基于系统动力学的青铜峡灌区农业用水效率调控研究

【目的】提出青铜峡灌区合理有效的节水政策。【方法】基于作物蒸发蒸腾量,计算青铜峡灌区主要粮食作物的蓝水足迹、绿水足迹,建立青铜峡灌区农业用水效率系统动力学模型,研究青铜峡灌区内的农业用水效率,对其水资源利用效率的可变影响因素进行调控。【结果】青铜峡灌区的农业种植需水来源主要是灌溉水,形成了以蓝水为主、绿水为辅的生产用水格局,同时当作物需水量被满足时,蓝水足迹和绿水足迹表现出相反的变化趋势;在保证青铜峡灌区内粮食作物蓝水用水量不变的前提下,选取绿水利用系数和灌溉水利用系数为主要参数对模型进行仿真模拟,当绿水利用系数从0.7增加为0.8时,2020年小麦产量增加了0.27万t,水稻产量增加了0.2万t,玉米产量增加了0.55万t;当灌溉水利用效率增加10%时,2020年小麦产量增加了0.47万t,水稻产量增加0.35万t,玉米产量增加0.77万t;当绿水利用系数和灌溉水利用系数同时增加时,2020年小麦产量增加0.75万t,水稻产量增加0.55万t,玉米产量增加1.32万t。【结论】青铜峡灌区农业种植用水应增加对绿水的利用率,通过各种工程或非工程措施提高灌区内的农业用水效率。

基于阈值特征-机器学习的青铜峡灌区多年种植结构识别

【目的】基于阈值特征-随机森林算法对青铜峡灌区多年种植结构进行识别。【方法】以青铜峡灌区为研究对象,在实地调研和目视解译的基础上,基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine)平台,采用阈值特征-随机森林方法识别2013—2020年青铜峡灌区主要粮食作物(春小麦、春玉米、水稻)的种植结构。【结果】阈值特征-随机森林算法能够用于干旱灌区多年种植结构识别,总体分类精度为0.88,Kappa系数为0.76。春小麦、春玉米、水稻的遥感提取面积与统计种植面积之间的线性拟合决定系数(R2)分别为0.80、0.93和0.86;2013—2020年作物种植面积由大到小分别为春玉米>水稻>春小麦,春玉米种植面积呈持续上升趋势,春小麦种植面积呈先升高后下降的变化趋势,水稻种植面积呈下降趋势;春玉米主要集中在灌区的北部和南部,种植区域呈南移趋势;春小麦主要集中在灌区的中部和南部,水稻主要集中在灌区中部地区,种植区域呈向北迁移的趋势。【结论】阈值特征-随机森林算法能够较好地适用于干旱灌区多年种植结构的识别,为长时间序列种植结构识别提供了新方法和思路。

宁夏青铜峡灌区冬灌对冻融期土壤水热盐分布及作物生长影响

[目的]研究冬灌和冻融条件下土壤水热盐的再分布规律及其对作物生长的影响,为防治土壤盐渍化和保障粮食安全提供科学依据。[方法]基于宁夏青铜峡灌区2018年10月25日至2020年10月3日试验田实测气象、土壤理化指标和作物生长数据,采用统计分析及可视化方法对冬灌与非冬灌区农田水热盐的运移规律及作物生长情况进行对比分析。[结果]青铜峡灌区土壤温度变化滞后于气温变化,土壤浅表层温度受气温变化影响更显著。土壤从表面开始逐渐向下冻结,冻结深度随着气温的降低不断加深,消融期土壤冻结层从表层和底部同时进行消融,整个土壤冻融期共历时98 d。农田灌溉后含水率显著增高,冻结期灌溉降低各土层土壤温度0.1~1.1℃。冬灌农田不同深度土层土壤温度变化趋势和含水率变化特征与非冬灌区农田基本一致。冬灌后各土层盐分含量均下降,其中0—30 cm土层土壤盐分显著下降,但冻融期后冬灌农田土壤出现返盐现象。冬灌农田相较于非冬灌农田,小麦植株较高,玉米生长发育速度较快,小麦增产20.64%,玉米增产4.20%。[结论]青铜峡灌区冬灌明显改变了土壤水热盐的分布规律,可以有效降低土壤盐分,促进作物生长和增产,特别是明显提高小麦产量。

青铜峡灌区排水沟—地下水水化学特征及转换关系分析

【目的】分析青铜峡灌区浅层地下水与排水沟的水化学和同位素特征,揭示地表水与地下水之间的转换。【方法】综合运用数理统计、Gibbs模型、Piper图、Schoeller图、阳离子交替吸附作用图等方法,系统分析排水沟水及周围浅层地下水的水化学特征,探讨排水沟与周围浅层地下水的转化关系。【结果】排水沟水总体呈弱碱性或碱性,TDS在休灌期大于灌期;浅层地下水TDS在休灌期和灌期差别不大,但都明显大于排水沟。排水沟和浅层地下水阳离子:Na+>Ca^(2+)>Mg^(2+)>K+,阴离子:Cl->SO_(4)2->HCO_(3)-。排水沟附近的浅层地下水离子浓度垂向上的差异大于水平方向上的差异。排水沟和浅层地下水的δ^(18)O和δD在灌期和休灌期差异都不明显,30 m深度浅层地下水同位素贫化明显。【结论】排水沟与浅层地下水的水化学组分受蒸发浓缩和岩石风化作用的控制,同时受混合作用和离子交换作用影响,浅层地下水比排水沟受离子交换作用更加显著。灌区南部浅层地下水更靠近岩石风化控制区,中部和北部样点更靠近蒸发浓缩控制区。灌区内排水沟排泄地下水和补给地下水两种模式同时存在,排水沟主要排泄灌溉退水,灌溉退水比例平均值达到81.54%,而部分排水沟不仅没有能够排水,还成为附近浅层地下水的重要补给来源,补给比例最高达到84.62%。

基于指示克里格的青铜峡灌区土壤盐渍化风险与潜水埋深和矿化度关系研究

为探究青铜峡灌区土壤盐渍化风险及其与潜水位埋深和矿化度关系,综合运用GIS和非参数地质统计学的指示克立格法,研究了2018、2019两年4月份春灌前0~20、20~40和40~60 cm深度土壤全盐量,潜水位埋深、潜水矿化度空间变异性,并分析满足一定阈值条件的概率分布图及其相互关系。结果表明:(1)青铜峡灌区土壤全盐量、潜水位埋深、潜水矿化度的变异系数均大于1,都属于强变异;频率分布呈现明显的“高顶”现象。(2)青铜峡灌区不同深度不同阈值土壤全盐量的指示半方差函数符合球状模型、指数模型、高斯模型等不同类型。潜水位埋深的指示半方差函数符合指数模型。潜水矿化度阈值为1.0和2.0 g/L时指示半方差函数符合指数模型,阈值为2.5和3.0 g/L时指示半方差函数符合高斯模型。不同阈值条件下的土壤全盐量和潜水位埋深呈中等~较强的空间自相关,潜水矿化度表现出较强的空间自相关。(3)青铜峡灌区0~20 cm深度土壤发生轻度、中度、重度盐化和盐土化的高概率区占灌区总面积的92.38%、73.71%、51.83%、24.61%;20~40 cm深度比例为92.15%、50.21%、6.87%、0.53%;40~60 cm深度比例为89.16%、43.06%、6.09%、0.46%。潜水位阈值为1.5、2.0、2.5、3.0 m时高概率区占灌区总面积的13.42%、30.25%、41.87%、65.18%。潜水矿化度阈值为1.0、2.0、2.5、3.0 g/L时高概率区面积占灌区总面积的59.13%、55.22%、33.76%和31.96%。随着阈值增加,高概率区面积均明显较少。(4)青铜峡灌区土壤发生中度和重度盐渍化时的潜水临界埋深为2.0 m,潜水临界矿化度分别为2.0 g/L。研究获取的综合指示概率分布图和概率风险评价对青铜峡灌区土壤盐渍化防治具有指导意义,可为土地资源高质量保护和利用提供参考。

基于青铜峡灌区的土地利用数据源适用性研究

快速准确地获取灌区土地利用信息是进行农作物精细分类、土壤墒情监测、作物长势监测以及作物估产的前提。本文以我国宁夏回族自治区青铜峡市的青铜峡灌区为研究对象,以高分一号(GF1-WFV)影像、高分六号(GF6-WFV)影像以及Sentinel-2数据为数据源,对比分析三类影像数据的建模精度,选取精度最高的一类影像并基于决策树方法进行土地利用信息提取,将土地利用类别划分为作物覆盖农田、裸露农田、水体、田间道路和建筑物五类。结果显示:高分六号(GF6-WFV)数据建模精度最高,三层时模型精度98.98%,验证精度100%;高分一号(GF1-WFV)数据建模精度最低,三层时模型精度95.92%,验证精度92.86%;高分六号(GF6-WFV)与Sentinel-2对比,波段数量以及红边波段的设置对信息的提取起到的作用强于分辨率,在波段信息相同的情况下,分辨率对提取的精度影响明显。

青铜峡灌区氮素流失试验研究

针对农业非点源污染氮素流失难以监测控制的具体特点,基于单元负荷分析,提出了负荷贡献率的概念,并在此基础上,建立了灌区氮素流失估算模型;利用青铜峡灌区2005—2006年灌溉周期灌排水质监测试验资料,对灌区年氮素流失总氮、硝氮和铵氮流失3种形态进行了估算。结果表明,青铜峡灌区年流失总氮4.11×104t、硝氮2.85×104t、铵氮0.55×104t,铵氮和总氮分别是黄河干流区间点源污染负荷的0.28、1.52倍,对黄河干流水质影响较大。

青铜峡灌区水稻田三氮变化特征试验研究

以宁夏青铜峡灌区水稻田三氮(总氮、氨氮、硝氮)作为研究对象,从田间运移、土壤剖面中的变化以及在排水沟内受到的消解作用方面进行了分析。结果表明:(1)水稻田间,排水中总氮浓度大于其在引水中浓度;5、6月份田间积水中总氮浓度小于其在引水、排水中浓度,7、8月份刚好相反。引水中氨氮浓度小于其在田间积水、排水中浓度。5—7月排水中硝氮浓度>其在引水中浓度>其在田间积水中浓度,8月份变化没有明显规律。(2)土壤剖面中0～20cm土层三氮含量最高,随着土壤剖面加深,呈递减趋势,总氮在灌溉后的含量高于灌溉期间,氨氮、硝氮灌溉后的含量低于灌溉期间。(3)排水沟内三氮均受到消解作用,消解幅度呈氨氮>总氮>硝氮的趋势,且与植被覆盖度、沟道长度、水流速度等因素关系密切。

青铜峡灌区水土资源平衡分析的探讨

本文根据青铜峡灌区四水转化的特点和灌区规划的要求 ,提出灌区节水改造规划的水土资源平衡应进行水资源的 3个平衡分析 ,即水资源供需平衡分析 ,引水、耗水与排水平衡分析 ,水资源耗水平衡分析 .水资源的 3个平衡分析的目标与内容不同 ,但科学基础与依据都是灌区的四水转化关系 .

宁夏青铜峡灌区水土盐量的衰减和积聚进程分析

本文以青铜峡灌区的水、土盐量监测资料为依据,分析了土壤、潜水和引排水盐量的演化进程,计算出灌区40年总计净引入黄河水1257 7亿m3,年均净引入水量为31 4亿m3,水土总计排出5254 9万t有害盐量,积聚了769 3万t无害盐量。灌区内适用于农业灌溉的潜水和非盐渍化土的分布范围区显著扩大,标志着水土朝向脱盐淡化的方向演化。

宁夏青铜峡灌区水土化学场演化态势初步分析

本文以研究区翔实的水土化学多年动态测试资料为依据 ,勾划了 3个时段 9个化学参数值分布的系列图表 ,揭示了水土化学时空演化的规律性 ,以及两者演化联动的异同性。指出灌区水土经历了脱盐淡化的进程 ;由于地下水位居高不下 ,次生盐渍化仍在发生 ,减少引黄灌溉水量和降低地下水位才能确保土壤朝向脱盐良性循环发展 ;提出引用黄河水量、开发地下水和回用沟排水的多源灌溉 ;发展农、林、牧、果多种经济 ,提倡生态农业 。

宁夏青铜峡灌区引退水规律研究

针对宁夏青铜峡灌区的引水和退水规律问题,采用数理统计和时间序列的方法,对青铜峡灌区引、退水的年内、年际变化规律以及长期变化趋势进行了研究,结果发现引、退水在年内呈周期性季节性变化,年际间上下波动,在近期内呈下降趋势,年引水量和退水量时间序列是年际间相互关联的非平稳时间序列。

基于GN-BFGS算法的青铜峡灌区退水量预测

分析了神经网络的GN-BFGS学习算法的基本工作原理及其方法,并利用该方法建立了宁夏青铜峡灌区退水量预测模型。预测结果表明:用该算法建立的干旱区灌区退水量预测模型具有良好的预测效果。

宁夏青铜峡灌区年退水量时间序列预测模型研究

针对宁夏青铜峡灌区年退水量预测问题,采用时间序列方法分析了灌区年退水量特性,建立了预测模型,结果发现青铜峡灌区年退水量在年际间相互关联,其时间序列是一个非白噪声非平稳时间序列,一阶差分序列是一个非白噪声平稳序列,建立了ARIMA年退水量时间序列模型,模型模拟的平均相对误差为5.66%,预测的相对误差在5%以内,精度较高,可以用于灌区退水量的预测。

青铜峡灌区水循环主要因子及演变规律研究

当前灌区水循环演变规律研究已经成为研究区域水循环过程的热点。选取蒸散量、降水量、引水量和排水量等对地下水系统有直接影响的因子,分析其变化趋势,对于查明青铜峡灌区水循环因子的演变规律,缓解各种水问题至关重要。结果表明:从2000年以后,青铜峡灌区蒸散量、引水量、排水量明显减少。原因是从2000年开始,青铜峡灌区开展了续建配套与节水改造工程,提高了水资源的利用率。

青铜峡灌区“资源型”真实节水量估算研究

从灌区水资源角度出发,提出灌区"资源型"真实节水量估算方法,分析计算了青铜峡灌区综合节水措施作用下的取水节水量和资源型真实节水量.计算得出,青铜峡灌区取水节水量为13.23亿m3,"资源型"真实节水量为6.54亿m3,相当于灌区取水节水量的49.43%.结果表明:在节水条件下,衡量青铜峡灌区的节水效果宜采用"资源型"真实节水量,因为只有"资源型"真实节水量才是有意义的.

宁夏青铜峡灌区对黄河盐分影响研究

宁夏青铜峡灌区引黄灌溉的基本特点是大引大排,该用水模式不仅对黄河水资源造成浪费,而且对黄河水质也产生较大影响。以青铜峡灌区20世纪60年代以来的引黄水盐资料,以及青铜峡和石嘴山断面的水质监测数据为基础,定量分析、计算了黄河流经青铜峡灌区后的盐分变化情况,结果表明：离子总量、有害离子总量、各类阳离子、有害阳离子、各类阴离子、有害阴离子浓度都明显上升;20世纪60~90年代的40年间,黄河从该灌区获得有害盐量为5 254.9万t。

青铜峡灌区引黄用水与地下水位响应关系分析

分析青铜峡灌区引黄用水与地下水位响应关系,对于查明影响地下水位变化的关键因子并采取措施,缓解土壤盐碱化对农业生产的影响,维持灌区可持续发展及灌区生态健康和环境友好至关重要。本文通过分析灌区地下水位动态变化及与引黄用水的响应关系,得出青铜峡灌区年内地下水埋深与引黄水量存在着密切的负相关关系,说明灌区引黄水量变化是地下水位变化的主要原因之一。

青铜峡灌区冬季储水灌溉越冬期土壤水分变化

针对冬季储水灌溉问题,通过2012年越冬期的大田田间试验,采用称重法和TDR法测定土壤总含水量和冻土液态含水量,分析了青铜峡灌区在同一灌溉定额、不同农田处理措施条件下,冬季储水灌溉对越冬期农田土壤水分变化和农田土壤储水量的影响。结果表明:免耕覆盖能够提高土壤含水量、保持农田土壤水分;整个越冬期不同农田处理措施的土壤总含水量变化不大,冬灌的土壤剖面水分可以持续到翌年春播之前。

垂直铺膜防渗技术在青铜峡灌区的试用及分析

宁夏青铜峡引黄灌区首次应用垂直铺膜防渗技术 ,为北方高寒地区解决渠道防渗及冻害问题 ,做了较为详细的论证及观测分析 ,认为垂直铺膜防冻能力强 ,对西北季节性冻土区有很强的适应性 ,供类似工程借鉴。