再生水灌区地下水防污性能区划模型的建立与验证

为促进地下水水资源保护和利用,根据研究区域的特点以及地下水防污性能的影响因素,基于DRASTIC模型,选用以下6个因子：地下水水位埋深、降雨入渗补给量、表层土壤类型、包气带岩性、含水水力传导度以及土地利用类型建立了再生水灌区地下水特殊防污性能区划模型。采用地理信息系统GIS技术和内梅罗指数法,绘制研究区域地下水综合污染指数分布空间图,并且探讨了防污性能区划的验证方法以及等级划分标准。结果表明：地下水综合污染指数与研究区域的防污性能具有很好的相关性（R2=0.9591）,采用DRASTIC模型评价地下水特殊防污性能是可行的,可为再生水灌区地下水的保护以及利用规划提供重要借鉴。     

盐渍化灌区土壤水盐时空变异特征分析及地下水埋深对盐分的影响

针对盐渍化灌区土壤盐渍化问题,以河套灌区下游乌拉特灌域为研究区,通过野外实测与室内试验分析结合,采用统计学方法地质统计学原理分析表层土壤(0-20,20-40 cm)及深层土壤(40-100 cm)含水率与盐分(EC值)时空分布和变异规律,以及探求地下水埋深对土壤盐分的影响。结果表明:(1)除6月0-20 cm(9.779%)外,表层土壤含水率变异系数均在12.384%~19.667%,属于中等变异性,深层土壤含水率变异系数较小,在3.513%~9.757%,属于弱变异性;表层土壤盐分(EC值)变异系数在100.845%~129.279%,属于强变异性,深层土壤盐分变异系数均在83.685%~98.853%,属于中等变异性;随着土壤深度的增加,含水率和盐分的变异性都相对减弱。(2)不同时期土壤含水率和盐分在一定范围内具有空间结构特征,均可用高斯模型模拟,各层土壤含水率空间相关度在0.038%~20.408%,各层土壤盐分空间相关度在0.043%~8.374%,均小于25%,说明具有强烈的空间相关性,可以认为主要是受结构性因素的影响,其自相关引起的空间变异性较强。(3)试验区土壤盐分主要集中在北侧盐荒地,由于蒸发强烈,包气带毛细水上升,把深层土壤以及地下水中的可溶性盐类带到土壤表层,致使盐分升高,属于典型的盐分表聚型土壤,需及时防治与治理,同时土壤盐分受地下水埋深的影响较大,随着地下水埋深减小而增大,荒地地下水埋深与土壤盐分满足线性关系,耕地地下水埋深与土壤盐分满足指数关系。荒地0-20 cm土壤盐分含量随地下水埋深变化趋势较大,20-40,40-100 cm土壤盐分含量随地下水埋深变化趋势较小,耕地地下水埋深在1~1.6 m时,土壤盐分含量随着地下水埋深变化趋势较大,当地下水埋深大于1.6 m时,土壤盐分含量随着地下水埋深变化趋势较小。研究结果为河套灌区下游盐渍化土壤的防治与改良提供了重要的理论基础和参考依据。     

从水盐平衡的角度分析控制排水在银南灌区实施的可行性

宁夏银南灌区目前普遍存在排水过量问题。为了减少由此带来的由于农业污染物流失造成的环境问题,控制排水措施可以灵活调节现有系统的排水能力。该文根据控制排水的定义、作用及其适用条件,结合银南灌区的地理条件及其1979～1998年19年的水盐引排状况和水稻不同生育期的耐盐特性,从水盐平衡的角度分析,结果表明目前银南灌区处于脱盐状态且土壤盐分尚未达到作物的耐盐临界值,控制排水技术在银南灌区运用是可行的。     

河套灌区玉米耐盐性分析及生态适宜区划分

为了探讨河套灌区盐碱地玉米对根区土壤盐分的生态适应性,本文基于田间定位观测,运用非线性最小二乘数值逼近法建立玉米耐盐函数模型;同时根据耐盐性分析,提出玉米在该灌区不同生态适宜区的划分标准。结果表明,盐碱地地膜覆盖在生产上有较好的控盐效果,可以使玉米苗期0～10、0～20和0～40cm土壤盐分分别降低61.2%、53.8%、41.3%,能够增强玉米对盐碱地的生态适应性;分段式耐盐函数模型和S型耐盐函数模型均能较好地反应玉米相对产量对浅层土壤盐分变化的响应关系;浅层0～40cm土壤盐分作为玉米根层盐分来分析玉米的耐盐性最具代表性,其对应中玉9号玉米的耐盐指数为6.583;根据耐盐性分析,将区域耕地划分为玉米最适宜区、适宜区、次适宜区和不适宜区,对应玉米苗期0～20cm膜外土壤盐分分别为低于1.178、1.178～2.036、2.036～3.465和高于3.465g/kg。本研究将为当地玉米种植合理布局、高效生产提供理论指导。     

基于水盐平衡的绿洲灌区次生盐碱化防治研究

土壤次生盐碱化是威胁新疆绿洲灌区持续发展的关键因子。以位于塔里木河流域的渭干河灌区为例,在简要分析灌区水盐运移的控制因素基础上,以水盐均衡原理为指导,深入剖析了灌区-田块-作物根系3个尺度的土地盐分均衡特点及其相互关系,重点估算了淋洗需水量,简要讨论了次生盐碱化的驱动因子,最后从政策、技术与经济方面给出了控制次生盐碱化的对策。     

基于排队理论的灌区渠系地表水及地下水优化配置模型

地表水和地下水联合运用于农业灌溉是中国大部分灌区主要采用的灌溉形式,但目前的优化模型对地下水的运用情况过于简化,常采用定值作为优化模型的参数,所以不能真实反映地下水随时间对灌溉面积的影响。该文基于排队理论,研究分析了地下水灌溉的农田面积随等待地表水灌溉的历时的影响,并建立灌区渠系优化配水模型,以灌水历时最短为目标,根据渠首引水、渠系供水、作物用水等方面的用水关系建立约束条件。通过河北石津灌区的实际应用,说明模型方法的可行性,并提出该灌区5条主要干渠的合理优化配水方案。结果显示最优的灌溉历时为25.6 d;干渠B1的灌水周期贯穿了大部分灌水周期,是影响整个系统灌溉效率的关键渠道;子区C5分配的地下水资源较多,该子区的地下水灌溉面积占到了43%。该模型可更加真实地反映用于灌溉的地下水水量随时间变化的不确定性,能够为中国大部分地区建立地表水和地下水联合灌溉优化模型提供方法上的借鉴。     

基于ArcGIS空间插值的河套灌区土壤水盐运移规律与地下水动态研究

为探明河套灌区盐渍化半封闭小型灌域作物生育期土壤盐分和地下水变异规律,选取巴彦淖尔市五原县盐渍化土壤典型区域作为研究区.采用区域土壤—地下水信息定点监测法,选取149个采样点,30口地下水观测井,获得各项指标数据,并结合经典统计学、空间插值、相关性回归分析等方法,研究了土壤盐分及地下水动态空间变异性、不同深度土壤空间变...     

宁夏银南灌区排水现状分析及计算

作为灌溉农业的一项保障措施，农田排水在维持田间水盐平衡的同时，也向下游输送了大量可能成为地表水污染源的物质。位于黄河上游的宁夏银南灌区由于历史原因形成的“大引大排”积习，每年将过量的农田排水排入黄河，成为下游水质污染源，同时也浪费了宝贵的水资源。该文针对宁夏银南灌区过量排水问题，对灌区排水现状进行了详细的分析和计算。结果表明，在现有灌排制度下，生长期内水田的农沟排水量约56 cm，占地下排水总量的58%；旱田的农沟排水量较少，只有1.0 cm，占地下排水总量的4%。建议在水田农沟上加筑控制性建筑物，如堰等，对排水量进行控制，达到节约灌溉用水和减少农田排水对下游河道污染的目的。     

基于表观电导率和Hydrus模型同化的土壤盐分估算

精细刻画农田土壤盐分运移过程对盐渍化精准治理具有重要意义。该文以磁感式大地电导率仪EM38测定的土壤表观电导率作为数据源,利用表观电导率与剖面土壤盐分之间的反演模型作为观测算子,将集合卡尔曼滤波(ensemble Kalmanfilter,En KF)同化方法应用于土壤水盐运移过程模型(HYDRUS-1D),进行滨海盐渍农田周年土壤盐分动态的模拟,并分析了同化过程的敏感性。结果表明:与单纯使用HYDRUS模型相比,En KF同化方法对模型观测算子的更新,有效提高剖面土壤盐分模拟精度,且En KF同化值的精度优于En KF同化模拟值,在同化过程中的调整量亦最大;敏感性分析结果显示土壤盐分同化过程对状态变量集合数大小不敏感,对观测数据误差和引入观测数据的深度较为敏感,观测数据误差水平越高、引入观测数据的深度越浅其误差越大。研究表明基于水盐运移模型和土壤表观电导率数据的EnKF同化方法能提高土壤盐分的模拟精度,为利用多源数据和机理模型进行较大尺度生态过程模拟预测提供了有效手段。     

内蒙古河套灌区灌排水离子组成及淋洗盐分用水量评价

以河套灌区“盐分去向”为研究背景, 通过调查灌区土壤及各级灌排渠系水阳离子含量变化及室内模拟灌溉水淋洗土柱试验, 分析灌溉水经过土壤到排水阳离子组成的变化规律, 探讨用Na⁺浓度评价淋盐排灌水量比的可行性。结果表明, 与灌溉水相比, 各级排水干渠排水所含盐分中Na⁺所占比例明显增加, 平均约为87%; Ca²⁺所占比例减少, 平均约为7%。排水的全盐浓度(EC)和Na⁺浓度有显著相关关系, 说明Na⁺浓度对排水的全盐浓度有显著影响。灌溉水的2/3 Ca²⁺以非水溶性钙盐积聚在土壤, 排出量较少, 但灌区全年的Na⁺收支基本平衡。淋盐排灌水量比评价分析结果表明, 用Na⁺浓度评价淋盐排灌水量比要优于用全盐浓度(EC); 要维持灌区Na⁺收支平衡, 排灌水量比应保持在0.12~0.15, 针对现有灌区年引水量50 亿t, 年排水量要达到6~7 亿t。     

季节性冻融区井渠结合灌域地下水动态预报

该文以河套灌区永济灌域为研究对象,建立考虑冻融影响的分段式水均衡模型,预报12种井渠结合节水情景的地下水动态响应。结果表明:冻融期间气温对地下水埋深的影响在时间上滞后46.5 d,两者相关关系明显;地下水开发利用越多、秋浇采用黄河水的比例越小,节水规模越大,同时地下水位下降越明显。12种节水情景中,节水规模占现状引水量的5.7%~15.5%,全灌域平均地下水埋深增加0.05~0.24 m,井渠结合区地下水埋深增加0.16~0.38 m;灌域引黄水量与地下水埋深关系用二次函数进行拟合,决定系数R~2达到0.88以上;灌溉水利用效率的提高以及地下水位下降引起潜水蒸发的减小是井渠结合节水的实质。分析结果表明,考虑冻融影响的水均衡模型简单实用,可为中国西北干旱半干旱地区开展井渠结合地下水响应预报提供参考。     

内蒙古德岭山地区灌溉农业发展对浅层地下水系统演化的影响

为了了解灌溉农业发展对浅层地下水系统演化的影响,该文以1979年内蒙古德岭山地区浅层地下水系统未遭受人类活动强烈干扰时的状态为初始状态,采用水均衡原理计算2008年地下水的各种补排量,并进行地下水质量评价。通过对比初始状态与现状条件下浅层地下水系统输入(补给项)和输出(排泄项)的变化、水动力场与水化学场的变化,分析该地区浅层地下水系统的演化方向和规模。研究结果表明:灌溉农业的发展已成为影响浅层地下水系统演化的主要因素。灌溉农业对研究区地下水系统动力场演化的影响主要表现为局部区域地下水水位的持续降低和地下水流场的剧烈变化;对地下水系统化学场演化的影响主要表现为地下水化学类型的改变和地下水污染的加重。     

再生水灌区调蓄工程对地下水盐分的影响

为了对再生水灌区调蓄工程选址提供依据,该文通过建立5个不同深度监测井研究了再生水灌区调蓄工程对地下水盐分的影响,再生水经包气带入渗后渗滤液氯离子、全盐、总硬度含量有所增加,12 m包气带厚度对总氮、总磷去除率达到97.3%和99.0%以上,但是渗滤液中全盐、总氮、氮磷、总硬度等含量指标接近地下水背景值,未发现再生水调蓄工程蓄水导致地下水水质发生明显变化,说明研究区域再生水渗滤进入地下水对盐分的影响与其他补给水源的影响效果无显著差异。再生水灌区调蓄工程应建设在具有包气带岩性粗细相间、防污性能较好的区域。     

基于模糊神经算法的区域地下水盐分动态预测

为探讨前馈型人工神经网络BP-ANN(back propagation artificial neural network)和模糊神经NF(neuro-fuzzy)2种神经网络算法在区域地下水盐分动态预测中的应用过程与效果,首先通过经典统计分析确定区域地下水盐分动态的主要驱动因子以及可用的模型输入因子组合,采用"试错法"确定神经网络模型的最优结构,进而开展地下水盐分中长期动态的有效模拟预测。结果表明,在长江河口寅阳和大兴地区以降水动态为单输入的NF(5-gbellmf-160)和以降水与内河水盐分动态为双输入的NF(4-gaussmf-100)为最优预测模型。研究表明神经网络模型对地下水盐分动态的预测精度优于常规线性模型,其中,NF、BP-ANN、线性模型在寅阳测点的预测相关系数分别为0.565、0.445、0.261,在大兴测点的预测相关系数分别为0.886、0.784、0.543。与BP-ANN、线性模型相比,基于模糊神经算法的NF模型具有更好的误差纠错和仿真能力,在寅阳和大兴测点的预测误差分别降低了30%以上和50%以上。相关研究结果在区域水盐动态科学预警研究领域有较好地应用前景。     

基于电磁感应原理的沿海滩涂地下水矿化度快速测评技术

系统阐述了电磁感应式地下水矿化度快速测评技术的工作原理及关键设备,研究确定出进行沿海滩涂区地下水矿化度快速精确测评的电磁感应仪测定位或测定位组合,以及与其对应的地下水矿化度信息解译模型。结果表明：基于电磁感应原理的沿海滩涂地下水矿化度快速测评技术具有良好的信息解译精度,具有快速高效、需要投入少等优点;该项研究及其成果将对沿海滩涂地区矿化地下水管理及利用提供技术支撑。     

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。     

咸水畦灌农田土壤水热盐动态及油葵生长的试验与模拟

为探究中国西北旱区咸水畦灌条件下农田土壤水热盐动态及其对作物生长的影响,采用大田试验和WASH-C模型(Layered Soil Water-Solute-Heat Transport and Crop Growth Model,土壤水热盐迁移和作物生长耦合的模拟模型)模拟相结合的方法,分析油葵全生育期内不同灌水量和矿...     

地下水作用下微咸水灌溉对土壤及作物的影响

随着微咸水灌溉面积逐年增加,不合理的灌溉对土壤环境造成了不同程度的污染。该文采用大型蒸渗仪研究不同地下水埋深条件下微咸水灌溉夏玉米对土壤-作物系统环境因子的影响。研究结果表明：在地下水水位低于3 m地区进行微咸水灌溉,0～100 cm的土层内不会形成严重的积盐现象。当灌水水质为4 g/L时,灌水水质对土壤盐分环境的影响大于地下水埋深对其的影响。地下水埋深越深,夏玉米叶面积指数、株高及产量越小,且随灌溉水盐分水平的增加而减小,地下水埋深对夏玉米形态指标的影响大于盐分水平对其的影响。     

考虑季节性冻融的井渠结合灌区地下水位动态模拟及预测

该文以季节性冻融灌区内蒙古河套灌区为研究对象,建立灌区冻融期地下水补排模型,与三维地下水数值模型相结合,构建适用于季节性冻融灌区的生育期-冻融期全周年地下水动态模拟模型。采用河套灌区2006—2013年灌区实测地下水埋深对模型进行了率定和验证,并针对河套灌区不同地下水矿化度可开采区(分别为2.0、2.5及3.0g/L)、不同渠井结合比设置了18种井渠结合节水情景,对其地下水动态进行了预测。结果表明,该文构建的冻融期模型能准确反映其地下水动态过程;井渠结合后地下水埋深变化与井渠结合区地下水开采利用的矿化度上限和渠井结合比有关,井渠结合区地下水矿化度上限越大,渠井结合比越小,地下水埋深增加越多;实施井渠结合后,灌区生育期平均地下水埋深增加0.103~0.445 m,秋浇期增加0.076~0.243 m,冻融期增加0.096~0.216 m;从空间上看,全灌区年均地下水埋深增加0.096~0.316 m,井渠结合区增加0.346~0.635 m,非井渠结合区变化较少,一般不足7 cm。该文为季节性冻融灌区开展大规模井渠结合灌溉提供参考。     

Sustainable land and water management policies and practices: a pathway to environmental sustainability in large irrigation systems

Water cycle, land management, and environmental sustainability are intimately linked. Sustainable land and water management practices are vital for sustaining agricultural productivity and regional development. Unsustainable land and water management practices that violate the system's carrying capacity constraint over long periods can impose significant costs in terms of lost opportunities in farm production and regional development, say by causing waterlogging and salinity. On‐farm and regional salt and water balance dynamics are modeled as a sustainability or carrying capacity constraint, proxied by regional salt and water balance; on‐farm land and water management practices are then adjusted to meet the constraint, such that individual actions do not lead to a net change in the ground water and salt balance. Common actions across the farms would achieve the overall environmental sustainability. An irrigated area in southern Murray‐Darling Basin in Australia serves as a case study example. Integrated hydrologic, economic, agricultural, and environmental models called SWAGMAN series are used to evaluate the impacts of a range of on‐farm interventions on farm income and environmental sustainability. The results show that policies such as restrictions on area under certain crops, and tradable groundwater recharge/salinity credits both offer higher total gross margin and net present value than the business as usual scenario, specifically in the long run—win–win options for the farmers and the environment. The modeling results thus confirm the widely held view that unsustainable land and water management practices that violate the system's carrying capacity can impose significant costs on regional communities. In‐depth hydrological and economic analyses are needed to shape and guide society's vision for sustainable land and water management. Copyright © 2008 John Wiley & Sons, Ltd.