民勤县主要作物优化灌溉制度制定及风险分析

根据由气象站和田间试验搜集到的民勤县各灌区1985—2008年间统计数据资料,建立了民勤县典型作物基于机会约束规划的优化灌溉制度模型,利用动态规划方法求解,制定出了几种典型作物在不同水文年的灌溉制度,其节水增产效果显著,并对其用水风险进行了分析。     

基于双区间两阶段随机规划的黑河中游主要农作物种植结构优化

为优化有限农业水资源量下的种植结构以实现最大经济效益,考虑种植结构优化过程中存在的水文要素与社会经济要素中存在的不确定性,构建以经济效益最大为目标的双区间两阶段随机规划模型。在农业水资源量测算时出现了双区间特点,故使用双区间理论对农业水资源量进行表征计算。将构建的模型用于黑河中游甘肃省张掖市甘州区、临泽县、高台县的5种水文年(枯水年、较枯水年、平水年、较丰水年以及丰水年)下的种植结构优化,比较了优化结果与现状水平年种植结构与经济收益。结果表明:通过双区间两阶段随机规划模型得到的3种种植结构优化方案即保守决策方案、趋于平均决策方案和乐观决策方案产生的经济效益比现状水平年种植结构下的经济效益分别提高[1.97,8.53]、[4.20,11.04]、[6.43,13.56]亿元。     

面向生态的黑河中游模糊多目标水资源优化配置模型

以黑河中游为例,构建面向生态的单目标(模型一)和多目标(模型二)水资源优化配置模型,并进行对比分析。其中,单目标模型的目标函数是农业和生态产生的经济价值最大;多目标模型的生态目标是生态供水满意度最大,经济目标是农业产值最大。为了保证生态用水,模型中引入0-1整数规划来优化传统灌溉和节水灌溉的种植面积,同时,考虑到模型参数的不确定性,将模糊数引入到已建模型中。分别对2个模型求解,得到从不同角度出发的各个计算单元的水资源优化配置结果,为当地的生态保护提供了有力的决策支持。     

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。     

自然-社会水循环模型估算平原-丘陵-湿地区水稻种植潜力

自20世纪中叶以来在平原-丘陵-湿地区随着井灌水稻热的兴起,水稻种植面积急剧扩大甚至超过此类地区水稻种植潜力,引起了湿地面积萎缩、地下水水位下降和水质恶化等问题。为解决这些问题,该文构建自然-社会二元水循环模型揭示人类影响下的平原-丘陵-湿地区水循环机理,进而推算适宜的水稻种植面积。首先,利用数值法构建了基于栅格的分布式水文模型,然后在此模型中嵌入人类活动影响模型从而构建了二元水循环模型。根据水稻种植潜力阈值抽取河道水量极值、地下水最大埋深、地下水最大降深和最大地下水开采量等因素与旱田作物种类组合了18种情景模式。在满足控制阈值条件下,依据多年平均日降雨、蒸发和情景模式利用二元模型计算了各种情景的水田种植潜力,由潜力分析得:18种模式地下水最大埋深在5.17～7.49 m之间,地下水最大降深在1.67～3.73 m之间;水田处最大坡度范围0.028～0.053;河道引水量占河道水量的50%～70%;地下水开采比例在79%～112%间;水稻种植潜力为28.36万hm~2～54.12万hm~2,来自旱地面积为21.05万hm~2～40.32万hm~2,来自未利用地面积为5.68万hm~2～11.09万hm~2。以情景模式17为例在水田生育期内对河道生态需水量、地下水水位和旱地作物蒸发等进行了检验,验证得到:整个水稻生育期内分区流域地下水埋深均小于7.12m,开发水田的分区流域基流比最小值为33.45%,分区流域旱田平均蒸发与1990年土地类型情景下的分区流域旱田平均蒸发的比值大部分位于0.98～1.05,说明水稻生育期内情景17对河道水量和地下水水位的影响在控制范围内,对旱田蒸发影响比较小,因此情景模式17的水稻种植潜力是可行的。研究可为描述平原-丘陵-湿地区的水文循环过程和推求水田开发潜力提供依据。     

土地利用方式对平原-丘陵-湿地交融区水资源的影响

近年来三江平原的平原-丘陵-湿地交融区土地利用方式变化显著,造成地下水水位下降、水资源紧缺等问题,然而揭示该区土地利用方式变化对水资源影响的报道较少,且难于精准描述地表、地下、湿地和绿水等水资源量时空变化。本文联合基于格子波尔兹曼法的分布式TOPMODEL和湿地水流运动模型构建平原-丘陵-湿地交融区水文模型,利用GIS和RS技术,结合地学信息图谱与空间自相关方法,分析了挠力河流域土地利用方式变化及其对水资源量影响。结果表明:根据耕地面积变化和动态度分布得1990—2013年间挠力河流域草地和林地面积变化不大,旱地面积轻微下降;挠力河流域中部与北部区域生产条件优越的未利用地和旱地转为水田;土地利用方式变化对水资源影响由强到弱的顺序为灌溉水田抽取地下水量、绿水储量、径流深、绿水流量、补给地下水量;水稻田不同生育期蒸发量不同,造成了挠力河流域5—6月期间绿水流量增加、绿水储量减少、径流深减少、补给地下水量增加和灌溉水田抽取地下水量增加等趋势,7—8月期间这一增加趋势逐渐减弱,8月后这一趋势结束;水田密集区域绿水流量大,绿水储量和径流深减少,而补给地下水量和灌溉水田抽取地下水量增加。     

双区间规划在单一作物水资源优化配置中的应用

干旱的内陆地区,降雨稀少,水资源极度贫乏,进行农作物的水资源优化配置成为必然。在运用区间规划进行水资源优化配置过程中,很多的模型参数因为高度不确定性或数据资料短缺导致参数区间的上下限不能确定的情况很多。本文试引入改进后的双区间规划,用水分生产函数Jensen模型并以经济效益最大为目标函数对民勤县的春小麦进行了生育期内水资源的优化配置,将有限的水资源总量分配到作物的不同生育阶段,并对规划结果进行了概率分析。     

挠力河流域丘陵-平原-湿地区径流变化驱动力分析

为了减少或者防止丘陵-平原-湿地区蒸发变大、径流减少和湿地退化等问题产生,有必要找到丘陵-平原-湿地区径流变化的驱动力。该文针对这种情况选定典型丘陵-平原-湿地区挠力河流域为研究对象,识别研究区水文气象、降雨径流关系、覆盖类型和旱田作物种类等径流影响因素的变化情况,利用情景模式反映影响因素的组合情况,将情景模式输入水文模型,分析径流影响因素及其变化对水文循环过程和径流的影响。结果表明:研究区域降水变化是径流变化的关键驱动力,降雨与径流总体上均呈递减趋势,并且径流深的递减趋势强于降水量的递减趋势;径流减少影响因素除了关键性因素降雨外还有其他因素在起作用,并且影响在逐渐增强;气候变化也是径流变化的重要驱动力之一,1965—2014年期间夏季和秋季的气温、水汽压、日照和风速等都存在显著增加趋势,春季的气温和水汽压显著升高,春季的风速在降低;1965—2014年期间流域蒸发在5—10月间并不是总是随着气温、日照、水汽压和风速等增加而增加,在某些时段某些覆盖类型蒸发量存在减小的现象;集水区域内覆盖类型变化是径流变化的重要驱动力之一,未利用地转变成旱地、旱地转换为水田以及农业产业结构的调整,加速了研究区内流域蒸散发,导致径流深的递减速度加快,同时引起了径流深对降水响应的异常;降水、气候因素和土地覆盖类型等综合影响着蒸发、根系区含水量、非饱和带含水量和径流等水循环过程因素的时空变化。     

超声辅助提取辣椒籽蛋白工艺优化

以辣椒籽为原料,采用超声辅助法提取辣椒籽蛋白并利用响应面优化法提取工艺,在单因素试验的基础上,选取p H值,提取时间,超声功率,料液比4个因素进行响应面试验,根据所得试验结果确定最佳提取条件为:p H值11,提取时间13.31 min,超声功率336.21 W,料液比1∶35.85,在此条件下蛋白的预计提取量为5.90 g/(100 g)。利用Design expert软件对影响辣椒籽蛋白提取量的主要因素及其相互作用进行探讨,结果由大到小依次为:p H值料液比提取时间超声功率。与传统提取方法相比,超声辅助法使得蛋白提取量增加了0.81 g/(100 g)(占传统方法提取量的15.46%),蛋白纯度提高了5.47%。     

基于不确定性的区间分式规划灌区优化配水模型

为获得有限可用灌溉水资源条件下满足多个目标的最优配水方案,将区间不确定性方法引入线性分式多目标规划中,构建基于区间不确定性的分式规划模型。以甘肃省武威市民勤县红崖山灌区为研究区域,对当地4种主要作物,春小麦、春玉米、棉花、籽瓜进行水资源优化配置,在满足粮食安全基础上得到不同水文年下满足不同目的需求的水资源优化配置方案。在此基础上,对不同情境下的配水结果进行对比并详细分析了平水年不同区间用水效率增长对目标函数的增长率影响,得到不同用水效率下的优化配水方案及目标完成情况。结果表明:在枯水年灌区应优先满足籽瓜的灌溉需求,丰水年应优先满足棉花的用水需求,平水年农业生产的最优用水效率增长区间为[0,5%]。所得结果可以为民勤县红崖山灌区以及类似灌区水资源优化配置及用水效率提升提供了理论依据与决策支持。