溉用水展布到改进后的SWAT模型中,实现二模型的松散式耦合。以天津为例,对SWAT模型进行参数调整和验证后,由耦合模型计算天津13个区(县)8种代表作物在水资源合理配置结果下的灌溉水量和相应的ET。耦合模型中的SWAT模型的灌溉水量接近配置模型结果,且ET的时空分布比较合理,耦合模型模拟精度较常规SWAT模型大幅提高,这种分布式水文模型与配置模型的耦合为流域水资源管理提供了一种新的途径。     

SWAT模型在房山区ET的模拟研究

基于SWAT(Soil and Water Assessment Tool)来构建房山区水资源分布式水文模型,对模型的几个重要参数进行率定,应用2002-2005年的水文气象数据进行ET(evaportranspiration)模拟,将模拟结果与遥感ET数据进行对比分析.结果显示模拟相对误差在10%以内,能够为水资源管理提供重要参考.     

基于ET管理的土地整理水资源供需平衡分析——以河北省魏县车往镇基本农田土地整理项目为例

以土地整理中水资源供需平衡为基础,引入基于ET管理的水资源供耗分析,为缺水地区水资源供需平衡提供一种依据。以魏县基本农田土地整理项目为研究对象,建立基于ET理念的水资源平衡关系,分析项目区可利用水资源量及耗水量(即ET值),得出不同水平年下的供需结果。研究结果表明,现状水平年下水资源缺口29.81万m3,2010年项目区采取措施后综合ET值降低,盈余水量20.07万m3,实现了水资源供需平衡。     

区域多水源多用户水资源优化配置研究

针对多水源、多用户的区域供水、需水特点,从经济效益、社会效益等角度出发构建区域多水源多用户水资源优化配置模型。以济宁市为研究实例,优化计算得出规划水平年2020年济宁市水资源优化配置不同保证率(P=50%,P=75%)的优化配置结果,根据优化配置结果对规划水平年2020年各用水户的不同保证率的供需水进行平衡分析。以期在充分利用水资源,满足需水要求下,寻求多水源与多用户之间最优的配水方案,实现区域综合效益最大化,促进区域可持续发展。     

基于遥感ET的北京房山区水资源平衡分析

房山区位于海河流域,是我国北方地区水资源短缺和水环境恶化的典型区域之一.区域水资源平衡分析是进行水资源科学评价与合理配置的基础,对实现区域水资源可持续发展具有重要意义.基于遥感ET技术,探讨了一种能够考虑耗补关系的水资源平衡分析方法,进而对房山区2002-2004年的水平衡状况进行分析计算,为制定相应的节水政策构建了科学基础平台,也为流域水资源规划与管理提供重要参考.     

水文资料缺乏地区水资源量计算——以都匀市为例

水文资料、特别是径流资料缺乏是目前我国在水利水电工程建设、水资源综合规划、水资源配置过程中经常困扰勘测设计单位的问题。在都匀市水资源配置研究过程中,针对其径流资料缺乏的问题,通过构建SWAT分布式水文模型,对都匀市境内各干支流流量进行模拟,较准确的得到了都匀市各分区的水资源量及其年变化情况,为水资源优化配置提供了坚实的基础,也为水文资料、特别是径流资料缺乏的地区的水资源管理提供了一个可借鉴的思路和方法。     

基于水权管理的水资源可持续承载力测评研究

研究基于水权管理的水资源可持续承载力。通过总结众多研究成果,以水权管理为基础,根据水资源承载力、水资源优化配置和可持续发展3者间的内在联系,界定了水资源可持续承载力的概念,构建了水资源可持续承载力科学测算的3个子模型:(1)基于水权理论的水资源配置模型;(2)基于系统层析分析模糊优选理论的水资源配置方案优选模型;(3)水资源可持续承载力计算模型。利用模型对甘肃省石羊河流域民勤县的水资源可持续承载力进行评价,结果显示:2020年最优水权配置方案下水资源支持民勤县人口、工业可持续发展的承载容量指标与已有成果相比分别增加2.02%和10.94%,次优方案下分别增加1.16%和4.30%。测算模型具有可靠性与实用性,可用于模拟不同水权管理情景下水资源可持续承载力的测算和评价。     

基于SWAT模型的浊漳河干流灌溉制度优化研究

运用SWAT(Soil and Water Assessment Tool)模型,以浊漳河干流为研究区域,对流域蒸散发ET及径流过程进行了率定和验证,并探讨了流域冬小麦-夏玉米轮作体系下不同典型年农业优化灌溉制度。模拟结果表明,ET及径流的模拟值与实测值决定系数R2和Nash-Suttcliffe系数Ens均达到了0.70以上,模拟精度适合浊漳河干流的模拟研究。应用构建的模型设置冬小麦和夏玉米16种灌溉处理,在保证作物产量及水分生产率WUE的前提下,综合考虑流域下泄径流量,得到了不同典型年较优的灌溉制度,对于该区域冬小麦-夏玉米轮作体系下的农田节水灌溉管理具有一定的参考价值。     

基于MIKE BASIN的汕尾市水资源优化配置

在对汕尾市水文水资源情况调查分析基础上,基于MIKE BASIN数字平台构建了汕尾市水资源优化配置模拟模型。采用四级流域套县为计算单元,以河流、水库和山塘为供水水源,对基准年与规划水平年(2020年)在不同保证率下、不同需水推荐方案和供水推荐方案情况下,分别进行水资源供需平衡分析,从而使得城镇生活用水、农村生活用水、工业用水和农业灌溉用水及生态用水获得优化配置,以满足汕尾市规划水平年各类需水要求。     

西北地区夏玉米不同生育期蒸发蒸腾量模拟模型适用性评价

【目的】蒸发蒸腾量(ET)是农业生产的主要参数,ET的准确估算对农田精准用水管理和区域水资源优化配置具有重要意义。【方法】利用2012—2013年夏玉米作物指数与气象因子,采用基于参考作物蒸发蒸腾量(ET0)经验模型(Schendel、Hargreaves-M4(H-M4))的单作物系数法、单源模型(Priestley-Taylor(P-T))和双源模型(Shuttleworth-Wallace、Two-Patch)对作物蒸发蒸腾量进行模拟,并对比分析各估算模型模拟情况。【结果】基于不同生育期实测和平衡蒸发蒸腾量均值的比值修正P-T模型经验系数?,P-T修正模型对夏玉米全生育期ET模拟值与大型称质量式蒸渗仪实测值拟合的平均绝对误差(MAE)、决定系数(R2)、平均相对误差(MRE)、相对均方根误差(Relative root mean-squared error,RRMSE)和整体评价指标(GPI)排名分别为0.977 5 mm/d、0.5689、0.843 4、0.450 4和1,苗期分别为0.959 2 mm/d、0.332 0、0.478 4、0.481 1和3,拔节抽雄期分别为1.038 8 mm/d、0.507 8、0.551 7、0.429 0和1,成熟期分别为0.548 1 mm/d、0.774 6、0.915 8、0.423 9、0.692 1和1;H-M4模型对灌浆期ET模拟MAE、R2、MRE、RRMSE和GPI排名分别为1.344 3 mm/d、0.727 9、2.298 3、0.491 0和1。模拟结果均达到极显著(P<0.01,P代表显著性水平)。【结论】P-T和基于单作物系数法的H-M4均具有输入较少参数获取较精确ET估算值的优势,因此P-T可作为全生育期及苗期、拔节抽雄期和成熟期蒸发蒸腾量最优模拟模型,H-M4可作为灌浆期蒸发蒸腾量最优模拟模型。     

昌黎县农业水资源供需平衡及可持续性评价

运用趋势外延法、判断法及单位用水量法,以1999年为现状水平年,预测2020年的昌黎县农业用水供需状况;建立农业水资源可持续利用综合评价指标体系,并对昌黎县2020年农业用水状况进行了可持续性评价,分析其中存在的问题,提出相应的对策,在促进当地农业水资源可持续发展的同时,为其他区域水资源的合理开发利用提供有益的参考。     

Simulation of soil water in space and time using an agro-hydrological model and remote sensing techniques

Complete knowledge of all components of the water balance is essential to optimize water use in irrigated agriculture. However, most water balance components are very difficult to measure in terms of the required time interval and due to the complexity of the processes. An unsaturated zone model is a useful tool for predicting the effects of agricultural management on crop water use and can be used to optimize agricultural practices in view of minimizing the agricultural water use. For the irrigated areas in Minqin County of northwest China, the physically based one-dimensional agro-hydrological model SWAP (Soil, Water, Atmosphere and Plant) for water movement and crop growth was applied to reveal all the components of the water balance at multiple sites. This model has a varying level of abstraction referring to simulated processes in time and space. A combination of field, meteorological and aerial data was used as input to the model. Inverse modeling of evapotranspiration (ET) fluxes was followed to calibrate the soil hydraulic functions by using the parameter estimation package PEST. Surface Energy Balance System (SEBS) was used to estimate actual ET fluxes from NOAA AVHRR satellite images. Simulations were carried out for 15 different sites in Minqin County by using wheat (Triticum aestivum L.) as a test crop, but only three sites were selected for model calibration and evaluation. The period of simulation for the whole wheat growing season was from 1 April 2004 to 30 July 2004 and detailed analyses were performed for all sites. SWAP simulated soil water dynamics well and the distributed SWAP model is a useful tool to analyze all water balance components.     

不同灌溉条件对黄河下游引黄灌区作物水分关系的影响

在田间试验验证的基础上,利用SWAT2000模型对黄河下游引黄灌区冬小麦、夏玉米在不同灌溉条件下产量、耗水量以及水分利用效率等的时空变化进行了模拟,结果表明,冬小麦缺水情况比较严重,夏玉米生育期降水量基本能满足其耗水量的需求.灌溉对提高作物产量以及耗水量有很大的影响,然而随着灌水量的增加,作物产量以及耗水量增加的幅度并...     

Landscape irrigation scheduling efficiency and adequacy by various control technologies

Automated residential irrigation systems tend to result in higher water use than non-automated systems. Increasing the scheduling efficiency of an automated irrigation system provides the opportunity to conserve water resources while maintaining good landscape quality. Control technologies available for reducing over-irrigation include evapotranspiration (ET) based controllers, soil moisture sensor (SMS) controllers, and rain sensors (RS). The purpose of this research was to evaluate the capability of these control technologies to schedule irrigation compared to a soil water balance model based on the Irrigation Association (IA) Smart Water Application Technologies (SWAT) testing protocol. Irrigation adequacy and scheduling efficiency were calculated in 30-day running totals to determine the amount of over- or under-irrigation for each control technology based on the IA SWAT testing protocol. A time-based treatment with irrigation 2 days/week and no rain sensor (NRS) was established as a comparison. In general, the irrigation adequacy ratings (measure of under-irrigation) for the treatments were higher during the fall months of testing than the spring months due to lower ET resulting in lower irrigation demand. Scheduling efficiency values (measure of over-irrigation) decreased for all treatments when rainfall increased. During the rainy period of this testing, total rainfall was almost double reference evapotranspiration (ET_o) while in the remaining three testing periods the opposite was true. The 30-day irrigation adequacy values, considering all treatments, varied during the testing periods by 0-68 percentile points. Looking at only one 30-day testing period, as is done in the IA SWAT testing protocol, will not fully capture the performance of an irrigation controller. Scheduling efficiency alone was not a good indicator of controller performance. The amount of water applied and the timing of application were both important to maintaining acceptable turfgrass quality and receiving good irrigation adequacy and scheduling efficiency scores.     

基于陆面能量平衡方程的遥感模型

介绍了卫星遥感反演水文气象模式所需的一些基本地面参数,进而得到整个流域尺度上的ET的方法,特别是基于陆面能量平衡方程的SEBAL模型的原理及工作流程,指出了模型的优点和不足,并研究探讨了利用SEBAL模型在海河流域水资源管理中的应用。     

基于模拟退火粒子群算法的水资源优化配置

为了缓解水资源供需矛盾、提高水资源利用率,并在水资源优化配置中探寻新的求解方法,构建了以社会、经济、生态效益为目标的综合评价函数,建立了基于模拟退火粒子群算法的优化配置模型.将模拟退火的思想引入基本粒子群算法当中,解决了粒子易陷入局部极小值的问题.以陕西省渭南市大荔县为研究区域,设置了地表水、地下水、其他水3种水源以及5类不同用水户;利用模拟退火粒子群算法,对该区域2020,2030年2个水平年,3种不同来水水平(P=50%,75%,95%)下的水资源优化配置方案进行了求解.结果表明:在75%的来水下,2020年大荔县地表水、地下水和其他水的供水量分别为19 641.89,12 000.29和8 655.69万m³;2030年的供水量分别为25 936.30,17 345.87和7 685.42万m³.与优化前的供水量相比,节水量分别为333.11和404.76万m³.     

基于数据融合算法的灌区蒸散发空间降尺度研究

采用Landsat和MODIS数据,通过增强自适应融合算法(Enhanced spatial and temporal adaptive reflectance fusion model,ESTARFM)对蒸散发进行空间降尺度,构建田块尺度蒸散发数据集;利用2015年田间水量平衡方法计算的蒸散发数据对融合结果进行评价。在融合蒸散发基础上,结合解放闸灌域2000—2015年间种植结构信息,提取不同作物各自生育期和非生育期内年际蒸散发量,并分析了大型灌区节水改造以来,作物蒸散发占比的年际变化。研究结果表明:融合蒸散发与水量平衡蒸散发变化过程较吻合,小麦耗水峰值出现在6月中下旬—7月初,玉米和向日葵峰值出现在7月份。在相关性分析中,玉米、小麦和向日葵的决定系数R2分别达到了0.85、0.79和0.82;生育期内玉米(5—10月份)、小麦(4—7月份)和向日葵(6—10月份)的均方根误差均不高于0.70 mm/d;平均绝对误差均不高于0.75 mm/d;相对误差均不高于16%。在农田蒸散发总量验证中,融合蒸散发与水量平衡蒸散发相关性较好,两者决定系数达到了0.64。基于ESTARFM融合算法生成的高分辨率蒸散发(ET)结果可靠,具有较好的融合精度。融合结果与Landsat蒸散发的空间分布和差异性一致,7月23日、8月24日和9月1日相关系数分别达到0.85、0.81和0.77;差值均值分别为0.24 mm、0.19 mm和0.22 mm;标准偏差分别为0.81 mm、0.72 mm和0.61 mm。ESTARFM融合算法在农田蒸散发空间降尺度得到较好的应用,可有效区分不同作物蒸散发之间的差异。不同作物在生育期和非生育期内耗水量差别较大;生育期内套种(4—10月份)耗水量最大,达到637 mm,玉米(5—10月份)和向日葵(6—10月份)次之,分别为598 mm和502 mm,小麦(4—7月份)最低为412 mm;非生育期内,小麦(8—10月份)耗水量最大,年均达到214 mm,玉米(4月份)和向日葵(4—5月份)分别为42 mm和128 mm。不同作物多年平均耗水量(4—10月份)差异较小,其年际耗水总量主要随作物种植面积的变化而变化。     

土地利用分类粒子群优化概率神经网络半监督算法

针对以往土地利用监测大都采用监督分类算法,成本较高、错分漏分严重且受人为因素影响较大的问题,提出了一种粒子群优化概率神经网络的半监督分类算法。该算法通过粒子群优化算法优化分类器的参数,提高分类器的精度,运用香农熵选择高置信度的样本扩展初始训练样本集,将大量未标记的样本扩展到训练样本集中,减少了初始标签样本的数量,节约了成本,并与随机森林法、最大似然法、概率神经网络算法进行对比分析,总体精度较其他算法提高了1.25～6.57个百分点,Kappa系数达到0.8以上。对新乡市1996年、2004年、2013年、2020年的遥感影像进行土地分类,结果表明1996—2020年间新乡市的建设用地以中部地区新乡县为中心不断扩张,耕地面积也在不断增加,其他用地面积不断减少,沿黄河绿地面积不断增加;土地流转方面耕地转建设用地最为明显,本研究为新乡市进一步合理开发土地资源提供了理论依据。     

Integrating satellite-based evapotranspiration with simulation models for irrigation management at the scheme level

Improvements in irrigation management are urgently needed in regions where water resources for irrigation are being depleted. This paper combines a water balance model with satellite-based remote-sensing estimates of evapotranspiration (ET) to provide accurate irrigation scheduling guidelines for individual fields. The satellite-derived ET was used in the daily soil water balance model to improve accuracy of field-by-field ET demands and subsequent field-scale irrigation schedules. The combination of satellite-based ET with daily soil water balance incorporates the advantages of satellite remote-sensing and daily calculation time steps, namely, high spatial resolution and high temporal resolution. The procedure was applied to Genil–Cabra Irrigation Scheme of Spain, where irrigation water supply is often limited by regional drought. Compared with traditional applications of water balance models (i.e. without the satellite-based ET), the combined procedure provided significant improvements in irrigation schedules for both the average condition and when considering field-to-field variability. A 24% reduction in application of water was estimated for cotton if the improved irrigation schedules were followed. Irrigation efficiency calculated using satellite-based ET and actual applied irrigation water helped to identify specific agricultural fields experiencing problems in water management, as well as to estimate general irrigation efficiencies of the scheme by irrigation and crop type. Estimation of field irrigation efficiency ranged from 0.72 for cotton to 0.90 for sugar beet.