渠井用水比例对土壤脱盐与地下水化学特征的影响

【目的】通过研究华北典型井渠结合灌区不同用水模式对区域土壤盐分分布、根层土壤脱盐、地下水化学特征的影响,探讨华北井渠结合灌区适宜的渠井用水比例。【方法】2013—2015年在人民胜利渠灌区选择西三干渠控制范围为典型区域,监测控制范围内降水量、地表水灌溉量、地下水灌溉量、0—100 cm土层土壤含盐量、地下水矿化度,分析不同用水模式对根层土壤盐分洗脱、地下水化学特征的影响。【结果】2013—2015年一支渠、二支渠、三支渠渠井用水比例分别介于0.72—1.03、2.50—2.63、0.65—1.26之间;2013—2015年冬小麦苗期,不同用水模式下0—100 cm土层土壤盐分垂向分布均表现为上高、中低、下高,尤其是0—20 cm土层土壤盐分表聚明显;2013—2015年冬小麦苗期一支渠控制范围内0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS·cm^(-1)面积分别占到控制范围的60.38%、25.99%、41.16%,二支渠控制范围内0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 mS·cm^(-1)面积分别占到控制范围的59.61%、0.94%、8.81%,三支渠控制范围内0—20 cm根层土壤盐分均值大于0.32 m S·cm^(-1)面积分别占到控制范围的84.40%、41.87%、52.49%,表明渠井用水比例与支渠控制范围内表层土壤含盐量大于0.32mS·cm^(-1)的面积呈负相关;对比2013年同期,2014年典型区内0—20 cm土壤脱盐率介于15.61%—25.85%,2015年典型区内0—20 cm土壤脱盐率介于13.33%—23.15%;不同渠井用水比例典型区域地下水水化学特征均表现为:地下水中阳离子由枯水期钙钠型转化为平水期的钠钙型,平水期地下水水文化学相具有强烈的碱化趋势,特别是平水期二支渠地下水溶解性总固体增幅分别为一支渠、三支渠的1.23、3.48倍,表明较大渠井用水比例地表水灌溉驱动了根层土壤脱盐,增加了地下水中可溶性盐分浓度;对比2014年平水期,2015年同期一支渠、二支渠和三支渠控制范围地下水钠吸附比分别降低了23.58%、36.82%和55.47%,且区域地下水钠吸附比均低于18分级值。【结论】综合2013—2015年0—100 cm土层土壤脱盐率、地下水化学特征变化,在华北典型井渠结合灌区采用较大的渠井用水比例可以促进耕层土壤的脱盐、抑制土壤盐分表聚,同时短期内改善地下水环境。

井渠结合灌区地下水动态预报及适宜渠井用水比分析

以陕西泾惠渠井渠结合灌区为例,根据灌区多年降雨量、渠灌用水量、井灌用水量资料及渠井灌溉用水量的比值,利用多元非线性相关分析法建立了灌区地下水动态预报的数学模型。对减少渠灌用水量增加井灌用水量、增加渠灌用水量减少井灌用水量、渠灌与井灌用水量合理比值3种情况下地下水动态进行了预测,提出了适宜的渠井用水比例。为灌区地下水合理开采和灌溉水资源优化配置提供依据。

人民胜利渠灌区水资源高效利用调控技术研究

在分析总结近几年灌区水资源高效利用调控理论与技术发展的基础上,提出适用于人民胜利渠灌区水资源的调控技术方案:作物种植结构调整和井渠用水比例调整,并建立引黄灌区地表水-地下水联合优化调度模型,定量分析其引、用、耗水关系及地下水变化规律。结果表明,人民胜利渠灌区通过采用作物种植结构调整和井渠灌水比例调整,从节水、经济、生态等方面均可以达到高效利用水资源的目的。

种植结构变化下渠井结合灌区用水优化配置研究

本文以Visual Modflow软件为平台,建立了惠农渠井结合灌区地下水模拟模型,确定了降雨入渗补给量、不同种植结构的各种作物节水灌溉制度及灌溉入渗补给量、渠道入渗补给量、潜水蒸发量和地下水开采量,率定和验证了水文地质参数,模拟计算的地下水埋深与实测的地下水埋深相关系数较高,说明渗透系数(k)、给水度(sy)取值合理。通过惠农渠井结合灌区地下水模拟模型和线性规划模型计算分析得出最优渠井用水比为2.1,作物种植比例为0.9,灌区经济效益最大为1 205万元,为灌区节水技术改造提供了理论依据。

基于GMS的渠井结合灌区适宜渠井用水比例研究

为实现泾惠渠灌区地下水多年动态平衡,确定适宜的灌溉渠井用水比例,运用GMS中MODFLOW模块建立了月尺度的地下水数值模型;结合灌区地下水位年内变化特征、各灌季农灌用水情况和"丰蓄枯补,渠井结合"的原则,对3种代表年分别设置3种灌季渠井用水方案,并进行模拟比较。结果表明,平水年冬、春、夏灌季和全年渠井用水比例分别为2.1、1.8、0.7、1.36时,能使地下水位大致稳定且实际中较为可行;丰水年冬、春、夏灌季和全年渠井用水比例分别为2.3、2.0、1.1、1.64时,地下水能得到补充;枯水年冬、春、夏灌季和全年渠井用水比例分别为1.8、1.9、0.6、1.14时,地下水位下降较少。灌区的夏灌渠井用水比例对全年渠井用水比例影响最大,应尽可能提高夏灌渠井用水比例,实现地下水位的稳定或小幅上升。研究结果为灌区水资源的高效利用及水位恢复提供了参考依据。

井渠灌区地下地表水耦合模拟及用水配置研究

针对宁夏惠农区渠井用水比例失调,导致地下水越过适宜埋深造成次生盐渍化的问题。选择惠农区李岗村为试验区,在概化试验区水文地质条件,建立了水文地质概念模型,采用双重节点方式对地表水地下水模型进行耦合,在每个时间段对两者进行联立同时求解,通过HydroGeoSphere进行模型的计算求解,率定和验证模型中的水文地质参数。并通过建立的模拟模型,适时调整用水比例,得到在生态安全埋深下,渠井用水最优比例。

基于地下水均衡的灌区合理渠井用水比例

基于地下水均衡模型，分析了陕西泾惠渠灌区不同频率典型年的地下水均衡状况，结果表明降水入渗补给、渠系渗漏及田间灌溉入渗补给、井灌回归补给是灌区地下水的主要补给源，占总补给量的82．89％～85．99％；而人工开采是灌区地下水的主要排泄途径，农灌地下水开采量、人畜和工业用水开采量占总排泄量的69．7％-72．86％．以2010年为现状基准年，2020年为规划水平年，结合灌区发展规划，设置了4种不同的灌区发展情景模式，运用所建立的地下水均衡模型计算了不同情景模式下的地下水位埋深，其变化范围为0-0．07m；以地下水位变幅最小为准则，得出了不同频率典型年合理的渠井用水比例范围为1．49～1．53，从而为灌区地下水资源的高效持续利用提供了依据．

基于农户灌溉用水模型的渠井结合灌区渠井用水比例研究

为应对变化环境下农业用水供需矛盾日益突出的挑战,确定渠井结合灌区适宜的渠井用水比例,实现渠井结合灌区地下水多年动态平衡和生态系统的可持续发展。采用半结构化访谈的方式在典型渠井结合灌区——陕西省宝鸡峡灌区进行了大量田间调查,获取了作物种植类型、产量和种植成本,灌溉水源选择、灌溉用水量等基础数据,并将观察到的农户灌溉行为概念化和程序化,将农户灌溉用水行为与作物根区水文过程进行耦合,开发了一个具有物理机制的农户灌溉用水模型,模拟了不同渠井灌溉用水比例对地下水位动态、作物产量和农户生计的影响。模型在典型区域应用的纳什效率系数为0.58,表明模型可以用来模拟渠井结合灌区的地下水位。结果表明:若要维持灌区地下水位稳定和地下水采补平衡,塬上灌区丰、平、枯水年的渠井用水比例应分别为2∶98、28∶72、30∶70,塬下丰、平、枯水年的渠井用水比例应为全井灌(0)、28∶72、29∶71。考虑丰蓄枯补原则,丰水年塬上灌区和塬下灌区的渠井用水比例分别为10∶90和17∶83时,地下水位可上升2 m;枯水年塬上灌区和塬下灌区的渠井用水比例分别为21∶79和13∶87时,地下水位可下降2 m。仅改变渠井用水比例时作物产量不变,且井灌比例增加时亩均净收入略有下降。开发的农户灌溉用水模型可以用来模拟渠井结合灌区的农户灌溉用水对地下水的影响,并可以量化渠井用水比例对地下水位、作物产量和农户生计的影响,可以确定不同水平年塬上、塬下灌区适宜的渠井用水比例,为灌区地表水地下水联合高效安全利用提供强有力的技术支撑。

基于模拟优化模型的渠井结合灌区多目标水资源优化配置

为协调渠井结合灌区灌溉经济效益、灌溉用水效率、作物缺水、地下水可持续利用和渠系配水公平度5个目标,确定各作物合理的灌溉用水量与适宜的渠井用水比例。采用基于Python开发的MODFLOW模块FloPy构建地下水数值模拟模型,在此基础上采用优化框架Pymoo中的NSGA-Ⅲ算法构建了紧密耦合的灌区多目标水资源优化配置模拟优化模型,获得了一个假想渠井结合灌区的多目标水资源优化配置方案。结果表明:与57个非劣解集的平均值相比,经济效益最优方案,经济效益高1.10%;地下水可持续利用方案中地下水平均累计降深低4.52%;作物缺水量最小方案中缺水量低14.25%;配水公平度最高方案中公平度高32.84%;用水效率最高的方案中用水效率高19.72%;采用博尔达计数规则优选出的最优方案中,经济效益高0.14%,地下水平均累计降深低4.49%,缺水量低0.15%,用水效率高16.90%,但用水公平度低52.2%。基于模拟优化模型通过调整渠井用水比例和灌溉水量来进行渠井结合灌区多目标水资源优化配置,并采用博尔达计数规则确定最优配置方案,可为灌区地表水地下水可持续安全高效利用,地下水取水总量和地下水水位双控提供强有力的技术支撑。

基于支持向量机的井渠结合灌区地表水地下水合理配置

地表水和地下水的合理配置是井渠结合灌区实现水资源优化,合理调控地下水位的重要途径。以陕西省泾惠渠地下水位变化的主要影响因素为输入变量,以当年平均地下水位为输出变量,建立了基于支持向量机的地下水位动态模拟模型,模拟不同水文年不同渠首引水量和地下水开采量等17种组合情景的地下水位及其变幅,并以多年采补平衡为地表水地下水合理配置的目标。结果表明,丰、平、枯不同水文年的井渠用水比分别为0.3~0.4、0.2~0.3、0.44~0.55时,可实现灌区地下水多年采补平衡。