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基于GIS的河套灌区土壤水分运移分布式模拟与灌水效率评价

刘鑫  
【摘要】:河套灌区是我国3个特大型灌区之一。随着全国工农业生产的迅速发展,水资源短缺的局势日益严峻,灌区可供灌溉的水量逐年减少。在这样的形势下,实施灌区节水改造,合理调控区域灌溉用水,采取措施提高区域灌溉水利用率对灌区农业发展具有重要意义。针对以上问题,本文引入将国际上先进的SWAP模型的土壤水分运移与新兴的GIS技术结合的思想,构成融合有二者优点的新的分布式模拟模式。针对灌区的自然地理环境和农业生产条件,模拟现状灌溉条件下区域尺度土壤水分时空演变,研究灌溉水流向,评价区域灌水效率,为未来缺水条件下制定灌区节水灌溉策略和农业水调控管理方案提供依据。本文的主要研究成果有: (1)分别采用ArcGIS 9.2软件中的Thissesn多边形空间插值法、反距离权加权插值法和表面分析法等空间分析方法,对研究区域内的土壤类型、地下水埋深、地形和作物种植结构等区域土壤水分时空演变可能的影响因子空间分布进行研究。结果表明:研究区域共有9种土壤类型,空间分布具有强烈的变异性,呈“插花状”分布;地下水年内随着灌水、蒸发和冻融等因素的影响而呈现出季节变化规律,作物生育期内地下水埋深相对较小,在区域尺度上上游地区埋深较大,变化幅度也大,中下游地区埋深小,变化幅度也小;作物种植结构在不同的灌溉渠道控制范围内不同,因此根据小麦、玉米、葵花和非农用地的面积绘制出研究区域作物种植结构主题图;将以上主要影响因子空间叠加生成315个区域土壤水分运移分布式模拟单元。 (2)采用SWAP模型对分布式模拟单元的土壤水分运移进行模拟,研究模拟单元内的土壤水分运移规律、灌溉水流向和灌水效率。结果表明:在现状灌溉条件下,作物生育期内进入小麦作物根系层的水分包括降雨和灌水,流出的水分主要包括作物腾发量和深层渗漏量,灌溉水一部分被作物利用,一部分产生深层渗漏,还有一少部分储存在作物根系层中,灌水效率只有72℅,尤其是第三次灌水效率很低,只有39℅,主要是由于第三次灌水后到小麦收割前内该地区的降雨量较大;而作物生育期内进入玉米和葵花作物根系层的水分包括降雨、灌溉和地下水补给,流出的水分基本上只有作物腾发量,灌溉水几乎全部被作物生长利用,灌水效率比较高,分别为98℅和98.9℅。 (3)采用ArcGIS 9.2软件中的空间叠加工具整合区域土壤水分运移分布式模拟单元的模拟结果,分别得到各研究区域农田水分平衡分量的空间变异规律和影响因素,区域灌水效率及影响因素,讨论未来缺水条件下的节水策略。结果表明:区域土壤蒸发量和作物蒸腾量主要与作物类型及种植结构有关,非农用地面积比例较大的地区土壤蒸发量较大,在玉米种植面积比例较大的地区作物腾发量较大,同时与不同土壤类型的输水特性和地下水埋深有关,剖面上无粘土和地下水埋深较小的情况下土壤蒸发量和作物蒸腾量较大;作物生育期内根层底部水流通量表现为地下水补给大于深层渗漏,其空间变异主要与土壤类型和地下水埋深有关,地下水补给量随着土壤输水性能的降低而降低,随着地下水埋深的增大而降低;作物生育期内区域根层储水量均减小,其空间变异特征与地下水补给根层水分的变异特征相反;现状灌溉条件下作物生育期内各种作物均不受旱;区域灌水效率约为0.91,其空间变异特征与土壤类型和灌溉制度密切相关,当粘土出现在作物根系层0~60cm时其灌水效率较低,在60cm以下土层出现时灌水效率略高,而无粘土出现时灌水效率比较高,且灌水效率随着区域上地下水埋深的减小而增大,下游地区高于上游地区,同时小麦的第3次灌水效率比较低,可以考虑根据土壤类型空间分布图有选择的耕种,在下游地区提高土地利用率,适当的小麦第3水的灌水量等措施,以达到在未来缺水条件下节水灌溉。


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