黄河中下游地区耐旱作物扩种的节水降碳协同效应评价

为应对黄河流域农业可持续发展面临的气候变化和水资源短缺挑战,通过推广种植耐旱作物,缓解区域农业用水压力,并分析其节水降碳协同效应,研究设计了趋势照常、缓慢增长、技术引导、政策扶持等不同发展情景,制定了小麦、玉米、高粱、马铃薯4种耐旱作物扩种的节水降碳协同效应分析方案;采用农业节水潜力修正模型和农业降碳潜力模型定量评估了不同情景下耐旱作物扩种的节水效应及降碳潜力。结果表明:黄河中下游地区小麦和玉米的种植面积最大,高粱和马铃薯则相对较小,在政策扶持情景下,2060年小麦、玉米、高粱、马铃薯的扩种规模分别为23.12万、17.34万、34.68万、40.45万hm^(2)。在技术引导和政策扶持情景下,黄河中下游作物的节水效应和降碳效应均显著提升,2060年该区总节水量达153.52亿m^(3)、降碳潜力的平均水平达65.93 t/km^(2)。在黄河中下游地区推广耐旱作物有助于缓解水资源短缺状况,保障区域粮食安全,实现节水降碳增收多重目标。

川渝地区农业绿色高效用水科技攻关方向与对策建议

川渝地区农业种植面积大、从业人员多、产业份额大、战略意义强,但该地区长期面临严重的季节性干旱和工程性缺水,且农业绿色高效用水发展水平与经济发展、区域地位并不匹配,需提高农业节水抗旱减灾保产能力和水资源利用效率,推动川渝现代节水农业高质量发展。总结了川渝地区农业用水现状和高水效农业发展面临的问题,分析了该地区农业绿色高效用水的实际需求,在此基础上提出开展川渝农业绿色高效用水关键科技项目攻关、构建农业绿色高效用水专家智库、构建西南季节性干旱区农业绿色高效用水技术体系、建设特色水果产业节水科技创新中心、建立川渝农业绿色高效用水产业联盟等一系列对策建议。

平原河网地区大型灌区规范化监管体系研究

为进一步提高灌区管理水平和服务质量,研究基于平原河网地区大型灌区实际,提出了以灌区规范化管理为基础、监管考核打分为方法、灌区补助资金为奖惩手段的一套规范化监管体系,主要从组织制度、安全监管、供用水监管和经济监管四个方面开展考核,采用“自下而上汇报+自上而下抽检”与“综合考核+技术考核”的监管运行方式,配合补助资金奖惩措施,达到监管目的。

地下渗灌研究进展

地下渗灌是一种地下微灌方法,通过埋设于地下的渗灌管将灌溉水引至地面下一定深度的土壤中,再利用土壤毛细管作用实现对作物根区直接供水,该灌水方法与“地下滴灌”的灌水过程实质相同。地下渗灌可有效改善土壤环境质量,利于作物生长,是一项发展前景广阔的高效节水灌溉技术,开展地下渗灌的研究对于推动高效节水农业发展具有重要意义。从地下渗灌条件下土壤水分运移规律、灌水技术参数、灌溉制度、渗灌管堵塞的影响及调控等方面,对相关研究进展和存在问题进行综述,提出了今后的研究方向,供节水灌溉研究领域的学者参考。综述认为,与地下渗灌技术的生产实践相比,对其机理方面的研究相对滞后,限制了该技术的深入推广应用,主要表现在:地下渗灌条件下土壤水分运移规律尚不够清晰;堵塞问题依然是目前阻碍地下渗灌技术应用与发展的限制性因素;地下渗灌配水系统优化设计问题尚需进一步研究。建议今后开展各种不同渗灌条件下的水分入渗数值模拟分析;选取合适的处理水平,研究渗灌灌水效果的主要影响因素,寻求最优灌水技术参数组合;针对地下渗灌条件下作物灌溉制度开展研究,形成一套合理完善的灌溉制度与试验方法;对于渗灌管出流规律、堵塞机理以及进入地下渗灌系统时灌溉水源水质关键参数的有效调控阈值等进行深入研究。

现代化数字灌区建设主体功能及主要应用结构体系探讨

基于对物理灌区的现代化和模拟灌区的数字化认知,分析总结了现代化数字灌区建设应着力完成的“灌区识别”“立体感知”“精准控制”“信息交互”“管理调度”等“五大主体功能”结构体系;基于智慧水利建设和灌区高效运管需求,高效地模拟渠系水流,系统梳理了以“节点流量过程”为输入和输出的灌区概化图,研究提出了现代化数字灌区建设主要业务应用结构体系,即构建以“数据库”为载体,“数学模型”为支撑,基于“灌区一张图”基础之上的“组织管理、工程管理、安全管理、泵站管理、农业节水与供用水管理、经济管理、信息化管理、公共服务”等“九大业务应用”为交互的的整体架构,以期有效提升灌溉供水服务的安全性、公平性、可靠性和灵活性。

紫花苜蓿地下滴灌灌水均匀性与适宜灌溉定额研究

研究主要探究不同灌溉方式紫花苜蓿地下滴灌灌水均匀性差距,并提出适宜的灌水定额。采用田间试验,设3个地下滴灌灌水定额(20、25、30 mm),2个埋设深度(10、20 cm)和2个滴头流量(1.38、2.0 L/h),研究了滴灌带流量、埋深在不同紫花苜蓿生育期内的灌水均匀度差异,同时进一步探究了不同灌水处理对紫花苜蓿株高、产量等参数的影响。滴灌带滴头流量对滴灌灌水均匀性的影响相对较大。在相同的滴灌带滴头流量下,滴灌带埋设深度10 cm与20 cm对滴灌灌水均匀系数影响不显著。当耗水量为456.69 mm时,紫花苜蓿干草产量最大,为12847.78 kg/hm-2。基于节水效果、产量和高效等多生产因素的综合考虑,建议鄂尔多斯鄂托克前旗地区紫花苜蓿地下滴灌灌水定额为25 mm,灌水12~14次。

暗管排水条件下有机无机肥配施对向日葵产量品质与盐碱土改良效果的影响

为揭示生物措施和工程措施协同改良盐碱土的效果,明确滨海农区向日葵生产适宜暗管埋设间距和有机-无机肥配施比例,研究设计10 m(S1)、15 m(S2)和20 m(S3)3种不同暗管间距和100%有机肥(100%OF)、75%有机肥+25%无机肥(75%OF)、50%有机肥+50%无机肥(50%OF)、25%有机肥+75%无机肥(25%OF)、100%无机肥(0%OF)和不施肥(CK)6种施肥处理,观测向日葵产量、品质、氮素利用和土壤速效养分、有机质、全盐含量的响应规律。结果表明:相同暗管间距下,25%OF施肥处理增产效应最为明显,而相同施肥处理下,S2间距向日葵产量处于较高水平,不同处理以S2条件下25%OF施肥处理向日葵产量最高,达到3.82 t/hm^(2);有机肥施用比例提升有利于增加向日葵籽粒粗脂肪、油酸和亚油酸含量;施肥处理明显增加了向日葵植株氮素吸收量,S1、S2和S3间距下较CK处理分别增加了18.1%~47.2%、8.6%~40.5%和8.8%~34.5%;向日葵氮素利用效率随有机肥比例的升高呈先增加后降低趋势,其中S2-25%OF和S1-25%OF处理处于较高水平,分别达到44.2%和43.9%;土壤速效氮、速效磷和速效钾含量与有机肥施用比例呈正相关,S1-S3间距下有机肥处理速效氮、速效磷和速效钾含量较CK平均高22.0%、2.4%和26.4%。暗管间距越小、有机肥施用比例越高,耕层土壤盐分消减率越高,S1间距下100%OF处理盐分消减率达42.6%。综合产量、品质、氮肥利用效率等因素,推荐以15 m暗管间距下25%有机肥施用比例作为盐碱地向日葵生产的最优方案。

移动式水力清淤装置原型试验研究

经济高效的泥沙清淤一直是泥沙工作者追求的目标之一。前期室内试验表明近期提出的一种移动式水力清淤装置具有经济高效的清淤能力和较好的应用前景。为进一步检验其现场应用效果,本文在室内试验的基础上,进一步将该装置在陕西渭南东雷抽黄工程东雷一级站内的8#前池和进水闸外的黄河边滩进行了原型试验。结果表明:装置在两个试验点抽沙时水体均可维持较高的含沙量(平均含沙量分别可达560 kg/m^(3)和330 kg/m^(3),高于室内试验及传统吸排沙装置的结果),展示出优越的现场清淤效果。针对试验站点现存的泥沙淤积问题,提出了工程布置的优化建议,建议将前池的上中段改建为沉沙池并采用本装置实时抽沙,不仅可减少泥沙淤积继而保持泵站长期稳定运行,抽出的泥沙还可作为建筑用沙使用,兼具工程应用和泥沙资源利用的效益。

江苏高效节水灌溉发展现状及对策研究

发展高效节水灌溉是江苏现代农业发展的必由之路。总结了江苏高效节水灌溉现状,分析发展高效节水灌溉的潜力和需求,从自然条件、技术装备、投入保障、管护水平等角度剖析发展的制约因素,提出选择适宜发展模式、强化科技支撑、加强典型示范引领、注重宣传发动等对策措施。

基于投影寻踪回归方法的微压过滤冲洗池水头损失与过滤效率预测模型

以微压过滤冲洗池的水头损失与过滤效率为考核指标,考虑进水流量、矿化度、含沙量与滤网孔径4个因素进行正交试验设计,采用投影寻踪回归方法PPR分析各个因素对考核指标的影响权重,选取20组试验数据建立含沙微咸水条件下微压过滤冲洗池水头损失和过滤效率的预测模型,探究了含沙微咸水对微压过滤冲洗池的水头损失和过滤效率的影响。研究结果表明,影响微压过滤冲洗池水头损失的因素由大到小依次为进水流量、含沙量、矿化度、滤网孔径;影响过滤效率的因素由大到小依次为含沙量、进水流量、矿化度、滤网孔径;构建的PPR预测模型的预测精度整体合格率达100%;当进水流量为6~7 m^(3)/h、含沙量为0.5~1.0 g/L、矿化度为0~2.0 g/L及滤网孔径为0.125~0.180 mm时,水头损失存在最小值;当进水流量为9~10 m^(3)/h、含沙量为1.75~2.00 g/L、矿化度为0~3.0 g/L及滤网孔径为0.125~0.150 mm时,过滤效率存在最大值。物理模型的试验结果可为微压过滤冲洗池的实际应用提供研究基础。

数字孪生灌区建设核心要义与关键技术探讨

梳理了数字孪生技术缘起背景和发展进程,分析指出数字灌区是建设数字孪生灌区的重要基础,现代化数字灌区是推进数字孪生灌区建设的重要发展阶段。基于对数学模型的功能认知,在数字孪生灌区框架下,首次提出将数学模型划分为3个层次,即普适性平台模型、针对性应用模型和友好性交互模型。同时,基于数字孪生灌区定义,分析指出数字孪生模型具有实时动态性及闭环反馈性本质特征,物理灌区与孪生灌区存在同步仿真、虚实交互与迭代优化的过程,二者在灌区全生命周期相互影响,相互促进,孪生灌区不仅随着物理灌区的改变而实时改变,而且基于孪生灌区所做的分析和决策也会实时反馈给物理灌区,并影响物理灌区的行为。因此,具体工作实践中,应基于物理灌区现代化改造需要,发现问题,遵循确有需要、节水高效和可以持续的原则,精准选择灌区数字孪生对象,优化创新数学模型,着力突破关键技术,有序开发重点应用,强化网络安全和数据安全,以期能够更有序、更精准、更高效地推进数字孪生灌区建设。

农田裂隙优先流对灌水模式/初始墒情响应机制及其模拟研究

农田灌溉管理过程中优先流降低水肥利用效率,加剧地下水污染风险。基于碘化钾-淀粉染色示踪试验,分析了地面灌DM、微喷灌WP1(20 mm/h)、微喷灌WP2(40 mm/h)处理下的裂隙优先流特征,验证了基于水量平衡的双域渗透模型的有效性,并采用4组初始体积含水率(0.20、0.25、0.30、0.35 cm^(3)/cm^(3))与5组灌水强度(12.0、24.0、36.0、48.0、60.0mm/h)旋转组合设计进行模拟应用分析。结果表明,WP1、WP2处理整体上水分以均匀的基质流形式入渗;DM处理下的土壤剖面染色区域在垂直方向上可明显划分为基质流区(0~6.9 cm)和优先流区(>6.9 cm)。此外,DM处理下的基质流深度、灌水均匀度显著(P<0.05)小于WP1、WP2处理,而其优先流指数及湿润锋弯曲度均极显著大于(P<0.01)WP1、WP2处理,这表明地面灌可以激活更多的优先流路径,增大优先流发育程度和空间异质性,降低灌水质量。基于水量平衡的双域渗透模型可有效预测不同灌水强度下的基质流深度和土壤剖面染色面积比变化趋势(R2≥0.9276、NSE≥0.8844、RSR≤0.0230),初始体积含水率和灌水强度旋转组合设计模拟结果表明,增加灌水强度或减小初始含水率会增加优先流的程度而降低灌水质量,故建议在农田灌溉管理过程中采用“高频少量”的灌水模式以减少优先流导致的水肥利用效率降低。该研究成果可为农田灌溉决策提供理论依据,其试验数据可为优先流模型优化与验证提供重要的数据支撑。

基于弯道水力特性的蛙道构建与数值模拟研究

为有效提高渠系水利用系数和耕地利用率,灌区末级渠系普遍采取硬质化建设,又因受到渠道规模和防渗要求的约束,生态化改造相对匮乏。为解决灌溉渠道造成的稻作区两栖动物生境破碎化问题,结合灌区末级渠系输配水的实际情况,创新性地将弯道水力特性应用于灌溉渠道生物通道研究,通过建立硬质化农渠弯道的三维水流模型并开展数值模拟试验,模拟了不同弯道处于稳定输水条件下的水力特性,分析了水流结构对渠内蛙类运动轨迹的影响,提出了弯段生物通道的设计方法,并通过水流数值模拟和水头损失计算,评估了设置蛙道对蛙类逃脱效果和渠道输水效率的影响。结果表明:90°弯道出弯断面的纵向流速分布和横向环流结构有助于黑斑蛙利用水动力条件逃脱,并由此提出蛙道位置和结构形式的设计方法;结构变化对水流流态和输水效率并无明显影响,水流结构有利于渠内蛙类逃脱,最大沿程水头损失约为3.83×10^(-4)m,能够同时保证蛙类迁移效率和水流安全通畅。研究成果可为灌溉渠道生态修复提供理论依据和技术支持。

基于自然地下水矿化度分布的北方沿海区水稻适宜规模研究

基于自然地下水矿化度分布规律,探究北方沿海区水稻合理种植规模具有重要的节水压盐意义。本研究以唐山市为例,基于地下水矿化度监测及Landsat遥感影像等数据,分析了水稻种植规模时空分布,结合水稻生长的矿化度阈值,利用叠加分析法提出适宜种植规模和调整措施。结果表明:受水资源短缺影响,1991年以来唐山沿海区的水稻种植面积逐年减少,现状水稻种植面积基本稳定在6.28万hm^(2)。地下水矿化度大于3、1~3 g/L和小于1 g/L的区域分别为水稻保留区、探索退减区和优先调减区,面积分别为4.80、1.69和1.05万hm^(2)。结合国家粮食安全要求,唐山市沿海区适宜水稻种植面积为5.00~5.33万hm^(2)。研究成果为北方沿海区水田的开发利用和粮食节水增产策略提供了新思路。

农田排水沟除草护坡及生态净化研究综述

对农田排水沟除草护坡及生态净化等方面的研究进行了综述,并对目前主要使用的除草技术,生态护坡技术,以及发展前沿的生态净化技术等方面的国内外相关成果进行总结归纳。然而这些方法都存在技术单一、影响环境等缺点,在对各影响因素的协同作用进行综合系统分析的基础上,提出新的解决思路。对沟道运行面临的问题与需解决的科学问题进行了探讨,旨在为现代农业灌溉排水区域建设提供参考。

基于特征变量筛选的无人机多光谱遥感土壤含水量反演

土壤含水量是影响农作物生长的重要因素之一,对作物估产和旱情监测具有重要作用。在土壤含水量反演时,一般是提取多个光谱变量进行反演,但变量之间包含的光谱信息可能存在冗余重叠,为提取有效特征变量,使其相互独立,论文选取特征变量筛选方法,并验证其在土壤含水量反演中的适用性。研究基于无人机多光谱影像计算归一化植被指数(Normalized Difference Vegetation Index,NDVI)等12种植被指数,结合无人机热红外数据计算地表温度(Land Surface Temperature,LST)和对应温度植被干旱指数(Temperature Vegetation Dryness Index,TVDI),以及miniSAR数据处理得到的4种后向散射系数,采用XGBoost特征变量和最优子集选择算法(Best Subset Selection,BSS)筛选最优变量组合,然后利用偏最小二乘回归(Partial Least Squares Regression,PLSR)和随机森林回归(Random Forest Regression,RFR)算法反演实验区冬小麦抽穗期的土壤含水量。研究结果表明:①0~20 cm深度的反演结果均优于0~10 cm深度;②对比XGBoost-PLSR、XGBoost-RFR、BSS-PLSR以及BSS-RFR四种土壤含水量反演模型,BSS-RFR模型不同深度下的反演精度最高;③0~10 cm土壤深度下XGBoost-PLSR模型的反演精度优于XGBoost-RFR,0~20 cm深度下则两者相反,0~20 cm深度下,BSS-RFR模型的反演精度均高于BSS-PLSR。研究成果可为无人机多光谱遥感反演土壤含水量提供理论和技术支撑,为卫星遥感大范围土壤水分监测提供检验依据。

串联网式过滤器泥沙拦截效果试验研究

为了探究泵前、后串联网式过滤器在实际灌溉工程中的分级过滤特性并提高滤网拦沙率,对3种进水含沙量、4种滤网孔径和3种颗粒级配条件下串联网式过滤器的过滤性能开展了正交试验和全试验。结果表明:增大含沙量会加速过滤器滤网堵塞,使部分大于滤网孔径的泥沙颗粒通过滤网;随着进水粗颗粒泥沙的增多,一级过滤效果越明显;不同滤网孔径条件下各粒组出水沙中值粒径和最大粒径变化率范围分别在5.1%~13.0%、1.7%~17.6%之间;通过极差分析和方差分析探究拦沙率对各因素的敏感度,其主次顺序为滤网孔径、颗粒级配、含沙量;当进水沙中值粒径为0.50 mm、含沙量为0.20 g/L时,泵后过滤器滤网孔径较优组合为0.25 mm×0.16 mm;拦沙量与各级滤网孔径有关,选择滤网孔径为(0.49~0.78)d 50的泵前过滤器和(0.32~0.50)d 50的泵后过滤器进行过滤,有利于提高过滤器拦沙率,延长其使用寿命。

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。

黄河下游灌区引黄涵闸引水能力变化原因分析

黄河下游引黄涵闸受河床下切、河势变化等因素共同影响,引水条件与设计情况相比发生了变化,造成部分河段涵闸引水困难,影响农业适时灌溉和生产。为给应对引黄涵闸引水能力下降问题提供参考,基于黄河下游2000—2016年引黄涵闸引水水位和河道断面实测数据,分析引黄涵闸引水水位变化、河槽冲刷、引黄渠道淤积变化等因素对引黄涵闸引水能力产生的影响。结果表明:1)2016年黄河来水300~900 m^(3)/s时,黄河下游引黄涵闸实际引水能力仅为设计引水能力的13.63%~39.43%,引黄涵闸引水能力明显下降;2)相较2000年,2016年的引黄涵闸设计值对应黄河流量的水位,高村以上河段下降了2.95~3.35 m,高村以下河段下降了1.55~2.95 m;3)从河段河床平均冲刷厚度看,花园口—夹河滩、夹河滩—高村、高村—孙口、孙口—艾山、艾山—泺口、泺口—利津河段的冲刷厚度分别为3.88、3.06、1.84、1.88、1.88、2.02 m,河槽连续冲刷导致同流量水位明显降低,严重影响河南和山东段引黄涵闸正常引水;4)涵闸前后引、输水渠道淤积会导致引黄涵闸引水能力降低。

基于VOF-DPM模型的明渠含沙数值模拟及量水方案比选

为探究含沙水流对明渠流量测量精度的影响,基于Fluent软件采用VOF-DPM模型对明渠进行数值模拟,分别模拟不同进口流速和含沙量组合条件下渠道内流量、液位及泥沙颗粒分布,并将数值模拟结果与试验结果进行对比分析,计算出各量水设施的流量误差与液位误差。结果表明:采用VOF-DPM模型可以较好地模拟含沙水流在明渠的流态,通过开展不同流量级的流量测试可知,在不同含沙量条件下,巴歇尔槽流量计误差最小(-3%~1%),超声流量计(-4%~3%)和电磁流量计(-9%~2%)量测效果均较好,雷达流量计误差较大(-20%~4%),说明非接触式流量计在高含沙量、大流量的情况下需进一步提高测量精度;超声液位、电磁液位与雷达液位误差均较大,试验中尾部巴歇尔槽壅水以及泥沙在渠道底部淤积是造成较大液位误差的原因之一。