河套灌区畦田节水改造关键技术和灌溉决策研究

摘要

全球95％的灌溉面积采用地面灌溉技术，内蒙古河套灌区以传统的地面灌溉为主，在灌区种植模式和种植结构不断调整以及水资源供需矛盾日益突出的条件下，研究畦田节水改造关键技术和灌溉决策具有重要意义。本文针对上述问题引入了模拟地面灌溉的SIRMOD模型对畦田节水改造中的土壤入渗参数、田面参数和畦田规格等关键参数进行研究；采用具有评价和优化功能的ISAREG模型研究不同种植模式下粮食作物和考虑灌水技术制约时经济作物的灌溉制度；利用具有决策支持系统功能的SADREG模型对小麦畦田进行灌溉决策研究。 本文的主要研究成果有：（1）分别采用SIRMOD、Maheshwari、Esfandiari、非线性回归和线性回归模型估算了小麦、玉米畦田的土壤入渗参数，研究结果表明：不管是对均一土质还是分层土壤，SIRMOD模型和非线性回归模型估算土壤入渗参数的精度较高，需要的观测数据相对较少、计算工作量较小；入渗参数随着灌水次数的增加逐渐减小，其中第1次灌水对入渗参数的影响最大，第2次灌水时的入渗系数比第1次灌水时降低约5.0％～11.0％，入渗指数降低约5.0％～1 5.0％，第3次灌水时土壤的入渗性能逐渐趋于稳定，并且灌水对粉土密实性的影响比粉壤土大。 （2）采用SIRMOD模型、SRFR模型和田间实测法分别对小麦、玉米不同规格畦田的灌水质量评价结果表明：SIRMOD模型模拟畦田灌水质量的效果较好；同规格的畦田在灌水量相同的条件下，改善灌水质量可以提高作物产量和水分利用效率，而不同规格的畦田随着畦宽的增大，在增加较大灌水量的情况下，灌水质量改善不明显，而水分利用效率明显降低，因此对较大规格畦田进行缩块改造十分必要；根据灌水质量的对比结果，建议灌区采用畦田规格Ⅱ（畦长45m、畦宽7.5m，约为0.5亩），考虑到当前的农业耕作水平，应减少使用面积1.0亩（畦长45m、畦宽15.0m）的畦田，限制使用面积1.5亩及以上的畦田。 （3）SIRMOD模型对影响灌水质量各因素的模拟结果表明：田面平整精度对水流的推进与消退过程具有显著影响，较低的平整精度值（较佳的田面状况）可获得较好的灌水效果，为此则需实施激光控制精细土地平整；田面糙率对水流的推进与消退过程影响较大，较小的田面糙率其水流推进和消退过程较理想，随着田面糙率的增大，水流推进和消退过程变为凹凸不平的曲线，灌水效率明显下降；灌水量和单宽流量对灌水效果的影响也非常明显，增大灌水量可以提高灌水均匀度，同时降低了灌水效率，增大单宽流量，可以明显改善灌水质量，但并不是单宽流量越大灌水质量越高，不同条件对应不同的适宜单宽流量；不同灌水要素和田面参数条件下有不同的最佳田面坡度，选定适宜的田面坡度可以获得较佳的灌水效果，模拟得出了常规和激光平地时不同畦田规格的最佳田面坡度，根据模拟结果建议畦长控制在45—60m，畦宽小于10m。 （4）对ISAREG模型所需的各项参数进行了验证，并对作物的实际灌溉制度进行了评价，在此基础上设计了不同作物的多种灌溉制度方案，根据模拟结果得出了灌水日期不受黄河来水日期约束时和现状供水状况下的小麦畦灌优化灌溉制度，考虑灌水技术制约的番茄畦灌和沟灌以及辣椒沟灌和隔沟灌优化灌溉制度，考虑种植模式的小麦间作葵花和小麦间作玉米的优化灌溉制度。（5）根据SIRMOD和ISAREG模型各参数的优化结果，采用SADREG模型对小麦畦田灌溉的13个方案进行多目标分析评价，通过对不同方案效益、成本和环境效应的各性能指标的对比分析，并以总效用函数值为标准，评价得出了方案10（畦长45.0m、畦宽7.5m）为较理想的畦田规格，通过组合其对应的优化田面参数和灌溉制度，得到小麦最佳灌溉决策方案。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

1引言

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1畦田改造技术研究进展

1.2.2灌溉制度优化研究进展

1.2.3地面灌溉技术研究进展

1.3研究内容与技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

2研究区概况与试验设计

2.1研究区概况

2.1.1研究区地理位置

2.1.2研究区基本情况

2.1.3研究区气象

2.1.4研究区土壤

2.1.5研究区水文地质

2.2试验区概况

2.3试验材料和方法

2.4试验处理设计

2.4.1畦田改造试验处理

2.4.2灌水技术和灌溉制度试验处理

2.5观测和调查内容

2.5.1常规观测内容

2.5.2畦田改造试验观测内容

2.5.3灌溉技术和灌溉制度试验观测内容

2.5.4试验区土壤颗粒分析

3畦田土壤入渗参数研究

3.1土壤入渗参数估算模型

3.1.1水量平衡方程

3.1.2 Maheshwari和Esfandiari模型

3.1.3非线性回归模型

3.1.4线性回归模型

3.1.5 SIRMOD模型

3.2试验设计及估算结果分析

3.2.1小麦试验处理

3.2.2小麦试验处理入渗参数估算结果分析

3.2.3玉米试验处理

3.2.4玉米试验入渗参数处理结果分析

3.3小结

4畦田灌水质量评价

4.1影响畦田灌水质量的主要因素及评价指标

4.1.1灌水质量的主要影响因素

4.1.2灌水质量评价指标

4.2畦田灌水质量评价模型

4.2.1 SIRMOD模型

4.2.2 SRFR模型

4.2.3田间实测法

4.3试验设计及评价结果

4.3.1小麦畦田试验处理

4.3.2模型计算结果评价

4.4灌水质量影响因素分析

4.4.1畦田规格对灌水质量的影响

4.4.2田面参数对灌水质量的影响

4.5灌水质量对作物产量和水分利用效率的影响研究

4.5.1小麦试验处理结果分析

4.5.2玉米试验处理结果分析

4.6小结

5基于SIRMOD模型的畦田灌溉模拟

5.1平整精度对灌水质量影响的模拟分析

5.1.1对灌水质量影响的结果分析

5.1.2水流推进和消退过程结果分析

5.2田面糙率对灌水质量影响的模拟分析

5.2.1对灌水质量影响的结果分析

5.2.2水流推进和消退过程结果分析

5.3不同灌水量组合时单宽流量对灌水质量影响的模拟分析

5.3.1对灌水质量影响的结果分析

5.3.2水流推进和消退过程结果分析

5.4不同灌水参数组合时田面坡度对灌水质量影响的模拟分析

5.4.1常规平地灌水参数组合模拟分析

5.4.2激光平地灌水参数组合模拟分析

5.5畦田规格对灌水质量影响的模拟分析

5.5.1畦田规格组合方式及参数选定

5.5.2畦田规格对灌水质量影响的模拟结果分析

5.6小结

6基于ISAREG模型的灌溉制度研究

6.1 ISAREG模型

6.1.1模型的原理

6.1.2模型数据结构

6.1.3气象数据

6.1.4作物数据

6.1.5土壤数据

6.1.6地下水数据

6.1.7灌溉数据

6.1.8水量数据

6.1.9验证数据

6.2单作作物灌溉制度优化

6.2.1小麦灌溉制度参数验证

6.2.2小麦灌溉制度评价

6.2.3小麦灌溉制度方案设计和模拟

6.2.4小麦灌溉制度优选结果及评价

6.3作物间作灌溉制度优化

6.3.1间作模式的灌溉制度参数验证

6.3.2间作模式灌溉制度评价

6.3.3间作模式灌溉制度方案设计和模拟

6.3.4间作模式灌溉制度优选结果及评价

6.4番茄畦灌和沟灌灌溉制度优化

6.4.1番茄灌溉制度参数验证

6.4.2番茄灌溉制度评价

6.4.3番茄灌溉制度方案设计和模拟

6.4.4番茄灌溉制度优选结果及评价

6.5辣椒沟灌和隔沟灌灌溉制度优化

6.5.1辣椒灌溉制度参数验证

6.5.2辣椒灌溉制度评价

6.5.3辣椒灌溉制度方案设计和模拟

6.5.4辣椒灌溉制度优选结果及评价

6.6小结

7基于SADREG模型的灌溉决策研究

7.1 SADREG模型

7.1.1模型的原理

7.1.2模型数据结构

7.1.3模型基本数据

7.1.4作物数据

7.1.5输水数据

7.2小麦畦田灌溉决策研究

7.2.1小麦畦田灌溉方案设计

7.2.2小麦畦田灌溉参数选定和计算

7.2.3小麦畦田灌溉决策多目标评价结果分析

7.3各目标权重对小麦灌溉决策方案总效用值的影响分析

7.4小结

8结论与展望

8.1结论

8.1.1畦田土壤入渗参数研究

8.1.2畦田灌水质量评价

8.1.3基于SIRMOD模型的畦田灌溉模拟

8.1.4基于ISAREG模型的灌溉制度研究

8.1.5基于SADREG模型的灌溉决策研究

8.2展望

致 谢

参考文献

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