不同时间尺度下冻融灌区地下水埋深CAR模型优选

为提高冻融灌区地下水埋深的预测精度,探索不同时间尺度数据源对地下水埋深预测的影响,以河套灌区永济灌域为研究区域,针对地下水埋深在时间序列上表现的滞后性和非线性,建立了不同时间尺度(月、季、年) CAR模型,并进行了不同输入变量CAR模型的差异性分析。结果表明:季尺度数据源CAR模型拟合效果明显优于月尺度数据源CAR模型和年尺度数据源CAR模型,拟合效果较好的季尺度数据源CAR模型的决定系数(R~2)、NashSutcliffe系数(E_(ns))和均方根误差(RMSE)分别为0.936、0.934和0.046 m,较拟合效果较差的月尺度数据源CAR模型各项指标分别提高了11.30%、11.86%和降低了32.35%。仅考虑冻融期气温的CAR模型明显优于考虑气温的CAR模型和不考虑气温的CAR模型。冻融灌区最优地下水预测模型为季尺度数据源且仅考虑冻融期气温的CAR模型,其R~2为0.941,E_(ns)为0.940,RMSE为0.044 m,模拟精度较高。     

基于CEEMD-BP耦合模型的灌区地下水埋深预测

为了科学预测人民胜利渠灌区地下水埋深,促进灌区水资源的可持续利用,针对灌区地下水埋深具有非线性、非平稳性与预测精度低的特征,基于CEEMD具有非平稳信号平稳化的能力和BP神经网络较强的非线性和不确定性映射能力与预测效果,构建了基于CEEMD-BP的灌区地下水埋深预测耦合模型.将该模型应用于人民胜利渠灌区地下水埋深预测中...     

基于IL-HMMs预测模型的地下水埋深预测研究

以西北干旱典型县域磴口县为研究区,基于增量学习的改进隐马尔可夫预测模型(IL-HMMs),对区域地下水埋深进行了预测研究。为检验IL-HMMs模型预测效果,将模型预测结果与2013年长观井的实测数据进行了比较;同时为检验模型的优劣性,与未经增量学习的隐马尔可夫模型(HMMs)、加权马尔可夫链(WMCP)和BP神经网络(BP neural network,BPNN)预测模型的预测结果进行了比较。结果表明:与其他几种预测模型相比,IL-HMMs模型预测精度显著提高,误差更小,有较好的鲁棒性。并使用IL-HMMs模型对2018年地下水埋深进行了预测,预测结果表明,2018年地下水年平均埋深略有增加、局部区域地下水埋深增量加剧。基于IL-HMMs模型的地下水埋深预测具有很好稳定性的同时对新数据加入又有很好的鲁棒性,可为地下水埋深动态预测提供思路与方法补充,为区域地下水资源开发利用和保护提供重要依据。     

灌区渠系引水量及气象因素变化对地下水埋深的研究

为了研究渠系引水量以及气象因素与地下水埋深之间的联系,以河套灌区为研究对象,通过描述性统计分析方法,建立起引水量———地下水埋深、水面蒸发量———地下水埋深关系图。结果表明：在生育期内（4月-11月）,引水量、蒸发量与地下水埋深的区域整体变化趋势较好,相关性显著。因此,充分研究出引水量、水面蒸发量对地下水埋深的关系,将对于灌区地下水的合理开采与配置以及灌区全面实施节水改造工程具有重要的意义。     

淮北砂姜黑土区地下水适宜埋深的探讨

首先分析了淮北砂姜黑土区降水、地表水、地下水、土壤水的特点，再根据这些特点提出了该区不同要求的地下水适宜埋深，包括防止作物受渍、受旱和提高作物产量、节约水资源、减轻洪涝渍灾害的地下水适宜埋深。     

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。     

季节性冻融区地下水位预测方法研究

为预测河套灌区冻融区全年地下水位变化过程,采用统计学方法,研究了冻融期地下水位与地表气温间的关系,建立了二者间的线性模型,结合非冻融期水量均衡模型,建立了改进型水量均衡模型,通过优化求解方法确定模型参数。结果表明,模型计算埋深与实测埋深拟合效果较好,提出的改进型水量均衡模型可较好地预测冻融区全年地下水位变化过程,解决了冻融期间地下水模拟难题,方法简单精确,具有很好的实用性。     

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...     

季节性冻融期不同潜水位埋深下土壤蒸发规律模拟研究

为了揭示季节性冻融期不同潜水位埋深和土壤质地对土壤蒸发的影响,通过连续2个冻融期的蒸渗计土壤剖面含水率和土壤温度的监测,利用水热耦合运移模型模拟研究了4种不同潜水位埋深(0.5、1.0、1.5、2.0 m)下砂壤土和壤砂土的土壤蒸发规律。结果表明:不稳定冻结阶段和消融解冻阶段地表土壤均出现昼融夜冻的特征,土壤液态水分较多,砂壤土和壤砂土蒸发量分别占整个冻融期的91.7%和81.8%以上。稳定冻结阶段的土壤蒸发量随着潜水位埋深的增加而增大,但小于0.31 mm。潜水位埋深为0.5 m时冻融期土壤蒸发量最大,砂壤土和壤砂土分别为47.28 mm和25.60 mm,随着潜水位埋深的增加,冻融期土壤蒸发量呈指数型减少,土壤颗粒直径相对较大的壤砂土土壤蒸发量随潜水位埋深的增加而衰减的幅度较为明显。该研究可为地下水浅埋区土壤盐渍化的防治和地下水资源量的科学评价提供依据。     

基于地下水合理埋深的井渠结合灌区水资源联合调控

以泾惠渠灌区为例,针对井渠结合灌区地下水超采及地下水位上升而导致的农田灌溉水环境等问题,从水位调控水量的角度出发,提出了基于地下水位合理埋深的水资源调控模式。在确定不同水文地质单元和不同植被类型条件下地下水位合理埋深上下限的基础上,结合PSO-RBF神经网络对地下水位埋深预测的结果,设计了基本、节水两种水资源联合方案,对不同保证率下的灌区水资源进行了联合调控。结果表明:泾惠渠灌区地下水位合理埋深上限介于1.76~3.50m,下限介于8.7~25.0m,不同水文地质单元、植被类型的水位埋深上下限值差异较大;水资源联合调控时,局部地区出现地下水超采,需加强节水灌溉和多水源的联合调控。     

Review of water table depth planning for a multi objective water management system

In this paper, the concepts for planning and design of drainage depth will be reviewed in relation to the different requirements for maximizing crop production. The relationships of the drainage depth with other design parameters and their interdependency will be discussed. Reference will be made to the cost, cost/benefit ratio and economic returns of drainage systems with respect to the drainage depth. Some applications and practices in different countries will be highlighted.     

Contribution to irrigation from shallow water table under field conditions

The mathematical model SWBACROS was applied to estimate the contribution of a shallow groundwater to the water needs of a maize crop. The model was applied with the top and boundary conditions defined by the observed irrigation/rainfall events and the observed water table depth. The simulated water contents of the top zone were very close to the observed values. Furthermore the model was applied with an assumed free drainage bottom boundary condition. The difference of the computed water content profiles under the presence and absence of the water table gave a very good estimate of the capillary rise. It was found that under the specific field conditions about 3.6 mm/day of the water in the root zone originated from the shallow water table, which amounts to about 18% of the water, which was transpired by the maize crop.     

河套灌区节水灌溉对土壤盐分累积规律的模拟研究

在内蒙古河套实施农业节水对引黄灌区水资源可持续利用具有非常重要的意义。通过河套灌区土壤水盐动态的原位监测,并应用水盐运移和作物耦合模型HYDRUS-EPIC对不同灌溉条件下葵花土壤盐分累积规律进行分析。研究结果表明:现状滴灌条件下葵花生育期土壤表层(0~10cm)盐分呈累积趋势,全盐含量分别比传统地面灌溉和等量地面灌高115%和37%;葵花生育期0~100cm增加的全盐量(ΔC)滴灌比传统地面灌溉高305%,比等量地面灌溉低23%,淋洗是灌区滴灌不可或缺的抑盐措施;滴灌条件下葵花的产量比传统地面灌小6.5%;滴灌产量比等量地面灌高11.7%,增产效果明显。     

河套灌区井渠结合地下水数值模拟及均衡分析

建立了河套灌区三维地下水数值模型,用2006-2013年灌区实测地下水埋深资料对模型进行率定和验证,并在规划的井渠结合区内,设置3种不同井灌区灌溉定额和3种秋浇频率,组合共9种井渠结合节水情景,分别分析了9种节水情景下的地下水动态变化.结果表明:井渠结合后全灌区地下水埋深范围为1.863~2.029 m,较现状条件增加0.084~0.250 m;不同灌域结合区井渠结合后地下水埋深差别很大,解放闸结合区地下水埋深最大,为2.308~2.803 m,永济结合区地下水埋深最小,为2.079~2.455 m;井渠结合后,入渗补给量减少2.01×10⁸ ~3.63×10⁸ m³/a,潜水蒸发量减少1.69×10⁸ ~3.03×10⁸ m³/a.     

河套灌区典型区土壤水-地下水动态与转化关系研究

为确定限制引水背景下河套灌区土壤水-地下水动态及其转化关系,为优化农田水管理策略提供理论依据,选取河套灌区典型斗渠区域,基于2年土壤水、地下水的监测数据,分析在不同作物种植区、不同灌溉期的农田土壤水、地下水的动态变化规律。运用水量平衡法对地下水浅埋区农田土壤水与地下水的转化关系进行定量研究,结果表明：生育期内农田土壤水分变化属于“灌溉降水入渗补充-腾发消耗型”;受灌溉影响,不同时期地下水埋深动态具有显著的灌溉型特征,土壤水渗漏补给地下水明显抬升地下水位,地下水排水和潜水蒸发又降低地下水位;在作物生育期内,土壤水与地下水进行双向补给,且不同时期具有不同的转化特征;研究区2年生育期内灌溉降水补给土壤水分别为544.56mm和541.85mm,平均腾发量为465.5mm和434.8mm,土壤储水量减少61.96mm和63.1mm,土壤水补给地下水为207.73mm和236.94mm。研究可为当地及相近地区农业节水灌溉提供科学依据。     

基于水足迹的河套灌区多目标种植结构优化调整与评价

针对黄河水量逐年减少和农业面源污染日趋严重等因素导致内蒙古河套灌区农业用水短缺、生态环境不断恶化的问题,本文将水足迹概念（蓝水足迹、绿水足迹、灰水足迹）引入多目标优化模型和多目标决策评价模型,对灌区有限的水资源进行合理配置。以河套灌区为例,本文选取小麦、玉米、葵花、瓜类、番茄5种典型作物,从经济、社会、资源以及生态4个角度对作物的种植结构进行优化,并耦合模糊层次分析和TOPSIS法对多种优化方案（多目标优化方案、单目标优化方案、现状情景方案）进行评估优选。结果表明,在保障粮食作物产量的基本需求下,减少粮食作物小麦、玉米的种植面积,增加经济作物葵花、番茄和瓜类的种植面积,可以达到增加经济收入、保证社会公平性、提高水资源利用效率及减少粮食生产过程中给环境带来负面效应的目的。并且,评价结果表明多目标优化方案兼顾经济、社会、资源和生态多方面,优化结果优于单目标优化结果和现状情景。研究可为河套灌区及类似地区作物种植结构调整提供相应的理论依据和决策支持,助力灌区可持续发展。     

河套灌区不同地类盐分迁移估算及与地下水埋深的关系

针对河套灌区引水量逐年减少、输入灌区的盐分无法有效排出、仅能在灌区内部重新分配的现状,以河套灌区耕地-荒地-海子为研究对象,通过野外实测和室内试验分析相结合,基于地质统计学、溶质动力学理论,研究了耕地-荒地-海子系统土壤剖面、不同土层盐分和地下水盐分的时空变化特征,定量估算了不同时期的盐分变化,揭示了系统盐分的表观平衡,分析了地下水埋深对土壤盐分的影响。结果表明:在耕地-荒地-海子系统中,灌溉期,耕地大量盐分随地下水迁移到荒地,秋浇前荒地含盐量是耕地的2倍,秋浇后荒地脱盐量是耕地的3倍。整个生育期耕地1 m土体盐分通过灌溉期淋洗,积盐率仍为56%,秋浇后盐分没有完全排出,脱盐率为44%,土壤深层有轻微积盐现象;荒地1 m土体积盐率为63%,秋浇后脱盐率为62%,荒地盐分全年基本保持平衡。地下水和海子盐分时空分布呈条带状,存在较强的空间相似性,海子是系统的储盐区。应采取有效措施将灌区目前地下水埋深降低0.2 m,研究区地下水埋深控制在1.7～2.3 m之间更佳。在生育期(5月15日—9月15日),荒地1 m土体积盐量为377 705 kg/hm~2。地下水补给荒地20～100 cm土壤盐量为17 985 kg/hm~2,占积盐量的5%; 0～20 cm土壤盐量增加202 395 kg/hm~2,占积盐量的54%;耕地地下水迁移给荒地深层土壤盐量为114 015 kg/hm~2,占积盐量的30%;耕地水平渗透给荒地的盐量为43 305 kg/hm~2,占积盐量11%。本研究可为灌区水盐运移提供理论依据。     

基于高光谱的区域土壤颗粒组成及有机质预测模型尺度转换

以内蒙古河套灌区3个尺度下1 024个样本的高光谱为模型输入,黏粒、粉粒、砂粒及有机质质量百分数为模型输出,通过多元回归、支持向量机及BP神经网络方法建立基于中尺度的反演模型,将其尺度上推至大尺度及下推至小尺度,并对其尺度转换的适用性进行评价.结果表明,基于中尺度建立的高光谱与土壤颗粒组成及有机质的反演模型均可以较好地应用于其他2个尺度:多元回归方法在其他2个尺度上的相关性为0.33~0.60,支持向量机方法为0.41~0.52,BP神经网络方法为0.52~0.72,其中BP神经网络方法建立的模型在其他2个尺度上具有更好的适用性;不同参数中,黏粒、粉粒、砂粒及有机质的相关系数分别为0.44~0.62,0.37~0.72,0.42~0.72及0.33~0.56,即颗粒组成的效果整体好于有机质质量百分数.     

Modeling shallow water table evaporation in irrigated regions

Groundwater discharge through evaporation due to a shallow water table can be an important component of a regional scale water balance. Modeling this phenomenon in irrigated regions where soil moisture varies on short time scales is most accurately accomplished using variably saturated modeling codes. However, the computational demands of these models limit their application to field scale problems. The MODFLOW groundwater modeling code is applicable to regional scale problems and it has an evapotranspiration package that can be used to estimate this form of discharge, however, the use of time-invariant parameters in this module result in evaporation rates that are a function of water table depth only. This paper presents a calibration and validation of the previously developed MOD-HMS model code using lysimeter data. The model is then used to illustrate the dependence of bare soil evaporation rates on water table depth and soil moisture conditions. Finally, an approach for estimating the time varying parameters for the MODFLOW evapotranspiration package using a 1-D variably saturated MOD-HMS model is presented.     

Shallow subsurface drainage in an irrigated vertisol with a perched water table

Waterlogging and salinity are reducing the productivity of irrigated agriculture on clay soils in south east Australia. We compared five drainage treatments: (1) undrained control (Control); (2) mole drains (Mole); (3) mole drains formed beneath gypsum-enriched slots (GES) (Mole + GES); (4) shallow pipe drains installed beneath GES (Shallow Pipe); (5) deep pipe drains (Deep Pipe). The experiment was set out on a vertisol and our measurements were made during the growth of an irrigated onion crop.

Over the 3 months before the spring irrigations commenced, the perched water table on the Control was less than 400 mm below the soil surface for 27% of the time, whereas the shallow drainage treatments (Treatments 2, 3 and 4) reduced this time to less than 4%. During the irrigation season, the perched water table on the Mole + GES treatment rose above 400 mm for 3% of the time. The perched water table on the Mole treatment was above 400 mm for 14% of the time, compared with 19% of the time on the Control. The Deep Pipes were less effective in reducing the depth to the perched water table, both before and during the irrigation period.

Mole drains increased the gas-filled porosity above the drains. However, the gas-filled porosity remained below reported levels for optimum root growth. Although the drains effectively drained excess water, and lowered the water table, the hydraulic gradient was insufficient to remove all of water from the macropores. Gypsum enriched slots above the mole drains increased the gas-filled porosity in the slots but the drainable porosity in the undisturbed soil appeared to be inadequate for optimum root growth, even though some drainage occurred near the slots.

Discharge from the shallow drainage treatments averaged 58 mm for each irrigation, and was considerably more than the amount required to drain the macropores. The mole channels were in reasonably good condition at the end of the irrigation season, with at least 70% of the cross-sectional area of the channel open.

Shallow subsurface drains increased onion yield by about 38%. For each day the water table was above 400 mm, the yield declined by 0.23 tonnes per hectare. Farmer adoption of shallow subsurface drainage will depend on the long-term economic benefits (influenced by the longevity of the mole channels and yields response) and the need to develop more sustainable management practices.