基于EFDC模型的表面流人工湿地水力性能和净化效果影响因素分析

为探究长宽比、水深和水力负荷对表面流人工湿地水力性能和净化效果的影响及其定量关系,采用EFDC(environmental fluid dynamics Code)模型建立表面流人工湿地水动力-水质耦合模型并对模型进行率定和验证,基于构建的模型设置3因素6水平的全因子模拟试验,通过分析216组试验结果研究湿地长宽比、水深和水力负荷及其交互作用对湿地水力性能和净化效果的影响,进而采用多元非线性回归模型将多因子影响与7个评价指标之间建立定量关系。结果表明:长宽比、水深和水力负荷之间的交互作用对水力性能和净化效果均有显著影响(P<0.05)。构建的参数与评价指标的回归模型说明水力效率、有效容积率和莫里尔离散指数与长宽比呈指数相关,总氮浓度去除率与水深呈指数相关,回归方程的建模决定系数均大于0.9,经试验数据验证的相对误差在20%以下,说明模型是可靠的。研究可为表面流人工湿地设计和运行提供依据。

散射辐射对鄱阳湖平原典型稻田总初级生产力的影响

探明散射辐射变化对稻田生态系统总初级生产力(Gross primary productivity,GPP)的影响可为稻田碳汇能力评估和产量估算提供参考。本研究以鄱阳湖平原双季稻田为研究对象,利用涡度相关(Eddy covariance,EC)系统对稻田CO_(2)通量进行了连续两年(2017—2018年)的定位观测,选取水稻生育中期数据,按照散射辐射比例(Diffuse fraction,DF)进行分段,分析了散射辐射对稻田GPP的影响,探明并量化了不同DF条件下散射辐射与其他气象因素对稻田GPP的影响机制。结果表明:不同类型辐射对GPP的影响存在差异,GPP随着直接光合有效辐射(Direct photosynthetically active radiation,PAR_(dir))的增加先迅速增长,随后达到饱和;在不同DF条件下,早晚稻GPP随着散射光合有效辐射(Diffuse photosynthetically active radiation,PAR_(dif))的变化趋势存在差异,当DF为0.1~0.4时,早稻GPP随PAR_(dif)无明显变化趋势,晚稻GPP随PARdif呈上升趋势(决定系数R^(2)为0.23),当DF为0.4~0.7时,早晚稻GPP随PAR_(dif)呈下降趋势(R^(2)为0.38、0.02),当DF为0.7~1.0时,早晚稻GPP随PAR_(dif)呈明显上升趋势(R2为0.32、0.89),可见PAR_(dif)是影响水稻GPP的重要因素。早晚稻GPP与DF呈二次曲线关系(R^(2)为0.45、0.67),早晚稻光能利用效率(Light use efficiency,LUE)则与DF呈显著的线性正相关关系(R^(2)为0.68、0.82),早晚稻最优DF为0.48和0.40。DF变化同时引起气温(Air temperature,T_(a))和饱和水汽压差(Water vapor pressure deficit,VPD)的变化,进而对水稻GPP产生协同影响。气象因素与水稻GPP的通径分析结果表明:不同DF条件下,气象因素对水稻GPP的影响存在明显差异。总体而言,T_(a)和VPD升高分别对水稻GPP起促进和抑制作用,当DF为0.1~0.4、0.4~0.7和0.7~1.0时,影响早稻GPP的主要气象因素为T_(a)、PAR_(dir)和PAR_(dif),影响晚稻GPP的主要气象因素则为PAR_(dif)、PAR_(dir)和PAR_(dif)。

递增式连续降雨条件下典型山区坡面径流产沙水动力学特征

山区复杂的下垫面条件导致了山区小流域水文响应过程的复杂性,山区坡面作为山区小流域水文响应的基本单元,研究其不同下垫面条件下径流产沙水动力特征具有重要意义。为明晰山区坡面不同下垫面条件下径流水沙水动力特征,该研究选用官山河小流域作为研究对象,基于室内模拟递增式连续降雨试验方法,研究了坡度、土层厚度分布和土层底部透水性等山区坡面下垫面特性共同作用下的坡面径流产沙水动力学特征。结果表明:1)连续降雨条件下,雷诺数、水流剪切力和径流功率随着产流时间和雨强增加呈现增加趋势,Darcy-Weisbach阻力系数呈降低趋势。2)雨强增加使雷诺数均值和径流功率均值显著增加(P<0.05),设计雨强60、90、120 mm/h时的雷诺数均值、径流功率均值分别比30 mm/h的雷诺数均值、径流功率均值增加了130%、276%、366%和171%、328%、435%;坡度增加使水流剪切力均值和径流功率均值显著增加(P<0.05),坡度15°、25°的水流剪切力均值分别比坡度5°的增加了135%和187%,坡度15°、25°的径流功率均值分别比坡度5°的均值增加了224%和357%;土层厚度分布对阻力系数均值和土层底部透水的雷诺数均值、径流功率均值有显著影响(P<0.05),土层底部透水性仅对土层厚度分布为上薄下厚的雷诺数均值和水流剪切力均值有显著影响(P<0.05)。3)雨强是影响坡面产流产沙水动力特征的主导因素,对雷诺数的方差贡献率高达83.11%,水流剪切力主要受到雨强和坡度的影响,累计贡献率达67.64%,径流功率主要受到雨强和坡度的影响,累计贡献率达80.58%。在单一雨强条件下,坡度和土层厚度分布是影响水动力参数的主要因素,土层厚度分布和坡度的交互作用、土层底部透水性和土层厚度分布的交互作用对水动力参数也有一定影响。因此,在研究坡面产流产沙规律时,除考虑雨强和坡度外,还应兼顾考虑土层厚度分布和土层底部透水性及其交互作用的影响。该研究结果可为山区坡面复杂下垫面条件下的坡面产流产沙机理提供一定的理论支撑,并为改进山区小流域水文过程分布式模拟提供参数率定依据。

山区陡坡坡面产流产沙过程的降雨试验研究

为弄清雨强、土层厚度分布和土层底部透水性交互作用对山区陡坡坡面产流产沙过程影响规律,本文基于4种设计土槽进行室内模拟连续降雨试验。结果表明:地表径流率在连续降雨过程中呈明显波动上升趋势,侵蚀速率均值在连续降雨过程中呈现先增加后减小的趋势。地表径流率主要受到雨强的影响,方差贡献率达88.85%,侵蚀速率主要受到雨强以及土层厚度分布和雨强的交互影响,方差贡献率分别为46.13%和20.64%,土层厚度分布和土层底部透水性的交互作用对侵蚀速率也有一定影响,方差贡献率为9.21%。因此,除考虑雨强外,还应兼顾考虑土层厚度分布、土层底部透水性及其交互作用对产流产沙过程的影响。本研究可为山区坡面复杂下垫面条件下的坡面产流产沙机理提供理论支撑。

参考作物腾发量预报在线训练深度学习模型

【目的】探究参考作物腾发量(ET_(0))的实时预报方法。【方法】以浙江省杭州市萧山区2021年4月24日-2023年12月31日的天气预报数据和整点天气实况资料为数据集,分析模型输入数据的预报精度,采用BP神经网络算法构建ET_(0)预报的深度学习模型,并部署至阿里云服务器进行在线训练。【结果】模型的输入数据中,气温预报准确率较高,且最低气温预报精度高于最高气温,天气类型及风力等级预报存在一定误差。模型预报值与实时数据计算得到的标准值相比,预见期内二者变化趋势大致相同,预报精度较高,训练期与测试期准确率最高分别可达到91.56%和84.75%,训练期均方根误差(RMSE)与平均绝对误差(MAE)平均值分别为0.828mm/d和0.667mm/d,测试期RMSE与MAE平均值分别为1.049mm/d和0.829mm/d。【结论】采用公共天气预报数据构建BP模型在线训练,能够实现ET0的实时预报,精度较高且便于运用,可为农业工作者实时灌溉决策提供数据支撑。

云南省洱海灌区水稻智能灌溉决策模型研究

提高有效降雨利用率,是节约灌溉用水的重要途径之一。为进一步提高稻田降雨利用率,基于水量平衡原理和作物水分生产函数,结合强化学习方法,构建考虑未来降雨的智能灌溉决策模型。收集了大理站点2012-2020年的实测气象数据和天气预报数据,对智能灌溉决策模型进行训练,将模型应用于云南省洱海灌区。结果表明:洱海地区天气预报存在一定的空报率和漏报率,TS评分较高,降雨预报质量较高。与常规灌溉决策相比,采用强化学习方法的智能灌溉决策,平均每年可以减少灌溉次数0.2次,节约灌水量6.5 mm,节水率为6.0%,提高降雨利用率3.0%,减少排水量6.2 mm,且未造成产量损失。因此,采用智能灌溉决策能在考虑未来天气情况下有效提高降雨利用率,节约灌溉用水,且不造成减产。

南方灌区沟渠塘库系统水平衡模拟模型研究

定量描述南方多水源灌区灌溉水转化机制是实现灌区水资源高效利用的基础。本文以湖北省漳河灌区内部的杨树垱流域为例,考虑其内部的空间异质性,对流域划分灌溉子区并对灌排系统进行水平和垂向概化,根据水量平衡原理研发多个水平衡子模块,构建沟渠塘库系统水平衡模拟模型。根据2021-2022年典型塘堰和内部水库的实测逐日水位资料,利用拉丁超立方抽样法和偏相关分析法对模型参数进行敏感性分析,并在不同流域尺度上对模型进行率定和验证。模拟结果的Nash-Sutcliffe系数(0.72~0.99)、均方根误差(0.09~0.20 m)和平均绝对误差(0.08~0.14 m)表明模型模拟效果较好,与传统灌区分布式水平衡模拟模型相比,该模型可以在满足较高精度的同时,更为全面地描述灌区水转化过程,为定量描述流域内灌溉系统的水转化过程提供新途径。

基于互补相关原理的三江平原蒸散发时空变化规律分析

研究蒸散发的变化对灌溉水分管理和水资源利用有重要作用。三江平原是中国重要的农业区,灌溉用水量巨大。研究的目的是探讨三江平原蒸散发的变化趋势,为水资源可持续发展提供科学依据。研究选用了3种基于互补相关原理的蒸散发模型,比较了其在估算三江平原蒸散发(ET_A)时的精度,并根据水量平衡方程对蒸散发模型进行参数调整,最终选择精度最高的模型用于估算1960-2020年三江平原ET_A。研究采用了多种分析方法,Mann-Kendall检验和反距离权重法用于讨论ET_A时空变化规律,相关系数和单因素敏感性分析法用于讨论气象因素对ET_A的影响。结果表明,使用原始参数值的3种蒸散发模型在估算ET_A时误差较大,在对3种模型的参数进行调整后,互补相关陆面蒸散模型表现出更高的准确性,成为估算三江平原ET_A的最优模型;三江平原年ET_A在61年间处于显著上升趋势,线性增长速率为0.4mm/a,夏季ET_A的变化趋势与年ET_A一致,其余季节的ET_A变化趋势不同,夏季ET_A的上升是影响年ET_A上升的最主要因素;ET_A的空间分布不同,多年平均值和季节平均值集中出现在三江平原的中部区域,三江平原东部ET_A的上升速率快于中部和西部区域;最低气温与ET_A的相关性最强,风速与ET_A的相关性最弱,ET_A对气温变化敏感,最高气温的变化对ET_A的影响程度最大。

不同水肥条件下水稻氮素运移与转化规律研究

针对不同的水肥处理,采用15N示踪方法,观测分析了氮素在稻田的时空分布及运移规律、挥发及淋失损失规律、氮素在水稻植株中的分布特征、稻田氮量平衡等。结果表明:不同灌溉方式下,由于稻田水分状况的差异导致土壤养分时空分布不同,从而影响其对作物的有效性;由于节水灌溉稻田水分相对较少,基质浓度较高,挥发损失高于淹灌。虽然节水灌溉下稻田渗漏液NH+3浓度较淹灌高,但由于此时总渗漏量显著减少,氮的总淋失4及NO-较淹灌条件少;节水灌溉下,适当增加追肥次数,有利于减少各种氮素养分的损失,提高氮肥利用率;节水灌溉下水稻对氮素的吸收利用率高于淹灌,且有利于氮素养分向稻谷转移。

基于叶绿素荧光遥感的江西省稻田总初级生产力估算及其气象驱动因素研究

总初级生产力(Gross primary production,GPP)是表征作物在光合作用中吸收大气CO_(2)的指标,也是作物产量形成的重要起点。本研究以江西省稻田为研究对象,基于日光诱导叶绿素荧光(Sun-induced chlorophyll fluorescence,SIF)遥感数据和地面通量观测数据,构建了基于SIF的稻田GPP非线性估算模型,进而对江西省2001—2020年稻田GPP进行模拟。结果表明:相较于MOD17 GPP和GOSIF GPP,基于SIF的非线性模型模拟精度更高,可以更好地捕捉水稻季和非水稻季GPP的季节变化,但对早稻-晚稻交替期模拟效果较差。2001—2020年江西省稻田多年平均GPP为(2082.8±143.2)g/(m^(2)·a),空间上呈现北侧低、南侧高的特点,稻田GPP低值主要位于南昌市及其周边,高值位于赣州市和景德镇市。2001—2020年江西省稻田GPP总体呈波动上升趋势,趋势率为24.3 g/(m^(2)·a),上升趋势最大的区域位于江西省南部,上升趋势最小或存在下降趋势的区域主要位于南昌市和九江市,可能与该地区水稻“双改单”现象有关。江西省各市稻田GPP年际变化的主要影响因素为气温,贡献率在28.3%~44.2%之间,太阳辐射对稻田GPP为负贡献,风速在部分区域对稻田GPP为正贡献,降水量和相对湿度对稻田GPP年际变化的影响最弱。研究可为模拟江西省稻田GPP以及评估气候变化背景下稻田固碳能力和产量估算提供理论依据。

农业灌溉节水评价指标与尺度问题

该文探讨了农业灌溉节水的评价指标与尺度问题,指出产生节水灌溉尺度现象的原因是由于灌溉过程中回归水的重复利用。讨论了在不同尺度下的水平衡要素及其在节水尺度效应中的作用;说明随尺度的增大,水平衡过程变得复杂化,节水尺度效应现象也更突出。指出由于尺度效应的存在,传统灌溉效率指标在节水效果评估及水资源调配决策中的局限性,并对近年来国际上提出的相关评价指标进行评述。结合两个实例就评价指标随空间尺度的变化规律及灌区尺度节水策略问题进行了讨论。

基于改进SWAT模型的南方多水源灌区灌溉用水量模拟分析

为提出一种合理有效的南方多水源灌区灌溉用水量模拟统计方法,该文针对南方多水源灌区水循环及灌溉取水特点对SWAT模型进行改进,尤其添加了多水源自动灌溉模块用于模拟作物不同水源类型的灌水量,并统计推求灌区灌溉用水量。以浙江省浦江县通济桥水库灌区为例,应用改进SWAT构建灌区水循环模型,利用灌区出口实测月径流数据及4条干渠渠首监测的灌水量数据校正及验证模型,其中月径流在验证期的Nash-Suttclife效率系数为0.89,干渠灌溉用水量模拟值与观测值相对误差的绝对值最大不超过20%,表明改进SWAT模型具有良好的模拟效果。利用所建模型模拟分析通济桥水库灌区长系列灌溉用水量,结果显示灌区灌溉用水量呈现丰水年小、干旱年大的变化规律;除监测的骨干水源通济桥水库及浦阳江取水以外,灌溉用水量的41.40%来源于灌区内部的河道、塘堰及小型水库,说明只监测干渠渠首灌水量无法统计整个灌区灌溉用水量;随着灌区节水改造投入,灌区灌溉水利用系数提高,其灌溉用水量减少。基于改进SWAT模型进行多水源灌区灌溉用水量模拟为灌区灌溉用水量统计分析提供了一种有效的方法。

养殖废水灌溉对大蒜生长、产量及水氮利用效率的影响

【目的】利用田间小区试验,研究养殖废水灌溉对大蒜生长、产量、水氮利用效率及土壤总氮的影响,以期促进养殖废水的回收利用,减少大蒜水资源和氮肥用量,为养殖废水灌溉节水减排提供科学依据。【方法】在国家农业环境大理观测实验站开展了大蒜养殖废水灌溉试验研究。试验根据不同灌溉水源和施氮水平设5个处理(CK:清水灌溉+不施氮肥,C1:清水灌溉+全量氮肥390 kg/hm^(2),C2:清水灌溉+减量氮肥312 kg/hm^(2),R1:养殖废水灌溉+不施氮肥,R2:养殖废水灌溉+施用氮肥150kg/hm^(2)),分析比较不同处理下大蒜各生育期生长指标、产量、水氮利用效率和土壤总氮的变化规律。【结果】R2处理下大蒜生长发育状况最佳,R1处理在较低施氮水平下达到C1处理水平的生长指标;R2的大蒜产量最佳,C1、C2、R1、R2处理鳞茎产量分别比CK提高111.30%、81.23%、98.19%、142.01%;相比C1处理,养殖废水灌溉(R1和R2处理)下氮肥吸收利用率分别提高154.71%和92.25%,氮肥偏生产力分别提高110.75%和47.63%,灌溉水分生产率的相对变化分别为-29.19%和2.34%,0~40cm土层的土壤总氮增量分别降低9.25%和3.89%,但0~20cm土层的土壤总氮增量提高170.90%和255.93%。【结论】养殖废水灌溉和施用适量氮肥有助于大蒜生长发育和产量形成,在不灌清水和减量氮肥的同时保证大蒜生长和产量,提高了表层土壤含氮量。

基于进化神经网络的参考作物腾发量预测

利用遗传算法的全局空间寻优功能和BP网络映射能力强的优点,建立了以遗传算法确定最优网络结构的进化神经网络(GA ANN)模型,用来预测参考作物腾发量(ET0)。设计多组数字实验处理,研究了输入因子间相关性对模型预测准确性的影响,并验证了最优网络模型结构,即预测ET0的理想GA ANN模型中以日平均气温、日照时数及日序数为输入因子。实例分析表明,该模型克服了BP网络输入层、隐含层节点确定的盲目性,适应性强,精度高,可用于ET0预测。

不同环节灌溉用水效率及节水潜力分析

以漳河灌区为例,在对灌区渠系进行等效概化的基础上,采用经验公式法进行不同工况下不同环节灌溉用水效率的分析计算。结果表明总干及干渠环节和分、斗、农渠环节的渠道水利用系数较大,而支干、分干和支渠环节的渠道水利用系数偏小,渠道断面大小、长度及防渗率是导致渠道水利用系数差异的主要原因。计算分析了不同条件下的灌溉用水效率阈值,达到相应阈值时的投资,以及净节水量和节水率,分析了投资与灌溉用水效率阈值及节水率的关系。表明随投资的增加灌溉用水效率及节水率均提高,但其过程符合报酬递减规律,且节水率的报酬递减速度更快。

水分生产率指标随空间尺度变化规律

根据漳河灌区4年田间及中等尺度的水量平衡试验,以及同步的灌溉系统及灌区尺度的水量观测,结合利用遥感信息估算的灌溉系统及灌区尺度的腾发量获得不同年份不同尺度的水量平衡要素。根据实测或统计资料获得不同尺度的水稻产量资料。计算分析了各种水分生产率指标及水量消耗比例指标随不同空间尺度及不同水文年度的变化规律。结果表明:灌溉水分生产率及毛入流量水分生产率总体上随空间尺度的增大而增大,但于某些年份在中等尺度上有降低的现象;水稻腾发量水分生产率则随时空尺度变化不大;采用节水灌溉技术不仅可以提高田间尺度的灌溉水分生产率,也促进了灌区灌溉水分生产率的整体上升,达到了真实节水;水分生产率指标受降雨及其年内分配的影响,另外,水管理措施的好坏显著影响水分生产率指标的高低。

考虑随机降雨时稻田高效节水灌溉制度

在分析水稻生育阶段水分生产函数中敏感指数变化规律的基础上，导出了敏感指数累积函数模型及分旬敏感指数值．以此为基础，将降雨视为随机变量，结合高效节水灌溉条件下稻田水量平衡的特点，充分考虑水稻实际腾发、稻田渗漏和稻田水分实际消退过程，建立了随机降雨情况下，求解稻田高效节水优化灌溉制度的随机动态规划模型．实例研究表明。

水稻水分生产函数时空变异规律研究

基于对水稻Jensen模型中敏感指数在全生育期变化规律的认识 ,以生长曲线函数建立了水稻敏感指数累积函数 ,分析了其特征 ,从而解决了不同长时段敏感指数转换计算问题。较全面地揭示了水稻水分生产函数及其敏感指数累积函数中主要参数随气象条件及土壤因子变化的规律。通过参照作物需水量及其频率以及不同地区土壤有效含水量为媒介 ,建立了对水分敏感指标在不同水文年份 (时间 )和不同地区 (空间 )进行预报的数学模型 ,据此提出了水稻水分生产函数在时、空两方面插补、延长、移用与扩展的理论与方法。借助于参照作物需水量等值线图及土壤分布图 。

稻田回归水模拟及其评价

以V ens im为工具,建立了稻田田间及中等尺度水量转化的系统动力学模型;通过漳河灌区团林试区实测资料检验,证实了模型的适用性及其精度。将模型用于田间及中等尺度回归水的模拟,探讨了回归水评价指标随田间及中等尺度的变化规律,对影响稻田回归水变化的因素进行了敏感性分析。结果表明:地表回归水量随田埂有效高度的增加线性减少;田埂回归水量随田块长度的增加线性增加,随田埂宽度的增加而明显减少;田埂回归水和田间回归水均随水力传导度的增加而增加;地下回归水随坡度的变陡而增大;地表回归水、田间回归水及田埂回归水均随旱作比例的增加而减少。田块狭长组合方式的回归水重复利用系数比宽窄组合方式大。回归水评价指标计算表明,灌溉降雨回归系数比灌溉回归系数能更好的反映田间出流及回归水的利用;中等尺度的灌溉回归系数和灌溉降雨回归系数分别是田间尺度的1倍左右;中等尺度上的重复利用系数不大,说明可以提供给下游使用的回归水量大;干旱年份的回归水重复利用系数比平水年的大。

灌溉水利用效率指标研究进展

回顾了灌溉水利用效率评价指标的发展历史,分析了现有灌溉水利用效率评价指标的不足,总结了其适用条件。结果表明,目前还没有一套在任何条件均适用的灌溉水利用效率评价的量化指标,原因在于:一是不同灌溉水利用效率指标术语内涵不明确,导致在不同条件下很多指标被混用;二是部分指标即使理论框架比较清晰,但在实际运用时,许多计算要素难以确定或是无法确定,不利于在灌区水管理中推广。指出对现有灌溉水利用效率指标进行科学的界定和评价,规范不同指标的使用范围,研究它们之间的相互关联规律、影响因素,探讨节水潜力评价方法的重要性。