考虑地面灌水技术制约的灌溉制度优化

制定作物灌溉制度不仅要考虑补充根层土壤水分以满足作物需求，还应考虑灌水方法对灌水量的限制。为研究我国华北地区地面灌溉条件下冬小麦－夏玉米连作的节水灌溉制度，在河北省雄县进行了连续3年不同灌水处理试验，用水量平衡模型ISAREG对各处理进行数值模拟，从而验证了选定的模型和参数。采用该模型模拟了不同水文年冬小麦－夏玉米连作的多种灌溉制度，对各方案的灌水次数、灌水量、降雨和灌溉水量损失以及作物产量等因素进行了对比，并对现行灌溉制度进行了评价。结果显示：雄县现行灌溉定额大大超过了灌溉需水量，主要原因是地面灌水技术的制约，如田面不平、进地流量过小或畦块过大等，造成难以控制小水量灌溉。为研究既能满足作物基本需水要求，又使灌溉水量损失最小的最佳灌水定额，用模拟地面灌溉水流运动的SRFR模型模拟不同生长阶段的灌溉，得到了每次灌溉时不同流量条件下的最小灌水量，以及灌水效率与灌水量的关系，据此提出了与灌水技术改进措施相结合的不同水文年的灌溉制度优化方案。     

多作物种植结构和灌溉水量优化模型及算法研究

在综合考虑作物灌溉水量、种植面积、水分生产函数、产量反应系数、水分敏感指数等因素基础上, 以实现灌区作物总产量最大为目标函数, 建立了多作物种植结构和灌溉水量优化分解协调模型, 设计了改进实码遗传算法与分解协调迭代算法相结合的模型求解算法, 并利用中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站多年试验数据, 运用上述模型和算法对玉米、小麦联合种植的种植结构、灌溉水量以及玉米、小麦灌溉制度进行了优化计算。结果表明: 产量反应系数大的作物分配的灌溉水量和种植面积大, 且随灌溉水量增加其增产速度越快; 当作物某些生育阶段灌水前的潜在腾发量与可供利用水量的差值相差不大时, 水分敏感指数大的作物生育阶段获得灌溉水量较多, 反之, 即使水分敏感指数大的作物生育阶段也有可能分配不到更多的灌溉水量。这一结果与作物产量反应系数的几何意识、边际效益递减规律等理论以及节水增收初衷相符合, 充分说明模型在实现灌区有限水资源在多作物间和各作物生育阶段优化分配的同时, 实现了灌区多作物种植结构优化, 具有较强推广价值。改进实码遗传算法克服了传统实码遗传算法计算精度低、易早熟、求解结果不能严格满足等式约束等缺陷, 能够搜索到严格满足约束条件的模型最优解, 表明该改进实码遗传算法在解决这类包含等式和不等式约束的最优化问题上具有一定应用价值。分解协调迭代算法能使模型在允许迭代误差范围内收敛, 能够获得使模型整体效果较为理想的最优解, 表明分解协调迭代算法在求解复杂大系统优化问题上具有很好的应用前景。     

基于遗传算法求解的冬小麦优化灌溉产量模型研究

为了在有限灌溉水量条件下研究作物最大产量与不同生育阶段水量分配的关系，该文以静态的作物水分生产函数Jensen模型为基础，建立基于产量最大的有限灌水量优化灌溉模型，并应用最优保存策略遗传算法对建立的多约束非线性模型进行求解。结果显示遗传算法能在不同的灌溉情况下，搜索到模型的最优解，并且能对有限的灌水量在作物不同生育期进行优化分配。     

基于土壤水分空间变异的变量灌溉作物产量及节水效果

提高整个田块作物生长指标和产量的均匀性是实施变量灌溉水分管理的目标之一。该研究基于土壤可利用水量(available water holding capacity,AWC)将试验区划分为4个水分管理区,利用相同的灌水控制指标(0.45AWC)进行分区变量灌溉水分管理;作为对照,基于最小AWC区的土壤水分进行均一灌溉水分管理。对比变量灌溉和均一灌溉条件下冬小麦、夏玉米生长指标(株高、叶面积指数、地上部分干物质质量)、叶片相对叶绿素含量、产量及其均匀性,分析AWC对作物生长和产量的影响。结果表明,与均一灌溉相比,夏玉米变量灌溉节水14.1%,冬小麦灌水量相同。与均一灌溉相比,变量灌溉对冬小麦、夏玉米生长指标、叶片相对叶绿素含量和产量的影响均未达到显著水平,而不同AWC管理区之间作物生长指标和产量的差异均达到了显著水平。为获得更高的作物产量,建议不同AWC管理区内采用不同的灌水控制指标。研究可为大型喷灌机变量灌溉水分管理决策提供依据。     

基于模拟技术及遗传算法的作物灌溉制度优化方法

通过土壤水量平衡模型对作物生育期内的土壤含水率及田间腾发过程进行动态模拟,并利用作物水分生产函数的Jensen模型估算作物产量,建立了以灌溉日期为决策变量、最大相对产量为决策目标的灌溉制度优化模型,并采用保留最佳个体的遗传算法求解作物最优灌溉制度。结合山西潇河灌区2003年冬小麦返青后的实际气象状况,用上述模型对冬小麦灌溉制度进行了优化与分析。对动态规划、单纯形搜索法及遗传算法的求解结果进行了比较,表明保留最佳个体的遗传算法能搜索到全局最优解,且结果稳定。不同情况下的灌溉制度优化结果表明抽穗初期是冬小麦的生长关键期,其次是拨节期。随着灌溉水量的增加,最优灌溉制度下的田间腾发量及冬小麦产量也相应增加,但增加幅度逐渐减小。     

基于密切值法和水氮管理模型的华北平原农田水氮优化管理

优化农田水氮管理措施可为实现粮食高产、资源高效及环境友好的目标提供科学依据。该研究以华北平原泰安地区为例,利用农田生态系统水热碳氮过程耦合模型(soil water heat carbon and nitrogen simulator,WHCNS)分别对冬小麦季设置的165个水肥组合和夏玉米季设置的55个水肥组合进行了情景模拟分析,在综合考虑农学、环境和经济效益的基础上,采用密切值法优化了农田水肥管理方案。结果表明:受到华北地区年内降雨分配不均的影响,冬小麦产量随着灌水量的增加呈先增加后稳定的趋势;而夏玉米产量与灌水量没有明显的关系。冬小麦和夏玉米产量均随着施肥量的增加而增加,后保持稳定。水分渗漏和氮素淋洗量均随着灌水量或施肥量的增加而显著增加。在研究区作物秸秆全部还田及高累积氮的条件下,冬小麦季灌水240 mm和施肥60 kg/hm~2(以N计,下同),夏玉米季不灌溉和施肥90 kg/hm~2分别为研究区当年冬小麦季和夏玉米季最佳的水肥管理方案。在所有水肥组合情景中,优化的水肥管理方案不仅能保证冬小麦-夏玉米最大周年产量的97%、具有较高的水氮利用效率和最佳的产投比,而且氮素淋洗和气体损失分别比最大值降低了77%和71%。因此,该方法可以用来优化华北平原农田的水肥管理措施。     

豫北冬小麦、夏玉米多年需灌水次数及典型 生育期需灌水分析

研究气候变化情景下豫北地区农业需灌水次数的变化情况,可为当地灌溉以及保证农业可持续发展提供参考。本文分析处理近63 a(1951—2013年)气象数据和新乡七里营站点土壤数据,结合作物生长参数,利用降水、灌溉、作物蒸散发与土壤水分之间变化关系,建立干旱灌水指数模型。此模型中干旱灌水指数(DII)分布在[-1,1]之间,小于0时即干旱需灌水。在现有冬小麦-夏玉米种植制度下,利用干旱灌水指数模型计算多年需干旱灌水指数,并进一步得到灌水次数。选择冬小麦生长季分别为湿润(1985—1986年)、正常(2004—2005年)、干旱(1983—1984年)的3个典型实际代表年度,夏玉米生长季分别为湿润(2003年)、正常(1993年)、干旱(2009年)的3个典型实际代表年,计算了不同代表年冬小麦、夏玉米作物需水情况。进一步计算得到了冬小麦、夏玉米在典型湿润、正常、干旱3个不同代表年的干旱灌水指数,并进行了有无灌水的干旱情况分析。结果表明:近63 a冬小麦-夏玉米系统每年需灌水2~7次不等,平均需灌水5.1次。冬小麦和夏玉米湿润、正常、干旱3个代表年蒸散发量(ETC)分别为489.4 mm、551.4 mm、481.7 mm和466.1 mm、477.8 mm、529.3 mm。在无灌水条件下典型代表年内,冬小麦、夏玉米都会遭遇不同程度干旱,典型湿润、正常、干旱代表年冬小麦分别灌水2次、3次、4次,夏玉米分别需灌水1次、2次、3次后,基本可以消除干旱对其正常生长影响。综上,通过干旱灌水指数来量化需灌溉次数是可行的。气候变化情景下,近10年(2003—2013年)需灌水频次变化大,年际间干旱事件频发,更好的科学灌溉管理可减少干旱对作物的影响。     

基于最优保留策略遗传算法的玉米小麦优化灌溉模型研究

在综合考虑灌溉水量、作物水分需求、作物种植结构、水分生产函数、降雨量、土壤水分平衡、缺水敏感指数、粮食市场价格、农田灌溉用水价格、最低产量需求和灌溉成本等因素的基础上,建立了适合中国国情的基于灌水收益最大的多作物多约束非线性优化灌溉模型,同时应用遗传算法的搜寻功能,对模型的实数编码解空间进行搜索。求解结果显示该模型很好地解决了玉米和小麦联合种植的优化灌溉问题,遗传算法在求解该模型中显示出了较好的搜寻能力,能在很短时间内搜寻到模型的最优解。     

夏玉米污水灌溉时水分与氮素利用效率的研究

用田间实验研究污水灌溉条件下夏玉米水分与氮素的利用效率。试验设置了高、中、低3个不同灌水水平下的9个对比处理，结果表明：灌水量、灌溉水质、施肥量对夏玉米叶面积指数、株高和产量的影响很小；不同灌溉水量条件下，污水灌溉夏玉米的耗水规律与清水灌溉的耗水规律十分接近，且累积耗水量随灌溉水量的增大而增加；水分利用效率与灌溉水质和施肥无关，仅随灌溉水量的增加而减少。清水灌溉处理玉米的吸氮量高于污水灌溉处理玉米的吸氮量；氮的利用效率与灌水量和施肥无关，仅与灌溉水质有关，且污水灌溉氮的利用效率高于清水灌溉氮的利用效率。     

华北典型区域农田耗水与节水灌溉研究

本文总结了中国科学院遗传与发育生物学研究所农业资源研究中心围绕华北典型地区冬小麦-夏玉米一年两熟开展的节水灌溉研究。在位于华北中北部的中国科学院栾城农业生态系统试验站的定点试验结果显示,从1980年到2017年,在充分灌溉条件下冬小麦产量增加55.7%、夏玉米产量增加59.7%。冬小麦生育期耗水(ET)从400 mm增加到465 mm;玉米耗水年平均稳定在375 mm左右;年耗水量从777.0 mm增加到834.4 mm;满足冬小麦、夏玉米生育期耗水条件下,年灌溉需水量平均300 mm,必须减少灌溉用水和田间耗水,才能解决区域地下水超采问题。研究发现在限水灌溉条件下,冬小麦拔节期1次灌溉可显著促进作物营养生长和根系生长,利于后期土壤水分高效利用,在维持作物稳产基础上,比充分灌溉年节水165.2 mm。研究发现进一步利用小定额灌溉技术,通过增加灌水频率、缩减次灌水量,可增加有限水对作物的有效性,实现作物根系、土壤水分和养分在空间上的耦合,进一步提升有限灌溉对作物的增产作用。只考虑维持播种时良好土壤水分条件、生育期不进行灌溉的最小灌溉模式,与充分灌溉模式相比,产量减少28%,但可节约灌溉水69%,田间耗水减少43%,水分利用效率提高13%,年耗水量维持在560 mm左右。相对于减熟制节约灌溉水措施,冬小麦-夏玉米一年两季最小灌溉模式总产量高于两年3作5.5%~12.0%,年耗水量低于两年3作10%~13%,可显著消减减熟制带来的休闲期土壤蒸发损失。因此,实施冬小麦、夏玉米生育期节水灌溉,如最小灌溉、关键期灌溉,可大幅度降低灌水量和作物生育期耗水量,同时又能维持一定的生产能力,是华北实施地下水限采措施下应优先考虑的技术选择。     

基于水资源合理利用的多目标农作物种植结构调整与评价

农业系统实质是社会-生态-经济复合系统,水资源约束条件下的作物种植结构应统筹经济、社会、生态三大目标进行优化调整。针对作物种植结构调整多目标决策过程中,在数据处理、模型构建、决策者偏好等方面存在的模糊性,该文将交互式模糊多目标优化算法应用于求解作物种植结构优化调整模型,实现与决策者之间的反复协商,直至得到决策者满意的调整方案;并应用耗散结构理论和模糊数学理论,建立基于相对有序度熵的种植结构调整合理性评价模型。经实例研究验证了本文模型与方法的可行性,为可持续发展种植业研究以及灌溉水资源的合理利用提供理论依据。     

水肥耦合对春小麦水分利用效率的影响

采用312-D最优饱和设计,在辽西半干旱区开展了连续4年的春小麦田间水肥耦合试验,研究春小麦水分利用效率.结果表明水肥单因子对水分利用效率有显著影响,影响顺序为水＞磷＞氮.其中,氮、磷施用量对水分利用效率的提高是正效应,而灌水量对水分利用效率是负效应.水肥多因子对水分利用效率有交互效应,氮与磷之间、氮与水之间的交互效应极显著,对水分利用效率表现为正效应.磷与水之间表现为负效应,但不显著.水分利用效率超过10 kg/(hm2·mm)的水肥优化管理方案为,施氮量102.6～239.3 kg/hm2,施磷量84.3～139.0kg/hm2,灌水量41.0～170.9 mm.获得最大水分利用效率的施氮量220.6 kg/hm2,施磷量76.0 kg/hm2,灌水量117.4 mm.     

宁夏干旱风沙区井灌农业高效用水优化模式的研究——以盐池县土沟村为例

干旱风沙区井灌农业是一项复杂的系统工程,不仅在节约用水上采取措施,而且在如何高效利用水上更加需要合理的用水模式来提高干旱风沙区农业的收入。以盐池县土沟村为例,根据土沟村水资源的条件,通过加强农田水利建设、推行节水灌溉制度、调整农业种植结构以及多相农业节水种植技术的实行,使土沟村在高效用水方面具有一个良好的用水优化模式,为干旱风沙区同类地区的井灌节水利用方面提供一定的理论依据。     

盘锦双台河口湿地生态环境需水量与水资源优化配置研究

盘锦双台河口湿地国家级自然保护区位于辽宁省盘锦市境内,是全国最大的湿地自然保护区。近年来盘锦双台河口湿地退化严重,为了挽救盘锦双台河口湿地生命,保护宝贵的自然资源,以可持续发展理念为基本指导思想,对盘锦双台河口湿地进行了生态环境需水量和水资源优化配置方面的深入研究。研究表明,该地区生态环境退化严重,通过对水资源进行优化配置研究,提出为改善该地区生态环境,最有效的措施是考虑湿地自净能力、污水处理量逐年提高的水资源配置模式。     

考虑河道输水损失的大型泵站系统运行优化

大型泵站前池水位变化频繁且变化幅度较大时,机组经常偏离高效区运行,造成能源浪费。泵站系统中除了主机组、辅助设备和输变电设施消耗能量外,河道的输水水量损失和水力损失也综合成泵站所抽提水体的水能损失,进而影响泵站的运行性能。根据水源水位变化,在调水目的地水位一定的情况下,考虑河道输水水力损失与水量损失,首先分别确定调水目的地需要流量与泵站抽水扬程、抽水流量之间的关系,避免了优化计算过程中水位的重复迭代,极大减小了计算量与计算时间。以长江三江营最大潮差、平均潮差、最小潮差3个典型日为例,在南水北调东线淮安站站下水位及需要流量一定的情况下,以系统日运行费用最少为优化目标,建立优化模型,并采用模拟退火-粒子群算法(SA-PSO,simulated annealing-particle swarm optimization)求解,计算结果表明,与水泵设计角度运行方案相比,泵站系统实施变角优化运行,其运行费用可分别节约0.62%~2.26%、0.33%~3.26%和0.22%~0.83%。     

华北平原农田水、氮优化管理

以华北平原为研究区域，根据第二次全国土壤普查资料，应用地理信息系统的方法 (ARC/INFO)，得出了以72个典型土壤剖面为代表的华北平原土壤类型分布的概化图。在区域农田土壤水、氮素行为的模拟计算的基础上，以水、氮补充量为决策变量，以作物产量、1 m土体氮素淋洗量、水分利用效率和氮素利用效率为目标，建立多目标混合最优化模型，采用线性加选择法优选水氮处理。通过模型计算，获得了研究区域内六类主要质地、不同降雨年型、冬小麦-夏玉米轮作条件的较优水氮处理。     

灌区干支渠渗漏估算方法及其在水资源优化配置中的应用

为解决大尺度农业水资源规划中遇到的渠道渗漏估算精度低且估算方法不符合渠道渗漏机理问题,该研究在对前人的研究成果与渠道渗漏关键要素进行分析基础上提出了渠道渗漏估算方法.根据提出的渠道渗漏估算方法,渠道渗漏系数通常是随渠道引水量变化的单调函数,传统方法中使用固定的渠系渗漏系数方法在渠道引水量变化时会对渠道渗漏量有一定程度的...     

新疆白杨河流域水资源的优化配置

[目的] 针对新疆白杨河流域存在供需用水矛盾、地下水超采、生态用水量被挤占等问题,对该流域进行水资源优化配置,为新疆白杨河流域经济健康发展及水资源分配提供合理依据。[方法] 运用水资源综合评价模型对新疆白杨河流域、达坂城区、托克逊县水资源承载力进行分析,建立以缺水量最小、经济效益最大、公平性最优为目标函数的多目标模型,采用第二代非支配排序算法（NSGA-Ⅱ）对多目标模型求解,获得理论最优配水方案。[结果] 新疆白杨河流域综合评价指数为1.0;规划年（2030年）水资源优化配置后,相对于ARIMA模型预测结果和计划配水方案用水量分别减少23.7%和9.9%,而GDP分别增加10.5%和降低1.4%,流域配水公平性由差距悬殊到绝对平均。[结论] 新疆白杨河流域水资源目前处于濒临超载和轻度不协调状态;水资源优化配置方案能够实现地区的水资源高效利用及合理配置。     

基于友好度函数的流域初始水权分配模型

针对目前流域初始水权分配模型中指标体系不一致的问题,提出了初始水权分配友好的概念,并确定了粮食安全保障原则、生态用水保障原则、尊重历史与现状原则、公平性原则、高效性原则以及环境保护原则作为初始水权分配的具体原则,建立了基于各原则的初始水权分配友好度子函数,提出了以初始水权分配系统友好度最大为目标的友好度分配模型。将此模型应用到湖北省府环河流域初始水权分配中,结果表明,该模型概念清晰,无需构造指标体系,可有效避免指标体系非一致性问题,同时能定量表达初始水权的分配过程及初始水权分配中各要素之间的友好关系,所建立的模型为流域初始水权分配的研究提供了一种新方法。     

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。