引黄灌区地下水动态变化影响因素及种植结构优化分析——人民胜利渠灌区为例

为了探究人民胜利渠灌区近年来地下水动态变化并通过调整灌区种植结构充分利用灌区水资源,利用ArcGIS和Matlab软件分别对灌区地下水埋深及其影响因素进行分析且构建了灌区优化模型。结果表明,近年来人民胜利渠灌区地下水平均埋深呈明显的增加趋势,中游3区和下游6区地下水埋深较大且中游3区已经形成了地下水下降漏斗;灌区地下水埋深与降雨量、引黄水量和井灌水量有显著的相关关系;根据优化模型,当中游3区和下游6区分别削减种植面积477.84和569.56万m~2,上游1区和中游3区分别削减水稻种植面积14 160.18、101.95万m~2时,可以使灌区有限引黄水量和井灌水量具有最大的效益。     

基于EEMD与Elman网络的灌区地下水埋深预测模型

地下水埋深预测对于灌区农业生产、水土资源合理利用和生态环境保护等具有重要指导价值与作用。地下水埋深是一个受多种因素影响的多层次复杂系统,其演变具有不确定性、随机性、模糊性和非平稳性。基于EEMD较强的处理非线性问题能力和Elman网络具有适应时变和动态记忆的优点,构建了基于EEMD与Elman神经网络的地下水预测耦合模型,并将其应用于人民胜利渠灌区地下水埋深预测中。研究结果表明:基于EEMD和Elman神经网络耦合模型预测结果的最大相对误差为2.91%,最小相对误差为0.04%,预测合格率为100%,该耦合模型对人民胜利渠灌区地下水埋深的预测精度要高于单一的Elman模型和BP模型。另外,该模型在某种程度上可揭示灌区地下水时间序列的演变机制与影响因素,且计算简单、思路清晰,为地下水埋深预测提供了一种新的途径。     

玛纳斯河下游灌区地下水埋深变化特征及成因分析

根据新疆玛纳斯河下游莫索湾灌区具有代表性的14个长期观测井多年(1998—2010年)地下水位数据,运用水量均衡法和Mann-Kendall突变检验法分析了灌区地下水埋深动态特征及成因。结果表明,研究区除147团地下水埋深略有减小外,其他各区地下水埋深均呈增大趋势,其中150团地下水埋深增大最为明显。灌区地下水埋深变化存在时空差异,并且在2004年之后的不同年份出现了变化趋势转折,其根本原因是受到了灌溉入渗和地下水开采的影响。灌区地下水埋深年际、年内变化基本都呈现出人工-自然双重影响下的变化特征,年内变化最为明显,且不同区域影响地下水位变化的主次因素有所不同。总体而言,人类活动已经成为玛纳斯河下游灌区地下水埋深变化的主要驱动力,其次是自然因素,其中灌溉入渗、地下水开采和潜水蒸发是影响研究区地下水埋深变化的主要因素。     

地下水平均埋深对径流系数影响的研究

在以除涝为目标的排水沟设计中,影响径流系数的因素很多,传统的研究,只考虑了前期影响雨量对径流系数的影响,而对地下水平均埋深的影响却注意得不够。为此,通过整理分析人民胜利渠灌区近期的降雨径流资料,在既考虑前期影响雨量,又考虑雨前地下水平均埋深的情况下,提出了降雨量与系数的相关计算公式。     

基于线性规划和MODFLOW耦合技术的人民胜利渠灌区水资源优化配置研究

【目的】确定人民胜利渠灌区合理的农业水资源优化配置方案,为灌区水资源管理和机井布置提供科学依据。【方法】针对人民胜利渠灌区水资源分配不合理及灌区生态环境恶化问题,按照灌区地形地貌、工程类型和灌溉水源特点将灌区分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ共3个计算单元,基于线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型对灌区各计算单元进行不同水文年水资源优化配置,并模拟优化配置后地下水位动态变化。【结果】确定了不同水文年灌区的水资源优化配置方案:灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区不同水文年的井渠比例有所不同,平水年井渠比分别为1/3.14、1/3.25、1/2.92,丰水年分别为1/3.47、1/3.66、1/3.24,枯水年分别为1/2.75、1/2.77、1/2.60;平水年计算单元Ⅰ区模拟地下水埋深相比初始埋深下降0.01 m,水资源总量基本处于平衡状态;计算单元Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相对于初始埋深分别上升了0.12、0.15 m;丰水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别上升了0.1、0.23、0.3 m;枯水年灌区计算单元Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区模拟地下水埋深相比初始埋深分别下降了0.17、0.08、0.04 m。【结论】线性规划方法和MODFLOW地下水数值模型相结合能较好地模拟灌区地下水流场和预测地下水动态变化趋势,进而确定合理的水资源优化配置方案。     

时间序列的疏系数季节模型在地下水动态模拟中的应用

由于地下水埋深受气象因素影响呈现年周期变化，且因气候的波动和生态环境的变迁，使地下水埋深在不同年份相同阶段并不相同。将时间序列的季节模型用于人民胜利渠古黄河背河洼区、漫滩区月平均地下水埋深动态建模之中。计算结果表明，模型为疏系数季节模型，模型精度显著高于自回归模型。     

基于地统计学的泾惠渠灌区地下水位时空变异性研究

根据泾惠渠灌区43眼长期观测井2002、2004、2007年和2009年地下水埋深资料,利用趋势分析法和ArcGIS地统计分析模块,研究了灌区地下水埋深时空分布规律及变异特性。结果表明,地下水埋深样本服从对数正态分布,球状模型拟合变异函数的效果较好。灌区地下水埋深样本存在几何各向异性,并略有增强趋势。地下水埋深样本具有中等的空间相关性,是结构性因素和随机性因素共同作用的结果。灌区地下水埋深从西北向东南逐渐变浅。灌区地下水埋深年内呈双峰曲线变化,最小埋深值出现在春灌期,最大埋深值出现在夏灌期;灌区地下水埋深年际呈减小趋势,具有浅埋区面积明显增大、深埋区面积不明显增大的特征。     

时间序列的疏系数季节模型在地下水动态模拟中的应用

由于地下水埋深受气象因素影响呈现年周期变化，且因气候的波动和生态环境的变迁，使地下水埋深在不同年份相同阶段并不相同。将时间序列的季节模型用于人民胜利渠古黄河背河洼区，漫滩区月平均地下水埋深动态建模之中。计算结果表明，模型为疏系数季节模型，模型精度显著高于自回归模型。     

青铜峡灌区地下水埋深演变及驱动要素贡献率解析

【目的】定量分析青铜峡灌区地下水埋深演变规律及影响因素,科学指导灌区合理调控地下水位,维持水系统健康平衡。【方法】采用水量平衡法分析了青铜峡灌区1998—2017年地下水时空演变特征及地下水补排平衡贡献率。【结果】1998—2017年青铜峡灌区地下水埋深增大了0.69 m,增加速率为0.038 m/a,年内地下水埋深呈双峰双谷特征,空间上银川灌区地下水埋深增大明显,银川市区和银北灌区的大武口区形成大漏斗区。年际地下水变化的主要影响要素依次为渠系渗漏补给(39.71%)侧向排泄(28.24%)潜水蒸发(14.16%)田间入渗补给(7.46%);4—8月和11月渠系渗漏补给对地下水变化贡献最大(45.33%),9—10月和12月地下水侧向排泄是地下水变化第一驱动因素(45.6%);空间上,水位变化的第一驱动要素均为渠系渗漏补给,第二驱动要素各有不同,银川、银南和河东灌区为侧向排泄,银北灌区为潜水蒸发。【结论】引黄水量持续减少是青铜峡灌区地下水埋深增大的最主要原因,而合理的地下水埋深对于维持灌区的生态平衡具有重要意义。     

内蒙古河套灌区地下水埋深时空变化及其驱动因素

河套灌区蒸发量大,降水量稀少并且黄河水资源日益下降,导致灌区水资源短缺,灌区地下水资源量对区域生产生活及经济发展起到重要作用。为了探究河套灌区地下水埋深的时空变异规律,通过收集整理河套灌区各灌域共224眼观测井2008-2018年逐月地下水埋深数据,采用五点三次平滑方法分析各灌域年际与年内地下水埋深变异规律;利用ArcGIS10.2软件绘制各灌域地下水埋深空间变异特性;并结合灰色关联度研究影响地下水埋深变化的主要驱动因素。结果表明,河套灌区地下水埋深总体较浅,但在人为活动与自然条件影响下,灌区地下水开采量逐年增加,导致地下水埋深逐渐下降,并且蒸发量和引黄水量对地下水埋深影响较大。相关部门应尽快采取措施,合理开发地下水资源,有效提升灌区水资源的利用率,保护灌区水生态环境。     

东北寒区水稻需水对地下水埋深的响应及灌溉模拟

【目的】揭示不同降水年型下东北寒区水稻需水对地下水埋深变动与灌溉的响应规律,进一步优化寒区水稻灌溉制度。【方法】以黑龙江庆安和平灌区灌溉试验站多年水稻灌溉试验及2017年地下水动态观测数据为依据,分析不同灌水模式下水稻耗水及地下水变化动态,验证AquaCrop模型在东北寒区水稻生长模拟中的适用性,并用于模拟分析25%、50%、75%降水年型下水稻需水与不同地下水埋深的相互关系及灌水量的响应规律,提出适宜该地区水稻高产的地下水埋深范围及其生育期净灌水量。【结果】①水稻生育期内,地下水埋深先浅后深,其中,分蘖期、拔节孕穗期和抽穗开花期耗水量大,灌溉和降雨较多,地下水埋深较浅;②构建了3种降水年型下ET与GD、I的多元回归方程,综合考虑了水稻需水量与地下水埋深、生育期灌水量之间的相关关系,可用于稻田高效耗用水管理和地下水资源持续利用;③为实现东北寒区水稻高产和地下水埋深基本稳定的双重目标,地下水埋深应控制在2.0～2.5 m之间,水稻生育期净灌水量为:枯水年不宜低于现状灌水量,即300 mm;丰水年和平水年净灌水量可适当减少至现状灌水量的0.8倍,即240 mm。【结论】提出了适宜该地区水稻高产的地下水埋深范围及生育期净灌水量,为促进我国东北地区节水增粮,保护湿地生态环境,提高农业用水效率提供了理论依据。     

引黄春灌对盐碱土区地下水动态及理化性质的影响

[目的]探究引黄春灌对区域浅层地下水动态及地下水理化性质的影响.[方法]通过监测试验区盐碱地春灌前后地下水位、八大离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、Cl-、SO42-、CO32-)质量浓度、地下水EC值、pH值、土壤电导率等指标,运用数理统计和水文地球化学分析的方法,分析春灌前后地下水动态及春灌后地下...     

变化环境下灌区地下水动态演变趋势及驱动因素

以陕西省宝鸡峡灌区为研究区,从地下水系统与外部环境的关系出发,运用了线性趋势回归检验、Kendall秩次相关检验及Spearman秩次相关检验3种统计水文学方法,分析了近30 a(1981—2010年)灌区变化环境因素——降水量、蒸发量、地表水灌溉量及地下水开采量的变化趋势,结果表明:灌区降水量呈不显著下降趋势,平均年降水量倾斜率为-2.900 mm/a,而蒸发量呈波动上升趋势,平均年蒸发量倾斜率为3.270 mm/a,降水量和蒸发量两者具有互逆变化特征;灌区地表水灌溉水量呈显著下降趋势,而地下水开采量呈不显著下降趋势.基于GIS技术和地统计学方法,研究了灌区地下水位动态的时程演变趋势和空间分布特征,研究表明:1995—2005年,灌区西北部地区地下水位有明显下降趋势,10年间下降约7~8 m,中部乃至东南部也有小幅度的下降,下降不足1 m;2005年以后,灌区内仅在渭河北岸的武功、兴平南部及咸阳中南部有小幅度下降趋势.通过灰关联分析方法,识别了灌区地下水位动态变化的主要驱动因素,得知各影响因子的关联度都较大,均在0.5以上,且塬上灌区与塬下灌区地下水位动态变化的主要人类活动驱动因素分别为地表水灌溉和地下水开采.     

内蒙古河套灌区秋浇对区域尺度地下水水化学影响分析——以义长灌域为例

【目的】了解灌区秋浇对区域地下水水化学过程的影响。【方法】在测试八大离子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、SO42-、Cl-、HCO3-、CO32-)的基础上,综合运用数理统计和水文地球化学分析方法,分析灌区地下水水化学特征。【结果】灌溉后,该灌域整体上Cl-、SO42-、K++Na+、Mg2+、HCO3-的质量浓度增大,而Ca2+质量浓度略有减小,TDS呈现南高北低的分布状态;根据Piper 三线图分析,灌溉前后该区域地下水类型均以Cl-Na型为主,占比分别为75%和61%,相比灌溉前,灌溉后出现Mg-SO4-Cl 型,占比约为16.7%;由Gibbs 模式和离子比例系数图得出,该区域地下水主要受蒸发浓缩以及硅铝酸盐和蒸发岩风化溶滤作用的控制,大气降水对其影响不大。【结论】秋浇之后地下水TDS平均增加约32.9%,说明秋浇对土壤盐分的淋滤作用明显,加强秋浇之后地下水排水力度,对于提高灌区排水排盐效果具有十分重要的作用。     

河套灌区地下水适宜埋深、节水阈值、水盐平衡探讨

【目的】分析探讨河套灌区当前地下水适宜埋深、节水阈值和水盐平衡状况。【方法】采用数理统计的方法,对河套灌区1998—2018年的引黄用水量、地下水埋深、水盐平衡等资料进行统计分析。【结果】2016—2018年,灌区由黄河水带来的盐分每年平均约254万t;排入乌梁素海的盐份年均约106万t,每年约有148万t盐分滞留在灌区内,灌区土壤仍然处于连续积盐状态。由于引入和排出大量的生态水,乌梁素海排入黄河的盐分年均188万t,属于脱盐状态,乌梁素海水质持续改善。河套灌区地下水适宜开采量约为3.2亿～3.6亿m3/a,灌区近年地下水实际开采量2016年为2.1亿m3,2017年为2.4亿m3,2018年为2.15亿m3,目前灌区还有约1.5亿m3的地下水开采潜力。【结论】河套灌区目前地下水年均适宜埋深为1.8～2.5 m,认为灌区农业引黄水量下限(节水阈值)约为40亿m3,每年还应该引入3亿～4亿m3的生态用水,用于维持乌梁素海和灌区湖泊湿地的的生态环境。     

滴灌方式对南疆沙区成龄红枣土壤水分的影响

【目的】确定南疆沙区红枣适宜的滴灌制度和滴灌方式。【方法】以7 a生矮化密植骏枣树为材料,设置枣树根部1个滴头灌水和多点滴灌灌水2种滴灌方式,每种方式设置3个灌水量(900、1 050、1 200 mm),进行了田间小区试验。【结果】多点滴灌方式下,不同灌水量土壤剖面水分分布有显著规律,表现为50 cm以上土层同层水平距离20 cm土壤含水率小于水平距离40 cm,50 cm以下土层则相反。110 cm土层以下单点滴灌土壤水分显著高于多点滴灌,110 cm以上土层单点滴灌土壤水分显著低于多点滴灌。受灌水量和滴灌方式的影响,同一处理不同土层土壤水分随时间推移其变化规律并不一致。【结论】单点滴灌与多点滴灌土壤水分分布规律差异显著,但耗水量无显著差异。     

淮北平原气象因素对裸地潜水蒸发的影响

【目的】理清气象因素对潜水蒸发的影响。【方法】采用五道沟水文实验站62套原状土蒸渗仪及气象场1991─2015年长系列实验资料,分析了潜水蒸发与水面蒸发、气温、降雨及地温的关系,并比较了气象因素对砂姜黑土与黄潮土潜水蒸发量影响的差异。【结果】砂姜黑土与黄潮土地下水埋深为0时的潜水蒸发均比水面蒸发小,且都与水面蒸发呈线性相关关系(R~2>0.9)。潜水蒸发与气温年内变化趋势基本一致,气温对砂姜黑土在地下水埋深小于0.2 m影响较大,大于0.4 m影响较小;对黄潮土在地下水埋深小于1.0 m影响较大,大于2.0 m影响较小。地温是潜水蒸发的能量来源之一,5—8月,潜水蒸发随地温的增加而增大;11月—次年2月,潜水蒸发随地温的增加而减小,而3、4月和9、10月处于转折阶段,规律性不明显。对多年平均月潜水蒸发与地温进行曲线拟合,采用高斯曲线拟合最好(R~2均大于0.9)。【结论】气象因素对地下水埋深浅的潜水蒸发影响明显,且对黄潮土的影响大于砂姜黑土,可用地温计算潜水蒸发。     

基于VBA的宁夏引黄灌区暗管排水间距计算方法研究

暗管排水工程是控制灌区地下水位,防治耕地盐碱化的主要技术手段。【目的】综合考虑排水条件、排水目的等因素,选择合适的计算方法计算暗管间距。【方法】对几种常用的暗管间距计算方法进行了理论分析并总结了其适用条件,编写了基于VBA的计算程序以实现不同计算方法的优选并确定相应的暗管间距。在此基础上,选取宁夏引黄灌区2个典型暗管排水工程案例进行了分析计算。【结果】稳定流状态下,当kH/q≤100时,宜选择阿维里扬诺夫-瞿兴业公式计算暗管间距,当kH/q>100时,宜选择Hooghoudt公式计算暗管间距;非稳定流状态下,以治渍为目的地区选择按地下水位下降速度计算暗管间距,以防治盐碱化为目的地区选择按排蒸比计算暗管间距。【结论】利用VBA开发的程序可以解决暗管间距计算过程中较繁琐的迭代、累加等计算问题,操作便捷,实用性强;非稳定流方法更适合于宁夏引黄灌区暗管排水间距的计算,银北灌区宜按排蒸比计算暗管间距,银南灌区宜按地下水位下降速度计算暗管间距。     

再生水灌溉对紫花苜蓿产量和品质的影响

【目的】探究再生水灌溉不同因素对紫花苜蓿产量和品质的影响。【方法】通过三因素三水平正交试验,利用极差分析和方差分析,研究了再生水灌溉不同因素的主次顺序、显著性、各因素影响趋势及最优组合。【结果】灌溉定额对紫花苜蓿株高、茎粗、一级分枝数、干草产量、粗脂肪、粗纤维、酸性洗涤纤维、中性洗涤纤维、相对饲喂价值、氮、磷、钾和钙影响显著(P0.05),灌水水质对粗灰分影响显著(P0.05),灌水技术因素和灌水水质因素对其他指标影响不显著。综合灌溉定额、灌水技术及灌水水质对紫花苜蓿生长、产量及品质的影响,最优组合为A3B2C1,与参考组合一致。【结论】在生育期降雨量为113.5 mm时,采用再生水灌溉定额为2 280 m3/hm2,灌水技术为地下滴灌,灌水水质为再生水,灌水定额为240m3/hm2、灌溉次数为9次,为当地再生水灌溉水质、灌溉制度与灌水技术的最优组合(A3B2C1),该组合产量高,品质好,重金属量远小于国家标准。这为宁夏地区推广再生水灌溉紫花苜蓿提供了理论依据。