灌溉水利用效率的空间分布特征及等值线图研究

基于全国各行政区的现状灌溉水利用效率数据,采用地质统计学及空间自相关分析方法对灌溉水利用效率的空间分布特性进行分析。结果表明:空间自相关法得到现状灌溉水利用效率在1500 km范围内各方向上存在着较明显的自相关关系,总体上没有较显著的方向性,但在ES-WN方向上的自相关性起主要作用。灌溉水利用效率各向同性条件下变异函数可用指数模型描述,在1900 km空间范围内存在着显著的相关性,除ES-WN方向外,并未体现明显的各向异性,与空间自相关分析结论基本一致。理论变异参数的分析结果表明,灌溉水利用效率的空间变异主要是结构性因素起决定作用,结构性变异达到91%左右。对比灌溉水利用效率及代表影响指标的空间分布格局可知,ET0均值、年均降水量对于灌溉水利用效率的影响是间接的,灌溉水利用效率与节水灌溉工程面积比存在显著正相关关系。     

粮食水分生产率分析计算与思考

在收集、分析江苏省通州市1997～2003年粮食种植结构和作物全生育期耗水量资料的基础上,根据水分生产率的定义,选择小麦、水稻和玉米为典型作物,分别计算各自的水分生产率,再以种植面积为权重,加权平均计算全市粮食作物的水分生产率。计算成果展示了通州市近6年推广渠道防渗和水稻浅湿灌溉技术的成效,揭示了以小麦为突破口,综合运用灌溉节水、农业节水和管理节水三大措施,促进全市粮食水分生产率跨上新台阶的努力方向。     

不同灌溉水分生产率指标的时空变异与相关关系

选择灌溉系统中的不同灌水量作为投入,建立毛灌溉水分生产率(Pg)、渠系灌溉水分生产率(Pc)及净灌溉水分生产率(Pn)指标;收集全国443个主要灌区1998年、2005年及2010年的数据资料,分析了中国灌溉水分生产的时空变化规律及指标间的相关关系。结果显示:3个指标的全国均值分别为1.361、2.532及2.989 kg/m3;各省区的3个指标均随时间呈增加态势,直辖市的增幅较大而长江流域粮食主产区较小;代表年各灌溉水分生产率指标在空间上均表现为明显的聚集现象,高值省区以黄淮海平原为核心集中分布,华南、西北及东北则密集了低值省区;Pg、Pc及Pn两两之间均呈现显著的线性相关关系,决定系数均大于0.90。3个指标中的任一指标均可代表省区灌溉水分生产率在全国的排序位置。     

我国不同分区灌溉水有效利用系数变化特征及其影响因素分析

灌溉水有效利用系数是反映农田用水效率水平的重要指标.依据各省(区、市)灌溉用水量统计信息,分析计算了我国不同分区的灌溉水有效利用系数的年际与空间变化特征.结果表明,华北地区是我国灌溉水有效利用系数最高的地区,西南地区最低,其他地区由高到低排序依次是东北、东南、西北和中部地区;同时结合各地区不同的气候条件、灌区类型、节水灌溉工程现状及灌溉管理水平分析了导致各地区之间以及区域内各省(区、市)之间灌溉水有效利用系数差异性的关键因素,从而为进一步采取针对性措施提升灌溉水有效利用系数提供参考.     

不同空间尺度下灌区灌溉水利用效率研究——以察尔森灌区为例

根据察尔森灌区2013-2014年实测数据,应用实测法与水量平衡法计算了田间水利用效率,通过典型渠道测试法计算了渠道水利用效率,在此基础上计算了察尔森灌区不同空间尺度下灌溉水利用效率;同时应用首尾法测算了察尔森灌区的灌溉水利用效率。结果表明,察尔森灌区从田间到斗渠尺度以及支渠到干渠尺度灌溉水利用效率降低明显,下一步灌区节水改造的重点是斗渠及干渠的工程建设和运行管理;首尾法所得灌区尺度下的灌溉水利用效率略大于典型渠道测试法,原因在于首尾法考虑了部分回归水的利用。     

河套灌区粮食水足迹与虚拟水净输出时空演变

为了正确评价灌区内水资源使用对改善现有水资源管理的影响,文中引入水足迹与虚拟水概念,同时考虑降雨和灌溉用水,计算了1960—2008年内蒙古河套灌区粮食水足迹与虚拟水净输出量的时空变化,进一步评价了灌区水资源在区域内和区域间的分配.结果表明：1960—2008年河套灌区粮食水足迹由3.534×109m3减小为1.634×109m3,自2000年灌区粮食虚拟水净输出量呈下降态势,两者构成均以蓝水为主（90%）;空间分布上,河套灌区中部地区（杭后、临河和五原）的粮食水足迹和虚拟水净输出量较大,而其他地区（磴口和前旗）较小;1960—2008年,粮食生产用水在灌区用水总量中所占比例呈显著下降趋势,年均下降1.07%.粮食生产用水的大部分以虚拟形式输送到灌区外部,该比例近年有所降低,但2008年仍高达76.22%.未来河套灌区应注重绿水和蓝水资源利用效率的提高.该研究为灌区水资源管理宏观政策的制定和可持续发展的实现提供理论依据.     

基于空间自相关的人均粮食占有量空间差异研究

运用空间自相关分析方法并结合GIS技术,对我国1980-2008年间的人均粮食占有量空间差异进行分析,以揭示我国粮食空间分布的差异、特征及变化.研究结果表明:研究期内,我国人均粮食占有量总体上呈上升趋势,各省份变化幅度各异;人均粮食占有量的Moran'sⅠ指数平均值为0.31,表明存在较强的空间集聚格局;Moran散点图反应出位于HH与LL象限的区域数量多于HL与LL象限数量,表明人均粮食占有量局部空间集聚效果显著;LISA集聚图显示,部分区域集聚特征发生变化.     

基于最小响应单元的地下水埋深时空分异特征研究

采用协同克里金插值方法,以2005、2009、2013、2017年4 a翁牛特旗地下水埋深为主变量,以NDVI(归一化植被指数)、降水量和河网密度为协变量,计算研究区内的地下水埋深,运用改进水文响应单元模式,在空间上将协同克里金插值后的地下水埋深栅格数据转换为矢量数据,将传统的简单插值分析方法运用协同克里金和最小响应单元进行改进,使之更贴合实际地下水汇流情况,获取最小响应单元551个,并据此进行空间整体与局部自相关分析。结果表明,在研究区空间上,地下水埋深东西分异规律明显,地下水位呈现西高、东低的态势,受降水和河流影响逐渐变大;在时间序列上,地下水埋深平均变化不大,但逐渐呈现聚集的趋势。     

基于ESDA与GIS的粮食综合生产能力空间分布研究——以河北省为例

粮食安全是关系到国民经济发展的重大战略性问题,粮食综合生产能力是解决粮食安全问题的核心.为此,运用空间自相关方法与空间回归模型,对研究区内粮食综合生产能力的空间分布格局及其成因分析,为河北省粮食安全和土地利用管理的决策提供支持.     

山东省油料产量的时空分析

在空间层面上,运用空间自相关方法分析了以农业产业为主的山东省87个县市油料产量的空间集聚特征。在时间轴上,基于ARMA模型对山东省油料总产量进行了预测。结果表明:山东省县域单元油料产量在空间上并非随机分布,油料产量比较接近的县市在空间分布上也比较邻近,呈集中分布。40个县域单元的油料产量具有显著的空间集聚特征。根据山东省1978—2008年油料产量的统计资料,建立了山东省油料产量的时间序列ARMA（2,1,2）模型,预测效果较理想,预测值与实际数值之间的平均相对误差仅为2.12％。      

灌区灌溉用水时空优化配置方法

将传统的灌溉水量在作物间的优化分配模型和建立的渠系工作制度多目标优化模型与地理信息系统相集成,提出了基于空间决策支持系统的灌区灌溉用水优化配置的新方法.综合考虑了灌区内作物、土壤、气象站点、渠系布置的空间差异、年季间气象以及作物不同生育阶段对应参数的时间差异.与传统优化方法相比,该方法可根据管理者对优化精度的要求,灵活选择优化尺度,同时,简化了求解时空优化配水问题的繁琐程度,结果表现形式更加丰富.在此基础上建立的空间决策支持系统界面友好,运行效率高,可移植性和通用性强.经实例验证,优化后的配水方案与原配水方案相比较,灌溉总用水量减少296％,产量增加243％,水分生产率提高05 kg／m3,灌溉净效益增加168％.优化后配水方案具有将有限的水资源向经济价值较高作物转移的趋势.该方法为灌区灌溉用水优化配置提供了新思路.     

Estimation of water consumption and crop water productivity of winter wheat in North China Plain using remote sensing technology

The North China Plain (NCP) is one of the most water stressed areas in the world. The water consumption of winter wheat accounts for more than 50% of the total water consumption in this region. An accurate estimate of the evapotranspiration (ET) and crop water productivity (CWP) at regional scale is therefore key to the practice of water-saving agriculture in NCP. In this research, the ET and CWP of winter wheat in 83 counties during October 2003 to June 2004 in NCP were estimated using the remote sensing data. The daily ET was calculated using SEBAL model with NOAA remote sensing data in 17 non-cloud days whereas the reference daily crop ET was estimated using meteorological data based on Hargreaves approach. The daily ET and the total ET over the entire growing season of winter wheat were obtained using crop coefficient interpolation approach. The calculated average and maximum water consumption of winter wheat in these 83 counties were 424 and 475 mm, respectively. The calculated daily ET from SEBAL model showed good match with the observed data collected in a Lysimeter. The error of ET estimation over the entire growing stage of winter wheat was approximately 4.3%. The highest CWP across this region was 1.67 kg m⁻³, and the lowest was less than 0.5 kg m⁻³. We observed a close linear relationship between CWP and yield. We also observed that the continuing increase of ET leads to a peaking and subsequent decline of CWP, which suggests that the higher water consumption does not necessarily lead to a higher yield.     

武威市集中式饮用水源地水质空间分异规律

基于2013年16个地表地下水水源地监测断面水质实测资料,应用系统聚类R型主因子分析法和Ward法对武威市平原区集中式饮用水水源地水环境空间分异规律进行研究.结果表明:武威市平原区饮用水源地水质污染存在从北向南逐渐转移的趋势.2013年5月16个地表地下水监测断面水质污染从北边(西渠镇致祥供水站Bb5)向中部(校东桥Aa6、扎子沟Aa7)转移;2013年8月水质污染从中部(三雷镇新陶供水站Bb3、扎子沟Aa7)向南边(上坝水厂Ba5、南营水库Aa5)转移;其中主要污染物指标包括硝酸盐氮、高锰酸盐指数、氯化物、挥发酚、总大肠菌群、硫化物、硒、总硬度8项水质指标.研究结果可以对石羊河流域功能区的划分与该区域饮用水源地水环境综合治理提供依据.     

东北地区春玉米作物系数时空分布特征研究

基于东北地区1951—2018年107个气象站点的气象资料和春玉米观测资料,利用不同作物系数修正公式,对作物系数模型计算的春玉米作物系数进行了验证,并利用空间插值法对全生育期及各生长阶段作物系数年际变化趋势和空间分布特征进行了分析。结果表明：考虑风速、湿度影响的单作物系数法对春玉米生育初期作物系数的模拟效果最好（R2=0.65）。东北地区全生育期春玉米作物系数在0.756~0.815范围内变化,在空间分布上,高值区主要分布在东北地区西部,低值区主要分布于黑龙江省北部的局部地区和辽宁省的东南部。不同生育阶段的作物系数,在生育中期最大,快速生长期次之,生育初期和末期总体较小。近70年东北地区春玉米全生育期作物系数年际变化呈显著下降趋势（R2=0.38）,作物系数倾向率达到-0.004/（10a）。在各个生育阶段,作物系数年际变化均呈下降趋势,黑龙江省下降最为明显,吉林省和内蒙古自治区东部次之,辽宁省变化不明显。东北地区绝大部分站点作物系数基本呈下降趋势,呈下降趋势和显著下降趋势的站点占比分别达到92.5%、64.5%。就不同生育阶段而言,快速生长期下降趋势最为明显（呈显著下降趋势站点占比为46.7%）;在生育中期及末期,下降趋势也较为明显（呈显著下降趋势站点占比分别为41.1%和34.6%）,在生育初期下降趋势不显著。     

Assessing grain crop water productivity of China using a hydro-model-coupled-statistics approach: Part I: Method development and validation

Identifying and quantifying the links between water resources and food production is crucial in addressing the intensified conflicts between water scarcity and food security. We proposed an integrated framework for quantifying relationships between food and water based on the concept of green water (GW), blue water (BW) and crop water productivity (CWP). An estimation method coupling hydrologic model and crop and water statistics was developed and validated to quantify basin-scale GW, BW and CWP in breadbasket basins of China. A basin-scale GW and BW assessment method was developed by using the Soil and Water Assessment Tool (SWAT). Monthly-step calibration and validation were performed at 15 discharge flow stations in seven first-order river basins of the country. The coefficient of determination (r²) and Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) in calibration stage ranged from 0.18 to 0.95, and −4.22 to 0.93, respectively; while in validation period, r² ranged from 0.02 to 0.97 and NSE ranged from −266.7 to 0.96. The simulated available soil water was validated against the observed soil moisture data, and the results showed that the model can reflect the yearly average values of soil water storage. Overall, the modeling performance for river basins with 4.94 million km² of drainage areas in total was acceptable. The simulated hydrologic components were then coupled with crop-and-water-statistics-based estimation method for assessing basin-scale CWP on four staple grain crops, i.e. rice, wheat, maize, and soybean. The results were validated by comparing with the similar investigations in China and around the globe. It was concluded that the overall performance of the estimation method was acceptable, and the method can be applied in assessing basin-scale GW, BW and CWP in China.     

广东稻田灌溉效益的时空变化分析

为合理进行稻田灌溉效益取值,对广东省不同地区32个样点46年的早稻、晚稻和双季稻的灌溉效益进行时空变化分析。结果发现:稻田灌溉效益在省内不同地区间大小差异悬殊,其变化与降雨量呈负相关关系,其中晚稻灌溉效益大于早稻,双季稻则介于两者之间;灌溉效益在多年时程中变化很大,其变异系数明显大于多年降雨量的变异系数,从多年灌溉效益的离散程度看,晚稻比早稻大,双季稻则比早稻和晚稻小;另外,灌溉效益在多年时程中的离散程度与平均相对减产量呈高度正相关关系,即平均相对减产量愈大,灌溉效益数值的离散度愈大。     

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...