半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测与综合评价研究——以陕西省泾惠渠灌区为例

摘要

灌区是人类水事活动相对较为密集的区域，特别是渠井并举的半干旱地区大型灌区，地表水和地下水的循环与转化深深受到人类水事活动的影响，加之人类其它经济活动的影响，大型灌区近年来日益出现了一系列的水文生态问题。如泾惠渠灌区，在上世纪80年代初期及以前，灌区水文生态还处于良好状态。90年代以来，随着社会经济的迅速发展，用水量剧增，加之区域降水量、泾河来水量锐减以及灌区水价制度和管理体制的不尽完善，地下水被大量开采。由于地下水的严重超采，地下水位大面积大幅度下降，降落漏斗面积不断扩大，进而诱发了地面沉降、地裂缝、水质恶化、粮食减产、土壤污染、土壤肥力减退等一系列水文生态问题。
　　这不仅严重制约着半干旱地区大型灌区社会经济的可持续发展，而且对水资源安全、粮食安全和生态安全构成了严重威胁。
　　然而，目前灌区水文生态监测手段还依然停留在人工手工监测的落后局面，而且也仅限于地下水位、渠道水量、降水等少数因子，甚至不监测。如泾惠渠灌区1952年就开始了地下水人工观测，但目前观测井基本报废，观测已停多年了。因此，面对半干旱地区大型灌区日益严重的水文生态问题，基于计算机、GIS和RS等先进技术，进行半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测与综合评价研究，为水文生态耦合提供数据获取和综合分析的理论框架与技术支撑，具有重要的理论意义和现实意义。
　　本文在全面系统地总结了水文生态系统研究已有成果的基础上，从半干旱地区大型灌区水文生态系统的结构、特征和存在的主要问题出发，深入研究了半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测方法体系、监测指标体系和空间数据库，初步构建了集“自动化动态监测网络-卫星遥感监测-社会经济调查-野外实验”于一体的全方位动态监测方法体系，确定了科学合理的监测指标体系，建立了基于GeoDatabase模型的空间数据库，并针对泾惠渠灌区，具体设计实现了“泾惠渠灌区主要水文生态因子自动化动态监测系统”。最后在水文生态系统动态监测空间数据库基础上，开展了水文生态系统质量综合评价研究，并以泾惠渠灌区为例进行实例分析。总体来说，论文主要取得了以下研究成果：
　　(1)系统论述了半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测的概念、内容、目的和监测方法体系，给出了半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测的总体框架结构，构建了集“自动化动态监测网络-卫星遥感监测-社会经济调查-野外试验”于一体的全方位监测方法体系，并对“自动化动态监测网络”和“卫星遥感监测”进行了详细设计。
　　(2)详细分析了半干旱地区大型灌区水文生态系统所涉及的要素数据，在此基础上，构建了由2层61项指标组成的半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测指标体系。
　　(3)对半干旱地区大型灌区水文生态系统所涉及的要素数据进行了详细的分类，在此基础上，基于GeoDatabase数据模型，建立了适合半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测的空间数据库模型，并设计实现了水文生态系统空间数据库。
　　(4)具体设计实现了“泾惠渠灌区主要水文生态因子自动化动态监测系统”，系统能够远程实时监测地下水、土壤水和渠系水的动态变化，系统技术先进、架构合理、界面友好、操作简洁，解决了灌区水文生态因子人工观测精度低、实时性差、效率低的难题，具有较大的推广应用价值。
　　(5)详细分析研究了相关领域指标体系构建方法与模型、权重确定方法与模型、综合评判方法与模型，在此基础上构建了适合于半干旱地区大型灌区水文生态系统质量综合评价的“分析法-层次分析法-基于隶属度的Hardarmard乘积变权模型-两级模糊综合评判法”的复合优化方法与模型。
　　(6)系统分析了影响半干旱地区大型灌区水文生态系统质量的主要因素，在此基础之上，尝试建立了半干旱地区大型灌区水文生态系统质量综合评价指标体系，并以现有的法律法规为基础，集成部分针对西部半干旱地区水资源、生态、环境等的研究成果，结合泾惠渠灌区水文生态系统的实际，界定了适合于该灌区水文生态系统可持续发展的水文生态系统质量评价标准。
　　(7)以本文建立的复合优化方法与模型，对泾惠渠灌区2000年、2005年、2010年3年的水文生态系统质量进行了综合评价与分析，并提出了对策和建议。

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第一章综述

1.1研究背景

1.2 研究意义

1.3国内外研究进展

1.4研究的主要内容及技术路线

1.5 论文创新之处

第二章泾惠渠灌区概况

2.1 自然地理概况

2.2 水文地质概况

2.3主要水文生态问题

2.4社会经济概况

第三章半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测体系研究

3.1半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测概念

3.2半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测总体结构

3.3 自动化动态监测网络

3.4 卫星遥感动态监测

3.5 干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测指标体系

3.6本章小结

第四章半干旱地区大型灌区水文生态系统动态监测空间数据库研究

4.1空间数据库

4.2 空间数据库研究的目的与内容

4.3 数据类型分类分析

4.4空间数据库设计

4.5 本章小结

第五章泾惠渠灌区主要水文生态因子自动化动态监测系统的设计与实现

5.1系统总体设计

5.2传感器选择及标定

5.3监测软件设计与实现

5.4通信接口设计

5.5 本章小结

第六章半干旱地区大型灌区水文生态系统质量综合评价理论与方法研究

6.1 综合评价流程

6.2 综合评价方法与模型体系

6.3 本文采用的评价方法与模型

6.4 评价指标体系构建

6.5 评价标准确定

6.6 本章小结

第七章泾惠渠灌区水文生态系统质量综合评价与分析

7.1指标信息获取

7.2 评价指标常权确定

7.3 隶属度函数的定义

7.4 综合评判运算

7.5 评价结果分析

7.6对策措施与建议

7.7本章小结

第八章结论与展望

结论

展望

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果

致谢