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《中国农业大学》 2017年
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基于景观单元的黑河中游绿洲水文过程模拟研究

李江  
【摘要】:黑河中游位于我国西北干旱区,水资源短缺,用水矛盾突出。其绿洲是我国粮食主产区,农业以灌溉为主,水文过程受人为活动影响剧烈。由于干旱区水文过程具有"散耗型"的特点,传统的以描述产汇流过程为主的湿润区流域水文模型不宜直接应用于该地区。为量化干旱区的水文转化参量、预测人类活动对水文过程的影响、促进当地水资源的科学管理,需建立适用于该区域的水文过程模型。本文选取黑河中游绿洲为研究区,在监测资料和田间试验分析基础上,建立了具有不同景观单元的绿洲水文过程模型,开展了黑河中游绿洲水文过程模拟及情景预测研究。主要研究内容和成果如下:(1)分析了黑河中游地下水位分布的空间变异性。结果表明,普通克里金方法、普通克里金的Yamamoto修正法与泛克里金方法都适用于黑河中游地下水位的空间插值。Yamamoto修正法更适用于预测地下水位极高值与极低值点,但整体预测精度略低于其它两种方法。在进行区域尺度地下水位空间分布预测时,可以根据实际情况来选取相关的地下水位插值方法。本文建立的绿洲水文过程模型,在地下水动态模拟时,初始水位的分布由于空间变化相对较小,空间插值采用了整体精度最高的普通克里金方法。(2)开展了农田灌溉侧向渗漏试验,利用二维土壤水动力学模型HYDRUS-2D对农田不同灌水定额、田块宽度以及土壤层状结构下的农田灌溉侧向渗漏过程进行模拟分析。结果表明,农田灌溉侧渗比(侧渗损失与灌溉量之比)会随灌水定额的增大而增大、随田块面积的增大而减小、田块土壤的层状结构亦会影响侧渗比,细质土覆盖粗质土时,有利于减小侧渗比。对于黑河中游绿洲农田,从田块尺度和土壤结构来看,在绿洲水文过程模拟中可以忽略灌溉引起的侧向损失,仅考虑农田水分的垂向运移。(3)建立了农田非饱和带水量平衡模型,将其模拟结果与一维土壤水动力学模型HYDRUS-1D模拟结果进行对比验证,分析了不同潜水埋深及灌水定额条件下,研究区主要作物种植下农田非饱和带水分转化关系。结果表明,两个模型得到的作物生长过程中土壤储水量、蒸散发量、根区深层渗漏量及农田渗漏补给地下水量具有良好的一致性,说明农田非饱和带水量平衡模型可以用于描述研究区典型农田土壤水分动态变化过程。(4)建立了包气带农田、林草地、裸地及水域等不同景观单元的概念性水文模型,并将其与地下水动力学模型FEFLOW进行松散耦合,形成基于景观单元的黑河中游绿洲水文过程模型。利用区域水均衡数据、2000~2010年区域遥感蒸散发数据以及地下水位观测数据对耦合模型进行模型率定。结果表明:该模型能有效地量化非饱和带不同景观单元的水转化参量,并可靠地模拟地下水动态变化特性以及绿洲区域水分消耗与补给规律。(5)将基于景观单元的黑河中游绿洲水文模型应用于维持现状及不同节水情景下的绿洲水文过程模拟预测。结果表明,随着灌溉定额的减小,非饱和带储水量增加值以及研究区蒸散发总量均呈下降趋势;提高渠系衬砌率使渠系水利用系数至90%、却维持现状地下水开采量,会减少渠系水渗漏补给地下水的水量,反而加重地下水亏空;但提高渠系衬砌率的同时减小地下水开采量将利于维护区域地下水均衡。
【关键词】:黑河中游 土壤水 地下水 水文模型 蒸散发
【学位授予单位】:中国农业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:S274;P343
【目录】:
  • 摘要5-6
  • Abstract6-10
  • 第一章 绪论10-22
  • 1.1 选题背景和意义10-11
  • 1.2 国内外研究现状11-19
  • 1.3 研究目标、内容和技术路线19-22
  • 第二章 研究区概况22-46
  • 2.1 引言22-25
  • 2.2 黑河中游绿洲农田灌溉概况25-29
  • 2.3 研究区土地利用情况简介29-32
  • 2.4 黑河中游水文地质条件简介32-33
  • 2.5 黑河中游地下水位动态变化33-37
  • 2.6 黑河中游地下水位空间变异性研究37-46
  • 第三章 农田灌溉侧向渗漏损失试验及模拟研究46-62
  • 3.1 引言46
  • 3.2 材料与方法46-51
  • 3.3 试验结果与分析51-55
  • 3.4 不同条件下农田侧渗讨论55-61
  • 3.5 本章小结61-62
  • 第四章 非饱和带水量平衡模型与动力学模型在农田水循环模拟中的应用62-82
  • 4.1 引言62
  • 4.2 材料与方法62-66
  • 4.3 非饱和带水量平衡模型与动力学模型模拟结果对比66-75
  • 4.4 农田非饱和带土壤水分转化与消耗规律75-81
  • 4.5 本章小结81-82
  • 第五章 基于景观单元的黑河中游绿洲水文模型建立与率定82-98
  • 5.1 引言82-83
  • 5.2 模型建立83-89
  • 5.3 基于景观单元的绿洲水文模型验证89-96
  • 5.4 本章小结96-98
  • 第六章 基于景观单元的绿洲水文模型在黑河中游绿洲水文过程模拟中的应用98-118
  • 6.1 引言98
  • 6.2 历史年份下(2000~2010年)黑河中游绿洲水文过程模拟98-110
  • 6.3 节水措施条件下黑河中游绿洲水文过程预测110-116
  • 6.4 本章小结116-118
  • 第七章 结论与建议118-122
  • 7.1 主要结论118-120
  • 7.2 本文主要创新点120
  • 7.3 论文不足之处与进一步的建议120-122
  • 参考文献122-132
  • 致谢132-134
  • 作者简介134-135

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