区域需水量多维随机模拟方法

需水模拟是水资源规划与管理的重要基础。采用Cholesky因子分解与Box-Cox数据变换及Monte-Carlo随机模拟等技术相结合的方法,建立了考虑月需水量相关性的区域需水量长系列多维随机模拟模型,并将模型应用于汉江中下游地区,结果表明,模拟需水序列的均值、方差等统计参数相对误差小,同时能表达各月需水量之间的相关关系。所建立的模型为需水模拟提供了新思路,具有一定的适用性。     

不确定性河道生态需水模型及其应用研究

以抛物线形过河断面河道为研究对象,通过分析河道过水断面流量与水力半径、流速等水文参数之间的相互作用函数关系,构建了生态需水模型,并对模型的计算结果的适用性和可靠性采用Tennant法进行验证。然后以浑河沈阳站为例进行不确定性河道生态需水量分析,并分析了计算结果的表达形式。研究表明:该构建的需水模型能够更好的结合河道实际情况进行客观、合理的河道生态需水计算,模型计算结果具有更强的适用性和可靠性。     

基于Copula函数的泾河流域水沙丰枯遭遇频率分析

流域水沙关系变化是洪旱灾害防治、重大水利工程布局的重要理论基础,同时又对人们的生产、生活产生重大影响。根据泾河流域主要控制水文站的年径流量和年输沙量数据,采用P-Ⅲ型曲线分别拟合计算得到各水文站的径流量和输沙量序列的边缘分布函数,然后采用Copula函数建立了泾河流域水沙联合分布模型,计算泾河流域各水文站水沙丰枯遭遇频率。结果表明:(1)Clayton Copula,Frank Copula,Gumbel copula函数均能较好地拟合泾河流域各水文站的水沙数据,根据拟合优度评价结果选用Frank Copula函数拟合各站的水沙联合分布;(2)在所研究的泾河流域8个控制水文站水沙丰枯遭遇均表现为水沙丰枯同步频率大于异步频率。在水沙丰枯同步频率中,同丰的遭遇频率基本与同枯的遭遇频率相同,二者均大于同平的遭遇频率。(3)在水沙丰枯异步遭遇频率中,丰枯遭遇频率最小的组合是水枯沙丰和水丰沙枯。该水沙联合分布模型对流域治理规划、防灾减灾及生态恢复等具有重要意义。     

基于生态环境功能分区的关中-天水区生态需水量测评

为了解研究区生态功能区内生态需水的分布特征,明确区域水土资源利用方向和生态整治重点,以关中—天水区为对象,将RS和GIS技术结合,完成其生态功能区划指标体系的建立与功能区划分,利用植被和土壤生态需水测评模型对该地区植被—土壤复合系统生态需水量和空间分布规律进行计算和分析,并借助CA-Markov模型对各生态功能区2020年、2025年的单位面积生态需水进行了模拟预测。结果表明:关中—天水区生态环境功能区可划分为河道保护区、防旱抗旱区、农业种植区、植被保护区、水源涵养区和古城保护区6类;林地—黏壤土的生态需水最大,约为659.60 mm,草地—砂砾质壤土的生态需水最低,约为366.34 mm,极差为293.26 mm;功能区内林地、耕地、草地分布范围越广,生态需水量越大,其中单位面积生态需水量最小的为古城保护区,生态需水总量最小的为河道保护区;预测结果显示,2015年、2025年单位面积生态需水量最大的为植被保护区,2020年则为水源涵养区,而各年份生态需水总量最大的均为植被保护区。研究表明生态需水与土地利用方式和生态功能分区关系密切。     

辽宁省玉米地水分盈亏时空分布特征及灌溉模式分区研究

根据不同区域农作物需水规律和水资源供需状况,对区域内干旱区域类型、水分盈亏特性与干旱发生频率等进行综合分析和科学区划,对于提高整个地区(流域)农作物水分利用效率和水资源高效利用具有重要意义。该文基于辽宁省27个气象站1955—2014年逐日气象数据和玉米生长发育资料,对辽宁省不同玉米种植区域玉米生育期的需水过程、需水量、灌溉需水量、水分盈亏指数(crop water surplus deficit index,CWSDI)、干旱发生频率等的时空分布特征进行深入研究,得到以下结论:辽宁省不同区域玉米逐月需水量均呈现单峰变化趋势,7月需水量最大,全省生育期总需水量在335~391 mm之间;不同水文年玉米需水亏缺量在0~220 mm之间;CWSDI和干旱发生频率在全省的空间分布规律类似,综合两指标的数值分布特征,将辽宁省玉米灌区划分为干旱区和易旱区2种类型,并结合不同水文年型玉米灌溉制度,将辽宁省玉米种植区划分为7种灌溉模式。该研究成果可以为辽宁省区域农业用水区划与管理提供理论依据。     

作物需水时空尺度特征研究进展

受气象、土壤和种植条件等客观条件的影响,作物需水时空尺度分布具有明显的时空异质性,致使作物需水的理论和模型具有高度的尺度依赖性。基于此,该文对作物需水时空尺度特征的计算方法及其运用情况作了详细的阐述,并建议在今后作物需水时空尺度特征的进一步研究中,应以试验数据为基础,运用分形、小波、信息熵等复杂性理论,研究作物需水的时空尺度特征,发展既有理论基础又便于应用的区域尺度的作物需水量估算新模式。     

水稻需水量预测的小波BP网络模型

结合BP网络和小波分析的优势，建立一种水稻需水量预测的小波BP网络模型，旨在准确预测水稻需水量，为制定合理的灌溉制度与提高水分利用效率提供重要依据。该文以小波函数代替传统BP网络中的S型激活函数，对三江平原富锦灌区16年的水稻需水量实测序列进行分析，网络结构为6-10-1，训练355次时，精度达到0.01。结果均优于BP算法、RAGASABP模型，表明该模型收敛速度快，预测精度高，为该领域研究提供了新的思路。     

基于Copula分析生态恢复对黄土高原水沙频率耦合关系的影响

为探讨黄土高原水土流失持续治理（P1,1960—1979年;P2,1980—1999年）及退耕还林（草）（P3,2000—2019年）不同阶段水、沙频率耦合特征及演变,基于典型黄土丘陵沟壑区北洛河上游刘家河站1960—2019年的径流量与输沙量实测日数据,采用Copula函数等方法进行水、沙频率统计和模拟。结果表明：（1） Gumbel-Houggar Copula函数能很好地模拟上游水、沙联合概率分布。（2）从P1~P3阶段,5~100年各重现期径流、输沙数量均显著降低,各设计频率的水沙数量在发生概率上的异步性增强。（3）水土流失治理和生态环境建设对黄土高原生态水文过程的影响主要表现在大幅降低20年以上重现期水、沙极端事件发生的概率。黄土高原大幅度的生态恢复在区域尺度上已经表现出减水更减沙、调节水、沙极端事件发生概率等良好的生态功能。     

基于GIS的山西永定河植被生态需水管理系统的研建

在流域植被生态需水信息管理中,数据关系复杂,信息量庞大,因而确定用什么样的方法实现合理有效的信息化管理显得尤为重要。运用可视化编程工具Visual Basic 6.0和MapObjects组件,开发出山西永定河流域植被生态需水信息管理系统。本研究是在开发前期研究的基础上进行了系统设计、系统的数据库设计以及系统的体系结构设计,实现了对山西永定河流域植被生态需水调查数据的图文一体化管理。并在综合前人研究成果的基础上,在该信息系统中实现了植被生态需水量的计算模型的嵌入。此外还设计实现了信息管理、地图操作、属性查询、空间分析等功能。最后对山西永定河流域植被生态需水量数据进行统计,结果显示该流域每年植被最小生态需水量为256 817.10万m3,最适生态需水量为427 159.6万m3。     

长三角地区景观生态风险与人类活动强度的响应及其时空关联

人类活动是诱发区域生态风险的重要因素,但生态风险与人类活动在不同尺度下的表征效果不一,响应程度不同,从多尺度科学地研究区域景观生态风险与人类活动强度的关联特征对于协调区域人地关系地域系统矛盾,推动地区可持续发展具有重要意义。该研究以长三角地区为研究对象,基于1990—2020年4期土地利用、夜间灯光、人口空间分布数据,建立市域、县域、格网三级尺度,构建景观生态风险及人类活动强度评估模型,刻画不同尺度下二者的时空响应特征,并基于Copula函数、双变量空间自相关及耦合协调度模型,揭示景观生态风险与人类活动强度的时空关联性。结果表明：1)1990—2020年间不同尺度下长三角地区景观生态风险均呈现北高南低的空间分布格局,且高风险地区持续减少,低风险区均呈增加趋势,其中市域尺度下高风险地区的减势最明显,而县域尺度下,低及中低风险区总体增势最为显著;2)1990—2020年间不同尺度下长三角地区人类活动强度均呈现东北高西南低的空间分布格局且高强度区域均呈现显著上升趋势,而低强度区域均明显下降,其中格网尺度下高强度区域增幅最大,达13.42个百分点,市域尺度下低强度区域的减幅最为明显,达9.76...     

农户节水灌溉技术认知及其影响因素分析

研究农户节水灌溉技术认知及其影响因素,旨在为科学分析农户灌溉技术选择的行为和转变农户粗放型灌溉方式提供基础。以陕西省温室作物生产地区的10个县(区)17个乡镇的296份入户调查资料为样本,采用结构方程模型研究农户对节水灌溉技术的认知及其影响因素。结果表明:认知程度直接影响节水灌溉技术的扩散;对节水灌溉技术的已有认知、对现有灌溉方法的满意度、政策补贴的方式和力度、灌水成本、受教育程度、是否为干部、技术培训经历和种植经验等因素均不同程度地影响农户对节水灌溉技术的认知水平;促进农户对传统灌溉方式的理性认知、拓展农户对节水灌溉技术认知的广度和深度、加强政府的宏观调控与扶持力度、建立完善的节水农业技术推广体系,有助于提升农户对节水灌溉技术的认知水平、规范农户灌溉行为选择,提高农户采用节水灌溉技术的积极性。     

作物需水量模拟计算结果有效性检验

作物需水量是确定节水高效灌溉制度、制定灌溉排水规划和水资源合理配置必不可少的重要参数。当前模拟计算作物需水量的主要方法有FAO-56双作物系数法、双涌源能量守恒模型、根系层水量平衡模型和SWAP模型,而各种方法均有利弊和使用条件。不论采用哪种方法模拟计算作物需水量,其结果必须进行有效性检验,否则不能用于上述工程项目。该文用FAO-56双作物系数法基于灌溉试验数据模拟计算了人工牧草——老芒麦、冰草的需水量,并对模拟计算的需水量采用拟合相关图法、回归分析法和残差估计误差指示法进行了有效性检验。拟合相关图法属定性检验,给出了统计相关趋势;回归分析法和残差估计误差指示法为定量检验,给出了模拟计算值与实测值间的拟合优度和残差估计误差的范围。这种定性定量相结合的方法有效地检验了需水量模拟值与其实测值间的一致性,其结果可用于工程项目中。     

中国北方地区植被覆盖度的遥感解译及水土保持作用系数推算研究

采用遥感信息解译了中国北方地区植被覆盖度 ;通过植被覆盖度推算出水土保持作用系数 ;保土作用系数与降水蒸发差呈负相关 ,与植物初级生产力呈正相关 ,其相关性很高 ,可信度均超过 0 .0 1水平。在北方地区保土作用系数有可能成为评价区域生态功能的综合指标。     

基于主成分分析和Copula函数的灌溉用水效率评价方法

灌区灌溉用水效率评价,对推行最严格的水资源管理制度具有重要意义。该文在构建评价指标体系的基础上,尝试将Copula函数应用于灌溉用水效率评价。针对多元变量导致Copula函数参数求解困难的问题,采用主成分分析法(principal component analysis,PCA)提取主成分因子,形成新的指标体系,从而建立PCA-Copula评价方法,对灌溉用水效率进行综合评价。对7个灌区灌溉用水效率为例进行评价,从灌区地形地貌、规模大小、供水类型、降雨多少、作物结构以及灌溉成本几方面分析评价值的影响因素。根据各灌区灌溉水有效利用系数的高低,经过Spearman等级相关系数检验,表明PCA-Copula评价方法的评价结果与熵值法以及突变理论评价方法的结果排序相差不超过2个名次的比例为100%,评价结果具有一致性,能够客观反映灌区灌溉用水效率的高低。同时,PCA-Copula评价方法的评价值在0~1之间分布均匀,最大差值为0.622,明显高于另外2种方法,且相邻排序的综合评价值梯度明显,有利于更直观地区别灌区灌溉用水效率的高低。     

干旱区引水灌区灌溉退水计算方法

准确计算干旱地区灌区退(回归)水,对水资源高效利用具有重要意义。针对中国西北干旱地区大量引水灌区的特点,该研究结合退水单位线和"水桶模型"(根系层的水均衡模型)建立了灌溉退水计算模型,并将该模型应用于甘肃省景电灌区(黄河流域部分)的退水计算,结果表明:灌区退水量计算值与监测值拟合良好,模型率定期和验证期决定系数分别为0.82和0.71,模型可靠。2000年至2019年深层渗漏量和退水量的分析结果表明:年深层渗漏量与净灌溉和有效降雨的总量呈显著正相关,相关系数r=0.718(P0.01);月深层渗漏量受灌区作物生长期的影响显著,69.6%的深层渗漏在冬灌(10-11月)期间产生;年深层渗漏系数与年深层渗漏量呈显著正相关(r=0.944,P0.01);月深层渗漏系数在作物主要生长期(4-9月)小于0.4,非生长期(11月至次年2月)大于0.8;年退水量与年深层渗漏量呈显著正相关(r=0.716,P0.01);月退水量与月深层渗漏量相关性较差,原因是灌溉退水存在明显的滞后性;研究区退水单位线表明灌溉退水滞后峰值在2个月左右,但深层渗漏对退水的影响可达24个月左右。退水单位线的参数具有明确的物理意义且易于确定,针对灌溉退水具有明显滞后性的干旱地区,该方法能够有效计算灌区灌溉退水量,可为灌区水资源管理和决策提供科学支撑。     

基于多源遥感数据的综合干旱监测模型构建

在全球气候变化越来越复杂的大背景下,准确监测华北粮食主产区的旱情对区域农业生产有重要的指导意义。以往的遥感干旱监测方法多侧重于监测土壤或植被等单一干旱响应因子,反映综合信息的能力较差,为此该研究使用中分辨率成像光谱仪(moderate-resolution imaging spectroradiometer,MODIS)、热带降水测量计划(tropical rainfall measuring mission,TRMM)卫星等多源遥感数据,在综合考虑干旱发生发展过程中的土壤水分胁迫、植被生长状态和气象降水盈亏等因素的基础上,利用空间数据挖掘技术,构建综合干旱监测模型,并以山东省为例进行了试验验证。结果表明,模型监测出山东省近年来所经历的重大干旱过程与实际旱情一致,模型输出的旱情指标-综合干旱指数(synthesized drought index,SDI)与小麦的标准化作物单产变量的相关系数均大于0.7(P0.05);在小麦和玉米的生长期,综合干旱指数与作物受灾面积的相关系数在-0.67～-0.85之间,与标准化降水指数(standardized precipitation index,SPI)的相关系数在0.44～0.67之间,且通过了P0.01的极显著检验(3月份除外)。研究结果为综合评估区域干旱提供了一种新的方法。     

辽河三角洲湿地生态环境需水量变化研究

基于遥感和生态学的方法．对1988～2001年辽河三角洲湿地类型及面积变化所引起的最小、最适和最大生态环境需水量变化和各类湿地的单位面积生态环境需水量进行了分析。结果表明，1988～2001年辽河三角洲湿地变化引起的生态环境需水总量的变化不到3％，但面积变化对各类湿地生态环境需水量的影响却相当明显；各类湿地单位面积生态环境需水量的总排序为河流-沟渠〉湖泊-坑塘-水库=养殖用地〉水田〉苇田〉潮上带高滩。研究成果可为辽河三角洲水资源规划中湿地生态保护、区域农业结构调整所引起的生态环境需水量计算提供科学依据，也可为其他地区湿地生态环境需水量计算提供借鉴。     

基于空间数据库和GIS的SPAC系统水分运动模型

农田SPAC系统水分空间变异通常较大,一维模型无法反应区域农田水分的运动和空间分布.该研究以空间数据库和组件式GIS为基础,结合适于北方平原农田水文过程的机理公式,开发出可以在ArcMAP(ESRITM)中加载的区域SPAC系统水分运动模拟工具,该工具结合GIS空间分析功能、空间数据库管理和水文过程数值模拟于一体,可以模拟计算SPAC系统水分的时空分布和运动,并提供二维或三维的输出结果.模型由多个数据处理和过程计算子模块组成,可模拟SPAC系统内土壤水分动态和蒸散量.验证表明,区域土壤水分模拟绝对误差在0.05(即体积含水量相差5%)以下的栅格点数达到总计算区域栅格数的95.61%;蒸散量验证显示,玉米生长季平均绝对误差为0.15 mm,平均相对误差为3.1%;小麦生长季平均绝对误差为0.13 mm,平均相对误差为5%.     

未来气候及土地利用变化对水源涵养量的影响

“四水四定”背景下，科学量化变化环境下城镇或小流域未来水源涵养量是水资源管理、水利规划和水生态保护等工作的重要基础。水源涵养量尺度转化是目前生态水文学研究的难点之一，较高精细尺度研究是尺度转化的重要切入点。以秦岭北麓灞河流域为研究区，应用SWAT模型、CA-Markov模型、ArcGIS、RClimDex等分析工具，评估NEX-GDDP-CMIP6高分辨率数据集对灞河流域月流量模拟能力，选取最优气候模式，模拟未来土地利用变化，分析灞河流域未来30年水源涵养量演变趋势，旨在为秦岭生态保护、水资源管理、土地利用保护等提供基础数据。结果表明：(1)NEX-GDDP-CMIP6高分辨率数据集ACCESS-CM2、ACCESS-ESM1-5、CanESM5等9个气候模式对月平均流量均值模拟效果较好，对极端流量模拟效果较差，NESM3气候模式相比其他8个气候模式有较好的流量模拟效果。(2)NESM3气候模式低估极端降水情况，高估持续干燥天数，月尺度降水数据模拟能力高于年尺度和日尺度。(3)通过Kappa系数检验CA-Markov模型在灞河流域土地利用变化方面具有较好的适用性。(4)在土地利用和气候...