基于农田水土环境限制因子的河套灌区引黄水量阈值模拟研究

摘要

内蒙古河套灌区面临引黄水量大幅减少的严峻形势，长期形成并在一定程度上趋于稳定的区域农田水土环境必将发生改变，寻求适合地区特点的区域农田水土环境预测方法，较客观的提出农田水土环境限制因子下灌区引黄水量的阈值，将对灌区生态农业可持续发展、水资源的可持续利用具有重要的科学及现实意义。
　　研究以内蒙古河套灌区为背景，以永济灌域隆盛试验示范区为典型研究区，以耗水量大且对盐分呈中度敏感的玉米为代表作物，结合盆栽试验与相关研究结论，综合确定了农田水土环境限制因子（土壤水分、盐分、地下水埋深及矿化度）的阈值（满足玉米正常生长）;通过较为系统的田间观测试验，对农田水土环境各限制因子进行经典统计分析及时空动态分析;在田间观测试验的基础上，建立了分布式非饱和-饱和带水盐运移耦合模型，基于农田水土环境阈值分别对典型研究区生育期、秋浇期的灌水量阈值进行了模拟预测;利用典型研究区灌水量与5大灌域灌水量建立了回归关系，以典型研究区引水量阈值结合回归方程反求各灌域灌水量阈值，初步得到河套灌区引黄水量阈值。本文取得的主要研究成果如下:
　　通过不同土壤质地凋萎系数试验与不同盐分土壤作物出苗率试验，结合适宜土壤含水率、作物耐盐阈值与地下水适宜埋深值等相关研究结果，综合确定出玉米种植期、苗期-拔节期、拔节-抽雄期、抽雄-灌浆期、秋浇后封冻前的各限制因子阈值，其中土壤含水率阈值为:10％～15％、15％～20％、18％～25％、18％～25％、20％～24％:土壤含盐量阈值:0.5 mS/cm、0.8 mS/cm、1.5 mS/cm、1.7 mS/cm、0.45 mS/cm;地下水埋深阈值为:1.8～2.2 m、1.6～2.0 m、1.6～1.8 m、1.6～2.0 m、1.8～2.0 m;地下水矿化度阈值为:3g/l、1.7 g/l、1.8 g/1、2g/l、3g/l。
　　利用经典统计分析方法对各限值因子的试验观测值进行统计分析得知，土壤含水率、土壤含盐量、地下水埋深、地下水矿化度各时间段的观测值均呈中度变异性，其中土壤表层盐分与地下水矿化度的变异系数明显高于土壤水分与地下水埋深的变异系数，呈中度偏强变异性。土壤含水率、地下水埋深的观测数据以及经对数变换后的土壤含盐量、地下水矿化度观测数据接近正态分布。
　　采用地统计学中的克里格插值方法，通过Surfer软件实现对典型研究区土壤耕层0～40 cm的土壤含水率、含盐量及地下水埋深、矿化度的空间插值分析。在空间上，受边界条件和地势条件的影响，典型研究区土壤含水率、土壤含盐量、地下水埋深及矿化度由西北至东南均呈现为由高（浅）至低（深）变化，空间分布规律表现出一致性。利用灰色关联分析法对不同埋深条件下水盐关联度分析得知，当地下水埋深条件为2m时，土壤含水率、土壤含盐量、地下水埋深和地下水矿化度的灰色关联度达到相对平衡状态，说明典型研究区年均潜水蒸发极限深度应为2～2.5 m之间。
　　在先进的3S技术支撑下，利用地质统计学原理将典型研究区划分为土壤表层(0～20cm)盐分、质地相对均一的3个小区，在此基础上建立了分布式非饱和带土壤水盐运移SWAP模型，并对模型参数进行了率定和验证;以Visual MODFLOW为平台建立了典型研究区的地下水流及溶质运移模型;以非饱和带在地下水位处的水流通量和溶质通量以及地下水埋深作为耦合边界，构建了区域分布式非饱和带-饱和带耦合水盐运移模型及其算法，并对耦合模型进行了循环检验。
　　运用检验后的耦合模型预测满足农田水土环境限制因子阈值下典型研究区的灌水量阈值，典型研究区不同水文年生育期的灌水量阈值分别为:枯水年296～308mm、平水年197～220mm、丰水年118～130 mm;秋浇期的灌水量阈值平均为:178～194mm。
　　以典型研究区灌水量与各灌域的灌水量建立了回归关系，在典型研究区灌水量阈值的基础上，反求各灌域灌水量阈值，通过直接计算法得到河套灌区引黄水量平均年阈值为38.1389～41.8257亿m3。
　　研究利用土壤与地下水盐数值模型从精细微观定量的角度来预测河套灌域引黄水量阈值，研究结果将为内蒙古河套灌区的水资源可持续利用以及地区生态环境、农业可持续发展战略的制定提供科学依据。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 区域农田水土环境限制因子研究

1．2．2 区域农田水土环境模拟研究

1．2．3 区域引水量阈值的研究

1．3 研究内容及目标

1．3．1 研究内容

1．3．2 研究目标

1．3．3 研究技术路线

2 研究区概况与试验方案

2．1 研究区概况

2．1．1 研究区地理位置

2．1．2 气象、土壤条件

2．1．3 水文地质条件

2．2 试验方案

2．2．1 田间监测试验

2．2．2 盆栽试验方案

3 试验数据统计分析及动态评估

3．1 限制因子阈值的确定

3．1．1 盆栽试验

3．1．2 历史经验值

3．1．3 综合确定

3．2 各限制因子的试验观测数据统计分析

3．2．1 土壤含水率的数据经典统计分析

3．2．2 土壤含盐量的数据经典统计分析

3．2．3 地下水埋深的数据经典统计分析

3．2．4 地下水矿化度的数据经典统计分析

3．3 各限制因子的时空动态分析

3．3．1 土壤含水率的时空动态分析

3．3．2 土壤含盐量的时空动态分析

3．3．3 地下水埋深的时空动态分析

3．3．4 地下水矿化度的时空动态分析

3．4 各限制因子的灰色关联度分析

3．5 小结

4 区域分布式非饱和-饱和带耦合水盐运移算法构建及检验

4．1 分布式垂直非饱和水盐运移模型系统的构建

4．1．1 研究区的空间变异分区

4．1．2 不同区域土壤水流及溶质模型的识别

4．1．3 分布式非饱和带水盐运移模型系统的构建

4．2 地下水、溶质运移模型及其可靠性检验

4．2．1 地下水流及溶质运移模型的建立

4．2．2 地下水流及溶质运移模型的率定

4．2．3 地下水流及溶质运移模型的检验

4．3 耦合模型的构建

4．3．1 耦合模型建立流程

4．3．2 耦合模型算法

4．3．3 耦合模型的检验

4．4 小结

5 农田水土环境限制因子下作物生育期安全用水决策

5．1 预测方法及预测水平的确定

5．2 限制因子下1区的生育期安全用水决策

5．2．1 土壤含水率阈值决策

5．2．2 土壤含盐量阈值决策

5．2．3 地下水埋深阈值决策

5．2．4 综合用水决策

5．3 限制因子下2区的生育期安全用水决策

5．3．1 土壤含水率阈值决策

5．3．2 土壤含盐量阈值决策

5．3．3 地下水埋深阈值决策

5．3．4 综合用水决策

5．4 限制因子下3区的生育期安全用水决策

5．4．1 土壤含水率阈值决策

5．4．2 地下水埋深阈值决策

5．4．3 综合用水决策

5．5 综合限制因子下的不同水文年生育期安全用水决策

5．6 小结

6 农田水土环境限制因子下秋浇期安全用水决策

6．1 预测方法及预测水平的确定

6．2 土壤含水率为限制因子下的秋浇期安全用水决策

6．3 土壤含盐量为限制因子下的秋浇期安全用水决策

6．4 地下水埋深为限制因子下的秋浇期安全用水决策

6．5 综合限制因子下的秋浇期安全用水决策

6．6 小结

7 内蒙古河套灌区农田水土环境限制因子下引黄水量阈值初探

7．1 河套灌区概况

7．2 内蒙古河套灌区农田水土环境限制因子下引黄水量阈值推求

7．2．1 试验示范区与各灌域引水量关系分析

7．2．2 河套灌区引水量阈值推求

7．3 小结

8 结论与展望

8．1 结论

8．2 展望

致谢

参考文献

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