“蒸发悖论”在中国的规律分析

利用全国353个气象站1956-2005年的气象资料,系统分析了过去50年间蒸发皿蒸发量、气温及降水的变化趋势,重点对"蒸发悖论"在中国的规律进行分析,并研究了蒸发皿蒸发量与降水的长期变化趋势的关系。研究结果表明:(1)过去50年间,全国范围内气温增加显著、蒸发皿蒸发量呈下降趋势,总体上存在"蒸发悖论";(2)"蒸发悖论"具有空间上和时间上的不一致,表现在:随着气温增加,东北地区蒸发皿蒸发量呈上升趋势,20世纪80年代中期以后全国范围蒸发皿蒸发量呈上升趋势;(3)过去50年间,降水量变化趋势不明显,降水量与蒸发皿蒸发量变化趋势在空间分布上大体呈逆向关系。

基于HadCM3模式的气候变化下北京地区冬小麦耗水研究

气候变化在影响作物生长及农业生产的同时,也对作物耗水过程发生影响,进而影响能量平衡与水分循环、影响作物耗水及灌溉需水量。本文采用IPCC第四次报告中给出的未来气候变化情景中的COMMIT、SRA1B、SRA2和SRB1,选用大气环流模式HadCM3,利用作物模型CERES,模拟不同的灌溉处理下、不同的预测期内北京地区冬小麦的生长和耗水过程,分析气候变化对冬小麦耗水的影响。结果表明,对于未来气候变化情景下的北京地区冬小麦,生长期内的日平均气温明显升高,辐射下降;生长期缩短,生长期长度与气温存在良好的负相关关系;充分灌溉下产量与腾发量均有不同程度的下降;设定灌溉下产量与腾发量规律不明显;无灌溉下产量与腾发量以下降为主;灌溉需水量有所减少,平均降幅8.4%;产量与耗水量大体上呈正相关关系。

塔里木河下游输水过程的分析与模拟

塔里木河下游已经干涸断流多年,其"绿色走廊"濒临消失。自2000年5月至2001年11月,先后3次实施向塔里木河下游输水,使下游的水文状况得到了改善,生态得到了一定程度恢复。根据塔里木河下游3次应急输水的有关资料,在输水过程的分析与模拟方面进行了研究,重点是第2次输水过程的分析模拟。从流量沿程损失率及水头前进速度出发,模拟了历次输水的流量沿程分布、输水距离、输水历时及输水水量,为评价输水的水文效应及选择适当的输水方案提供了初步依据。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究Ⅰ:模型

本文开展了冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移的耦合研究,建立了可以同时动态模拟冬小麦生长过程与SPAC水热运移过程的动力学模型WheatSPAC模型。模型中,采用有限元差分格式进行土壤水热运移的数值模拟;采用双层模型进行冠层水热运移的模拟;采用改进的Feddes根系吸水模型及负指数分布形式的根系密度模型,实现土壤与冠层的耦合;通过生育阶段、干物质生产、干物质分配等过程的模拟,建立了冬小麦生长的机理性模型;通过对冬小麦叶面积指数、株高、根系分布的模拟,实现冬小麦生长与SPAC水热运移的耦合。

Jensen模型水分敏感指数的新定义及其解法

在总结已有的作物水分生产函数Jensen模型研究工作的基础上,针对以往研究中水分敏感指数与生育阶段划分密切相关的问题,对Jensen模型进行了改造,提出了水分敏感指数的新定义。并在Jensen模型水分敏感指数的累加性分析的基础上,提出了确定Jensen模型水分敏感指数及累积曲线的更为简洁的新方法,新方法得到了田间试验的验证并与传统方法有很好的一致性。

SRA1B情景下中国主要作物需水预测

分析气候变化下中国主要作物需水规律,有助于从粮食安全与水资源可持续利用角度应对气候变化。根据IPCC提供的SRA1B情景下大气环流模式MIROC3.2的输出,利用FAOPenman-Monteith公式计算参考作物腾发量;根据FAO作物系数、SAGE作物分布与柯本气候分类,得到计算单元的作物系数,根据参考作物腾发量与作物系数估算作物需水量;考虑需水与有效降水旬尺度的随机匹配,预测SRA1B情景下未来50年中国各地区主要作物的灌溉需水量。结果表明,参考作物腾发量总体上呈上升趋势,全国平均增加约8%;作物需水量总体上呈增加趋势,东北地区平均增加约10%;灌溉需水量总体上呈增加趋势,东北与华南增加显著。分析表明,SRA1B情景下气温升高是作物需水量增加的主要原因,降水的增加使华北地区灌溉需水量的增加不显著,降水的减少使东北与华南灌溉需水量显著增加。

冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体水热运移的耦合研究II:模型验证与应用

根据北京永乐店试验站的田间试验资料,得出冬小麦生长与土壤-植物-大气连续体(简称SPAC)水热运移耦合的WheatSPAC模型计算需要的土壤参数与冬小麦遗传参数。将模型的计算值与实测值进行比较,表明模型能够较好地模拟叶面积指数、干物质重、土壤水分温度等。利用WheatSPAC模型对不同灌溉条件下的田间水热状况与作物产量进行分析,得到结论:对于北京地区的气候条件,返青后作物蒸腾消耗占净辐射的5 0 %以上;如果返青后墒情较好,在拔节期进行灌溉对冬小麦的最终产量最为有利;如果在拔节之后进行一次灌溉,则灌溉进行得越早对产量越有利;三水以后,随灌溉量的增加,产量的边际效益递减;返青后,降雨与灌溉的总量约2 4

塔里木河干流河道水均衡模型研究

通过对河道水面蒸发量、渗漏量、漫溢量的分析,建立了以月为单位的塔里木河干流河道水均衡模型.该模型以阿拉尔来水量为输入,输出包括干流主要水文站点的水量、各河段的蒸发量、渗漏量、漫溢量等.利用1981—1995年逐月的水文资料进行了模型参数率定,以1996—2000年的水文资料进行了模型验证,结果表明模型具有较好的适应性.利用该模型分析塔里木河干流水资源转化消耗的规律,得出河道漫溢尤其是中游的漫溢是塔里木河干流主要的水量消耗.考虑堤防建设对模型进行了修正,并利用修正后的水均衡模型分析了堤防建设的影响.

基于SPAC理论的田间腾发量计算模式

基于SPAC理论,从能量平衡方程与空气动力学方程出发,提出了根据气象条件、作物长势与土壤表面温湿度估计田间腾发量的计算模式。该方法假定作物叶片表面饱和并进行线性化处理,同时给出土壤表面水汽压的经验表达,通过冠层模型的求解可以分别计算出作物蒸腾量、棵间蒸发量与腾发量。利用土壤水分运动数值计算的结果,验证了该方法的可靠性。此外,还分析了该方法与Penman模式、Shuttleworth-Wallace模式之间的联系。由于模型所需的输入均可以通过常规的田间观测获得,该方法在生产与科研实践中具有一定的应用价值。

位山灌区四水转化模型模拟研究

四水转化模型是认识区域水资源转化消耗规律的重要工具。根据半干旱半湿润区特点对四水转化模型进行改进后应用于位山灌区,得到了地下水实测值的验证。2000年模拟结果表明:降水与引黄是位山灌区的主要水源,水资源供给相对丰富;不同情景下渠系水利用系数对整个灌区的水量平衡影响不显著,地下水开采的增加有助于保证农作物供水,同时引起地下水位下降;引黄水量的减少引起地下水位下降并影响农作物供水。

生态水权的理论与实践

从水权的角度理解生态和环境用水,可以为生态和环境的保护与恢复提供新的研究思路。通过辨析“河流”“河道”与“流域”,“用水”“耗水”与“需水”,“生态”与“环境”等概念,明确了生态水权的内涵。在生态水权的计算方法中,重点介绍了Montana法、湿周法、日本的维持流量及我国的河道内和河道外两类生态和环境需水。结合我国黄河与塔里木河的生态水权问题,提出了包括立法、协议、规划、管理、工程、经济手段在内的实现生态水权的具体途径。

干旱区域地下水的可持续开发利用

内陆干旱地区是生态环境对地下水最为敏感的地区.由于对地下水可开采量的估计偏高,我国西北内陆部分干旱区地下水超采,引起地下水位持续下降,导致土地沙化、生态退化等问题.总结以往研究成果,自然植被正常生长需要的地下水埋深以3～5 m为宜,年耗水量为300～500mm,地下水矿化度＜5g/L.根据对地下水位的观测,分析了严重超采地下水的准噶尔盆地奇台县地下水资源量及可持续利用的地下水可开采量;利用绿洲散耗型水文模型,模拟了塔里木盆地麦盖提县不同灌溉面积、不同地下水开采量下的水资源转化消耗,分析了保证绿洲可持续发展的地下水可开采量;分析表明,在以转化补给为主的干旱地区,实现可持续的地下水开发利用,地下水可开采系数不宜太高,以0.25～0.40为宜.

用于田间作物—水分关系研究的ThuSPAC模型

田间作物水分关系是土壤植物大气连续体 (SoilPlantAtmosphereContinuum ,简称SPAC)理论的重要研究内容。本研究介绍的ThuSPAC(TsinghuaUniversitySPAC)模型 ,包含土壤水热运移 (Soil)模型、冠层 (Canopy)模型、土壤 -植物 -大气连续体 (SPAC)模型、冬小麦生长模拟 (Wheat)模型、冬小麦生长与SPAC水热运移耦合的WheatSPAC模型 5个独立的模型。利用ThuSPAC模型 ,可以根据土壤条件、冬小麦品种参数、气象条件及灌溉条件等 ,动态模拟土壤、冠层中水分温度的分布规律、冬小麦生长过程及最终产量。模型的开发语言为VisualBasic ,界面友好 ,在相关领域的研究中具有广泛的应用前景。

中国主要作物灌溉需水量空间分布特征

作物需水量和灌溉需水量的时空分布是科学地制定不同地区灌溉用水定额的依据。该文基于全国范围200多个气象站近30a逐日的气象资料和不同地区作物生育阶段的调查统计资料,采用FAO推荐的Penman-Monteith方法和作物系数法,计算了30种作物的需水量和净灌溉需水量,并用各地灌溉试验站的实测资料进行了检验。利用GIS的空间分析功能,采用反距离加权插值法得到主要作物多年平均作物需水量与净灌溉需水量的等值线图。选择种植面积最广的小麦、玉米、棉花和水稻4种作物,分析其作物需水量与净灌溉需水量的空间分布特征,得到不同地区主要作物的灌溉需求指数。研究表明:中国东北区、长江中下游区、华南区、川渝区和云贵区平均灌溉需求指数小于0.5,作物对灌溉的需求比较低;华北区、蒙宁区和晋陕甘区旱作物30%～50%的需水靠灌溉补充,水稻55%～80%的需水依靠灌溉;新疆地区主要作物的灌溉需求指数均在0.7以上,农业的发展完全依赖于灌溉。

中国参考作物腾发量时空变化特性分析

分析参考作物腾发量的时空变化特征，有助于了解中国农业及生态需水的分布与演变规律。基于全国范围200多个气象站测站逐日气象观测资料，应用FAO-Penman-Monteith公式，计算得出各站历年逐日参照作物腾发量ET0。利用GIS的空间分析功能，采用反距离空间插值方法得到全国参考腾发量的分布图，统计分析了不同分区不同时段ET0的变化情况。结果表明：西北河西走廊地区和南方岭南地区的参考作物腾发量较大，最大值超过1500mm。而东北黑龙江一带和四川盆地附近，参考作物腾发量较小，在600～700mm之间。此外，夏季ET0的分布特征决定了全年ET0的分布特征。选取4个代表气象站，对其ET0的历年变化及其与气象因素的关系进行了分析。分析表明，受风速减小和气温增加的共同影响，干旱地区、半干旱地区和半湿润地区的参考作物腾发量呈现减少趋势，湿润地区则相对稳定。

水分梯度下黑河流域荒漠植物群落多样性特征

物种多样性对大尺度环境条件的响应是植物生态学的热点问题,干旱区内陆河流域的特殊环境条件如何影响物种多样性仍存在较大的不确定性。以黑河流域荒漠植物群落为对象,探讨了荒漠植物群落α多样性和β多样性对不同水分梯度的响应。结果表明:(1)荒漠植物群落随水分条件不同而变化,在区域降水梯度上,依次分布有梭梭[Haloxylon ammodendron(C.A.Mey.)Bunge]、西伯利亚白刺(Nitraria sibirica Pall.)、毛瓣白刺(Nitraria praevisa Bobr.)、沙蒿(Artemisia desertorum Spreng.)、细枝盐爪爪(Kalidium gracile Fenzl)、珍珠猪毛菜(Salsola passerina Bunge)和尖叶盐爪爪[Kalidium cuspidatum(Ung.Sternb.)Grub.]群落;随距黑河河道距离增加,主要分布有胡杨(Populus euphratica Oliv.)、多枝柽柳(Tamarix ramosissima Lebed.)、花花柴[Karelinia caspia(Pall.)Less.]和红砂[Reaumuria songarica(Pall.)Maxim.]群落。(2)荒漠植物群落物种多样性指数偏低,Margalef指数、Shannon-Weiner指数和Simpson指数最大值仅为0.985、1.641、0.596,群落结构简单,物种组成单一,单寡种优势群落现象极为明显,群落相对稳定。(3)在区域降水梯度上,α多样性指数大致呈先增加后降低的变化趋势,在珍珠猪毛菜群落(190 mm)达到峰值后迅速下降,Srensen相似指数在细枝盐爪爪群落(166 mm)与珍珠猪毛菜群落(190 mm)之间达到最大值,Cody指数相对较小,表明珍珠猪毛菜群落(190 mm)物种丰富度最高,细枝盐爪爪群落(166 mm)与珍珠猪毛菜群落(190 mm)之间β多样性最小,物种更替速率最慢,群落处于较稳定阶段。(4)随距黑河河道距离增加,α多样性指数大体呈"M"型变化,在多枝柽柳群落(1 km)和多枝柽柳群落(4.1 km)存在两个峰值,此处物种多样性相对较高,Srensen指数在1—1.5 km和4.1—4.8 km之间出现两个较小值,Cody指数出现两个峰值,两者之间β多样性最大,为物种更替速率相对较快的过渡地带。对荒漠植被,以重要值为指标计测多样性指数较为可行,荒漠植物群落的物种多样性并不是随水分的增加而直线增加,这对维持和管理荒漠植物群落的多样性具有重要意义。

基于Budyko假设的黄河流域水热耦合平衡规律研究

本文通过对黄河流域内63个子流域的年降水、径流深及实际蒸散发和蒸发能力的分析,证实了基于Budyko假设的流域水热耦合平衡关系是成立的。根据各子流域的长期水量平衡结果拟合并检验了水热耦合平衡模型中的唯一参数,结果显示,该参数具有显著的区域分布规律,黄土高原区平均为3.22,青藏高原区平均为2.27。同时,研究结果表明,模型参数综合反映了流域的下垫面条件,并提出了根据流域相对入渗能力、相对植被-土壤有效蓄水能力和流域平均坡度估算模型参数的经验公式。

干旱区绿洲耗水分析

耗水分析是干旱区平原绿洲水资源配置的基础。干旱区平原绿洲耗水分析的基本方法包括断面法、水量平衡法、四水转化模型、遥感模型等。以新疆叶尔羌平原绿洲为例,应用四种方法,分析了叶尔羌平原绿洲2002年水资源转化及消耗,重点是四水转化模型的分析模拟。四种方法的总耗水量分析结果基本一致,四水转化模型、遥感模型还得到了不同分区、不同土地类型、不同月份的耗水结果。分析表明,叶尔羌平原绿洲社会经济与自然生态耗水比例各占50%,自然生态耗水维持一定水平,水资源配置基本合理。

流域水文过程与植被相互作用研究现状评述

从流域水文过程与植被相互作用规律、流域生态水文模型、流域生态水文对气候变化的响应三个方面,对国内外相关研究现状进行了总结分析。从中发现,当前流域水文学正在从以单一水循环过程为主要研究对象发展成以研究水分、能量与物质耦合循环以及水文过程与生态过程的相互作用等为主要内容的综合性、交叉性学科。现关于流域水文过程与植被之间的关系研究多集中于单向作用的研究,如水文过程对植被的影响研究和植被变化对水文过程的影响研究,而对水文过程与植被之间的反馈机制以及对流域内土壤-植被-大气复杂系统的整体研究不足,缺乏对流域水文过程与植被相互作用机理的全面认识。有研究表明,气候变化已经影响到流域水文过程和植被生长,气候变化下的流域生态水文响应是水文学研究的前沿课题。水文学需要强化对流域生态水文机理的研究,只有在充分揭示流域生态水文机理的前提下,才能预测未来气候变化下的流域生态水文响应。生态最优性原理能够解释植被对外界环境变化的响应,从而被应用于描述植被与水文过程的相互作用。基于生态最优性原理的流域生态水文模型已逐渐成为生态水文学的研究热点之一。

基于PLC控制的室内降雨入渗自动测定系统

在马氏瓶供水进行人工降雨入渗测定方法的基础上,设计了一种以PLC为处理器、触摸屏为人机界面的室内降雨入渗自动测定系统,可实现马氏瓶自动补水、降雨强度自动调节、试验数据实时显示存储及查询。系统测控元件包括马氏瓶及径流瓶中的2个液位传感器,马氏瓶进水口和通气孔处的2个电磁阀,马氏瓶与降雨器间的1个调节阀。PLC实时采集液位传感器的输出信号,通过模/数转换获取记录马氏瓶与径流瓶中的液位值;并根据马氏瓶液位控制电磁阀的开闭实现马氏瓶自动补水;通过改变调节阀输入电流强度实现降雨强度的自动调节。试验表明,系统操作简单、运行稳定,测定结果可以合理反映土壤降雨入渗过程,适用于与土壤有关领域的降雨入渗测定。