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基于水势调控的复杂灌溉系统水量分配理论与方法

李浩鑫  
【摘要】:水是经济社会发展不可或缺的资源,灌溉在农业生产中对保障粮食持续增产具有重要意义。由于我国水资源短缺,行业间用水竞争压力大,因此发展节水农业势在必行。但是,结合南方长藤结瓜灌区灌溉水从水源到田间的用水过程,目前存在的问题主要包括:单一地追求节水效益而忽略对农田生态系统的影响;南方灌区基于合理尺度单元的水库和塘堰联合供水模式水量分配计算方法及模式失效风险评估方法有待完善;灌区灌溉用水效率综合评价方法计算流程复杂,主观性大,计算结果针对性不强。因此,本文根据田间尺度一中等尺度—灌区尺度存在的主要问题以及问题之间的逻辑联系,首先在田间试验监测和灌区资料搜集整理的基础上,探讨了旱作水稻田间控势灌溉机制,确定了以土壤动物为指示物种的田间需水量阈值;再构建了基于“千公顷”灌溉单元的水库—塘堰联合供水模式水量分配模型,分析了供水模式的失效风险率及重现期;最后在灌区尺度进行效率分析,从而提出了灌区灌溉用水效率综合评价新方法。本文主要研究内容和结果如下:(1)分析了南方灌区水稻旱作模式作物产量对不同水分处理的响应规律,建立了南方旱作水稻水分生产函数模型。南方灌区水稻旱作田间试验实测数据分析结果表明,水分胁迫对水稻生理状况的影响主要表现为生育期推迟,产量相关指标下降;适用于研究区旱作水稻的水分生产函数模型是Jensen模型,分蘖期、抽穗开花期和拔节孕穗期为旱作水稻产量形成的关键时期,应保证充足的灌溉水量。对旱作水稻产量具有显著影响的指标为穗长、千粒重、株高以及相对抽穗期,用水量是通过影响这4个指标对产量造成间接影响。(2)揭示了南方灌区旱作水稻控势灌溉机制,结合AquaCrop模型模拟结果提出了基于土水势的灌溉控制指标。结果表明,灌溉水量在173.3m3/亩~194.9m3/亩的范围内不会对旱作水稻造成明显减产,对应的土水势控制下限为-32.5kPa,从而提出-30kPa 土水势作为该地区旱作水稻节水灌溉的控制指标下限。在-10kPa控制条件下水分生产率最高,达到2.85kg/m3,与常规灌溉形式相比水分生产率提高42%。(3)探讨了基于土壤动物指标的维护农田生物多样性条件下田间需水量阈值。结果表明,研究区土壤动物群落与土壤本底营养物浓度关系不明显;土壤动物个体数在水稻生育中期与排水沟水位显著相关,土壤动物生物量在水稻生育中期和后期与排水沟水位均显著相关;土壤动物群落个体数和生物量与亩均灌溉水量显著相关。初步确定田间灌水量阈值为180.6m3/亩~194.9m3/时,既能保证旱作水稻的产量,又能形成良好的田间生态系统。(4)构建了“千公顷”支渠尺度灌溉单元范围内水库和塘堰联合供水模式的水量分配计算模型,并针对供水模式提出了风险评估计算方法。结果表明,条件期望组合模式可以为人员提供决策思路,易于理解和掌握。其预测值与实测值拟合较好,88.9%的年份可以满足90%置信度的要求;最可能发生组合模式预测值和实测值纳什系数、均方根误差和R2值分别为0.998、84974.5和0.939,方法精度较高,能够为水库供水决策提供依据。优选出的Plackett Copul函数和No.16 Copula函数构建的模式风险评估计算方法,分析得出,在满足研究区灌溉保证率的条件下,工程失效的风险重现期由原先的4-20年提高到10~222年;从平水年、枯水年、特枯年三种典型年的角度分析,在塘堰实际供水能力下,以4年、10年、20年一遇作为渠塘联合调配模式失效风险的重现期进行预测,现有的渠道供水能力基本可以满足用水需求,甚至在一定程度上可以减少供水量,从而缓解用水矛盾。(5)研究了灌区灌溉用水效率综合评价新方法。结果表明,基于循环修正的组合评价方法弥补了单一评价方法结果不一致且说服力不强等问题,结合灌区与准则层各因素的综合排序,将灌区分为3类,对灌区节水改造建设提出更具针对性的建议;基于PCA-Copula的综合评价方法解决了函数变量数目较多导致参数求解困难的缺陷,与熵值法及突变理论评价法的结果进行比较,在结果排序差、相关性检验两方面均论证了将PCA-Copula评价法引入到灌溉用水效率评价的可行性。同时,PCA-Copula的评价结果在0-1之间分布均匀,最大差值达到0.622,明显高于熵值法与突变理论评价法,有利于更直观地区别各灌区灌溉用水水平的等级。


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