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。     

基于SWAT模型的东北水稻灌区水文及面源污染过程模拟

灌区水文过程对于面源污染物的迁移、转化起到了重要的驱动作用。为揭示东北水稻灌区的水文及面源污染过程,该文在多年试验的基础上,运用修正的SWAT模型对其开展了模拟研究。2009-2011年在吉林省前郭灌区针对水稻生育期及冻融期内的灌区水文过程和农田面源污染物迁移、转化过程开展了系统的监测与试验。水稻生育期内,各级排水系统表现出不同的水文过程:末级排水沟中,由田间通过表层渗流进入排水沟的高浓度的水被灌溉退水所稀释,汇流排水沟的槽蓄量则在很大程度上影响了排水过程及污染物的对流和掺混过程。根据水稻灌区水文特性,以汇流排水沟为子流域,分别采用非稳定渗流公式和马斯京根法描述子流域中稻田向排水沟的渗流排水过程以及向子流域出口的排水汇流过程。试验和模拟结果表明:铵氮(NH4+)、硝氮(NO3-)和化学需氧量(COD)的浓度变化主要取决于排水过程,表层渗流和深层渗流过程决定了排水沟中NH4+和NO3-浓度过程,而排水沟中COD浓度还受到灌溉退水的影响。采用溴(Br-)作为示踪剂,通过测定土壤含水率、温度及示踪剂浓度变化,研究了冻结期的水文过程和面源污染物迁移过程,示踪试验结果显示,冻融期土壤中水流运动受到土壤基质势、温度势及重力势的影响,冻土中平衡状态下基质势为土壤温度的函数,土壤中污染物渗出通量与水分渗出通量表现出线性关系。基于水稻灌区下垫面产汇流特性和冻融期土壤对于灌区水文过程以及面源污染物迁移的影响机理,在SWAT模型模块修订的基础上,模拟了东北地区水稻灌区面源污染迁移流失过程,模拟流量、NH4+、NO3-、COD浓度与实测值符合较好,表明改进的模型能够用于东北地区水稻灌区的水文及面源污染过程模拟。     

灌排控制措施结合沟塘湿地改善水稻灌区排水水质的模拟分析

针对水稻灌区农田排水氮素输出影响水环境的问题,该研究以大运河扬州段沿运灌区为例,在大田监测的基础上,运用田间水文模型--DRAINMOD模拟分析不同田间灌排控制措施的减排效果,并探讨利用农田周边沟塘湿地净化排水,达到灌区小流域不同水质目标的水管理方案。结果表明,在研究区目前常规灌溉（定额为9 600 m3/hm2,合水深960 mm）和常规排水（排水沟深0.6 m,等效间距50 m）模式下,农田单位面积上的年均排水总量高达1 162 mm,是灌溉量与降雨量之和的59%;其中地表径流占比51%,仅有25%是由降雨造成的不可控部分。采取理想的避免地表径流的干湿交替控制灌溉措施（年均灌溉量320 mm）可以显著降低排水量和氨氮的输出,相较于常规灌溉模式,可削减55%的排水量和59%的氨氮输出。研究区农田控制排水削减排水总量的效果较差,且在一定程度上增加了地表径流。由于地表排水中氨氮浓度（2.85 mg/L）高于地下排水（其浓度为1.80 mg/L）,地表排水比例的提高会增加排水对氨氮的输出。从研究区小流域范围内沟塘湿地分布考虑,目前灌溉与排水量均过高,现有沟塘湿地不足以发挥作用;只有通过控制灌溉措施显著减少排水量以后,才有可能利用现存的湿地面积将排水中的氨氮浓度降低到地表水水质标准Ⅴ类水。因此,该研究建议在合理控制灌排水量的基础上,通过整合、优化灌区现有沟塘湿地资源来有效改善研究区农田排水水质。研究可为类似地区农田排水污染控制提供理论依据。     

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。     

冬小麦灌溉随机模拟模型研究

为了考虑随机因素(气象因素等)对冬小麦灌溉的影响,用时间序列方法建立了蒸发蒸腾量的随机模型,并将其导入田间水量平衡方程,推导出冬小麦灌溉的随机模拟模型。将该模型用于商丘市李庄乡的冬小麦灌溉,其灌水量与实际情况较为符合,最大误差仅为4.7%,可用于制定冬小麦的灌溉计划。     

基于SWAT模型的降雨数据适用性评价

为评价降雨产品在流域尺度水文模拟中的适用性,该文首先依据实际降雨数据评价GLDAS、TMPA和ERA-Interim 3种降雨产品在研究流域的可替代性。多指标模糊优选评价表明,基于双线性插值法的TMPA和ERA-Interim降雨产品数据在日、月尺度上的模拟效果均较好,相对误差(Bias)分别为5.48%和7.46%,均小于10%,相关系数(CC)在0.82~0.98之间,具有站点降雨的可替代性,可作为水文模型的输入。然后用此2种降雨产品分别驱动SWAT模型,进行研究流域的水文模拟精度分析。TMPA产品的日、月尺度水文模拟结果的Bias分别为10.88%和11.03%,纳什系数(NSE)分别为0.46和0.78,而ERA-Interim的日、月尺度水文模拟结果的Bias分别为9.11%和9.27%,NSE分别为0.44和0.70。以Bias、CC和NSE为特征指标的多指标模糊优选模型的评价结果为:TMPA产品日、月尺度水文模拟结果的相对隶属度值分别为0.51和0.53,大于ERA-Interim的相对隶属度值0.49和0.47,表明TMPA产品更适用于流域尺度的水文模拟。该文评价方法及结论可为类似流域尺度的水文模拟提供参考。     

基于遥感蒸发模型的干旱区灌区灌溉效率评价

为评价干旱区灌区的灌溉效率,该文以作物生长期灌溉地的蒸散发扣除降水量作为灌溉水的有效利用量,将灌溉水有效利用量与灌溉净引水量(总引水量减去退、排水量)的比值定义为灌溉水有效利用系数。利用遥感蒸散发模型可以较为准确地估算灌溉地蒸散发,从而可以避免传统灌溉水利用系数评估中难以准确估算通过灌溉到达作物根系层水量的问题。以河套灌区为研究对象,利用遥感蒸散发模型(surface energy balance algorithm for land,SEBAL)计算了区域内灌溉地作物生育期的蒸散发量,并结合降水量与净引水量的观测资料,对节水改造以来(2000-2010年)河套灌区灌溉水有效利用系数进行了分析和评价。结果表明,灌溉水有效利用系数近年来有增加趋势,同时灌溉水有效利用系数随降水量和净引水量的减小而增大,减少供水对灌溉水有效利用系数的影响要大于灌区节水改造工程的影响。另一方面,在灌区净引水量减少的情况下,灌溉地蒸发量能够维持在较稳定的水平,反映了近年来灌区节水改造的效果较好。     

河套灌区典型灌排单元农田耗水机制研究

由于耕荒地交错分布、作物插花种植、地下水埋深浅等特点,河套灌区灌溉水利用情况极为复杂。该研究以灌区典型灌排单元(农渠尺度)为研究对象,基于2 a野外试验观测数据,对整个观测区及其内部的不同作物田块分别建立水平衡方程,推求研究区平均给水度和不同作物田块腾发量,继而对研究区灌溉水利用状况及盐分归趋进行了评价分析。结果表明,研究区给水度为0.062,而仅考虑地下水位变动带的给水度为0.037;该研究提出的经验方法"上升下降法"可以较好地估算不同作物田块的腾发量;2 a中农毛渠系统输水损失水量(包括渗漏和蒸发)约占引水量的18%,灌到田间的水量占76%,直接退走的水量占6%;通过不同土地类型间地下水的横向交换,农田不但全部利用了田间灌溉水量,还通过地下水侧向流入的方式利用了约12%的渠道渗漏量,荒地利用了约65%的渠道渗漏量,排沟排走了23%;最终研究区农田腾发消耗了总引水量的78%,积累了总引入盐分的39%,荒地腾发消耗了总引水量的11%,承纳了总引入盐分的40%。研究结果可为灌区水盐管理提供依据。     

排水循环灌溉驱动的稻区水循环模型与评价

排水循环灌溉可补充灌溉和减少涝水排放,具有缓解南方稻区旱涝急转和农业面源污染危害的潜力,但仍无有效的模型来模拟排水循环灌溉驱动下的水文过程。为此采用penman-monteith公式和作物系数法并考虑稻田渗漏与降雨有效性条件下应用水量平衡估算水稻灌溉需水量,改进SCS(soil conservation service)模型估算排水量,再以塘堰为对象建立调蓄排水和灌溉需水的水平衡演算模型。在漳河水库灌区应用该模型发现,水稻种植区存在大量的排水可供灌溉利用,而排水循环灌溉利用量受灌排面积比、塘堰容积率和塘堰初始蓄水率的影响;提高灌排面积比和塘堰容积率能明显提高补充灌溉率和排水再利用率,当两者达到一定值时补充灌溉率和排水再利用率便稳定在最高值,补充灌溉率高达20%;补充灌溉率随塘堰初始蓄水率的增加而缓慢增至20%,排水再利用率先随初始蓄水率的增加而稳定不变,随后逐渐降低。排水循环灌溉驱动的水循环模型为合理匹配排水循环灌溉的塘堰或排灌规模提供有效方法。     

基于负压灌溉系统的温室番茄蒸发蒸腾量自动检测

针对目前关于作物蒸发蒸腾量测量方法中存在测定成本高、工作强度大及精确度差等问题,设计了一种测量作物蒸发蒸腾量的负压灌溉系统(negative pressure irrigation,NI)。为验证测量结果的精确性,以水量平衡法为对照(CK),采用田间小区定位试验,研究了NI条件下日光温室番茄周年土壤水分动态变化,并对比分析了温室番茄蒸发蒸腾量及水分利用效率。结果表明:NI条件下的温室番茄0~20 cm土壤含水率及0~100 cm土体贮水量变化稳定,周年变化幅度分别为21.4%~23.8%和322.2~333.3 mm。负压灌溉系统测量的春茬番茄蒸发蒸腾量呈单峰曲线变化,季节变化幅度为0.46~5.68 mm,最高值出现在5月20日;秋茬番茄的蒸发蒸腾量季节变化幅度小于春茬番茄,仅为0.56~3.43 mm,最高值出现在10月12日。NI测定的番茄周年蒸发蒸腾量为533.4 mm,低于CK计算结果(541.6 mm),但并无显著性差异(P0.05)。2种方法测定的周年蒸发蒸腾量呈极显著线性正相关关系(P0.01),相对误差绝对值的平均仅为3.83%~7.71%,绝对误差绝对值的平均也只有2.14~5.08 mm。2种方法得到的温室番茄水分利用效率也无显著性差异。综合分析,负压灌溉系统能够实现温室番茄蒸发蒸腾量的计算,其结果不仅与水量平衡法无显著差异,而且简便快捷、使用成本低、测定结果可靠,为温室作物的蒸发蒸腾量测量提供了新的技术手段。     

智慧农业水田作物网络化精准灌溉系统设计

传统水田粗放型灌溉不仅对作物生长带来不利影响,而且不能够充分利用自然降水,在很大程度上造成了水资源的浪费。该研究设计了基于智慧农业技术的网络化水田作物精准灌溉系统。建立了通信节点最优部署模型、作物耗水预测模型、降水预测模型、最优化灌溉决策模型以及基于模糊控制理论的精准灌溉决策系统;提出了基于维诺图改进的飞蛾扑火优化算法（Voronoi Moth Flame Optimization,VI-MFO）的灌溉网络通信节点优化部署方法,以提升灌溉网络通信效率并降低通信能耗;最后,将水田状态信息及气象参数作为精准灌溉决策系统输入,经过系统决策,自适应控制水田灌溉设备进行精准灌溉。对江苏地区水稻田进行仿真,结果表明,所提出的智能灌溉系统与传统非智能决策系统相比,灌溉设备动作频次降低26.67%,灌溉量减少40.82%,排水量减少33.89%。所提出的智能灌溉决策系统节约了水资源。     

基于SWAT模型的平原河网区水文过程分布式模拟

目前普遍使用的基于SWAT(soil and water assessment tool)模型的分布式建模方法仅适用于山地、丘陵等高差较大的地区,对于具有复杂水文结构特点的平原河网区尚无有效的解决方案。该文选择太湖流域湖西区作为研究区,基于SWAT模型探索出一套完整的针对平原河网区的分布式建模方案。该方案采用概化、打断的方式将交叉、环状河网处理成单一的枝状河网,采用按河道分流比例跨子流域调水的方式来还原原始河道的传输过程,采用添加"虚拟水库"的方式来模拟人工圩区内外的水量交换。通过对太湖湖西区2008-2010年的月均径流量进行模拟验证,根据模拟值和观测值计算的荣登桥、胡家圩及宜兴3个水文站的相关系数r和纳什(Nash-Sutcliffe)系数Ens分别为0.94、0.95、0.93和0.84、0.80、0.67,说明了这种建模方法在平原河网区具有较好的适用性。     

卫星遥感影像在农田灌排系统识别中的应用研究

利用监督分类、NDVI指数、屏幕数字化等遥感影像处理方法在黄河下游的山东簸箕李灌区开展农田灌排系统识别的应用研究。在对采用卫星遥感影像(SPOT、LANDSAT、ERS)识别的灌区农田灌排沟渠可视化效果进行分析、对比与评价的基础上，完成对农田灌排系统的数字化处理，得到灌排沟渠在灌区内的分布状况及总长度估值。研究表明，对SPOT XS影像进行屏幕数字化处理似乎是用来识别农田灌排沟渠的理想途径，估算的灌区干、支、斗三级沟渠的总长度具有较好的精度，然而要对农田灌排系统进行精确地分级划类还有赖于遥感识别技术、GPS定位方法与实地调查工作的紧密结合。     

Optimization of irrigation management and environmental assessment using the water cycle algorithm

Obtaining high crop yields with limited water consumption requires optimal irrigation strategies based on comprehensive studies of the parameters of plant–environment interactions. Here, we used a structural equation modelling (SEM) to assess the relationships among input irrigation factors and moderate factors to find an optimum water use efficiency (WUE) response factor, for outdoor and greenhouse cultivation of eggplant (Solanum melongena). The input irrigation factors (including irrigation interval, water salinity and environment) and the moderate factors (evapotranspiration, soil salinity, plant parameters, fruit parameters and crop yield) were used in water cycle algorithm (WCA) and genetic algorithm (GA) methods to optimize the water use efficiency. The optimization process included finding the best combination of irrigation factors and optimized eggplant cultivation. The structural equation modelling results indicate that irrigation interval negatively affected water use efficiency with a more dominant effect on plant parameters. Water salinity negatively affected the water use efficiency with a more dominant effect on soil salinity, crop yield and fruit parameters. Low salinity water was more effective than full irrigation to optimize the water use efficiency. The water cycle algorithm revealed that for outdoor cultivation, the optimal range of irrigation interval was 2–5 days and water salinity in the range of 0.8–2.2 ds/m. These factors optimized evapotranspiration (346.23–738.19 mm), soil salinity (4.16–9.45 ds/m), fruit parameters (33.81–35.12 cm) and crop yield (1715.7–2190.8 g/plant), as well as increasing the water use efficiency (3.08–4.89 g/(plant-mm)). Both the water cycle algorithm and genetic algorithm yielded very close to optimal values. Two years of repeated experiments and the closeness of the optimal values using the algorithms confirmed that the optimal amounts are reliable.     

TRMM在海河流域南系的降水估算精度评价及其对SWAT模型的适用性

准确估算区域降水对水文过程评价和水资源管理意义重大。为评估TRMM 3B42V7降水产品在海河流域南系的估算精度及其在土壤和水评估模型(Soil and Water Assessment Tool,SWAT)中的适用性,利用28个气象站降水观测数据(2007-2016年)和101个雨量站观测数据(2010-2016年)开展研究。研究表明:站点尺度上,3B42V7降水产品对月降水估算的均方根误差小于15 mm,平均误差小于8.5 mm;在湿润季节的估算精度更好。流域尺度上,日降水估算精度较差,相关系数小于0.6。分区尺度上,3B42V7能够很好地捕捉到不同等级降水强度,但对微量降雨有所低估;山区和平原的年降水量均出现高估现象,平原区较为突出;此外,3B42V7能够较好地捕捉到研究区内极端降水的时间和空间分布。分2种情景进行水文模拟,利用月平均流量对模型进行校准和验证,在情景Ⅰ中,验证期模拟结果较好,决定系数在0.56~0.96之间,纳什效率系数在-11.09~0.94之间。TRMM 3B42V7可为海河流域及其类似区域的水资源管理提供参考。