華北平原在限水和咸水灌溉及噴灌情景下作物水分生產力的模擬與深層地下水壓采量的估算

目錄
第1章 緒論 1
1.1 研究背景和意義 2
1.2 研究進展概述 6
1.2.1 研究區(qū)及其毗鄰地區(qū)冬小麥限水灌溉的田間試驗進展概述 6
1.2.2 研究區(qū)內冬小麥咸水灌溉的田間試驗進展概述 7
1.2.3 研究區(qū)及其毗鄰區(qū)域冬小麥噴灌的田間試驗進展概述 10
1.2.4 農業(yè)水文模型SWAP（或SWAP-WOFOST）在國內外的應用研究進展概述 11
1.3 研究目標和研究內容與技術路線 18
1.3.1 研究目標 18
1.3.2 研究內容與技術路線 19
第2章 材料與方法 25
2.1 研究區(qū)概況 26
2.1.1 行政區(qū)劃和所選擇的試驗站 26
2.1.2 氣候與氣象 27
2.1.3 土壤 27
2.1.4 地形地貌 31
2.1.5 土地利用 31
2.1.6 種植制度與種植結構 33
2.1.7 用水結構和噴灌概況 34
2.2 SWAP-WOFOST模型的簡介 38
2.2.1 土壤水分運動 38
2.2.2 土壤鹽分運移 38
2.2.3 降水截留和蒸散 39
2.2.4 作物生長 42
2.2.5 灌溉 44
2.2.6 下邊界條件 46
2.3 參數(shù)敏感性分析與率定及驗證 46
2.3.1 參數(shù)敏感性分析的方法 46
2.3.2 參數(shù)敏感性分析的步驟 47
2.3.3 站點尺度參數(shù)率定與驗證及區(qū)域尺度模型驗證的步驟 56
2.3.4 率定方法 58
2.3.5 模擬精度的評價指標 59
2.4 SWAP-WOFOST模型中分布式模擬單元的構建與模擬時段的選擇 59
2.4.1 氣象數(shù)據(jù)及其分區(qū) 60
2.4.2 土壤水力參數(shù)及其分區(qū) 60
2.4.3 土壤鹽分運移參數(shù)及其分區(qū) 61
2.4.4 土壤剖面初始鹽分及其分區(qū) 61
2.4.5 作物參數(shù)及其分區(qū) 61
2.4.6 作物的播種和收獲時間及其分區(qū) 62
2.4.7 灌溉制度及其分區(qū) 62
2.4.8 模擬剖面下邊界和土壤初始含水量及其分區(qū) 63
2.4.9 淺層地下水礦化度及其分區(qū) 64
2.4.10 耕地與非耕地的分區(qū) 65
2.4.11 水資源的分區(qū) 65
2.4.12 縣（市）域的分區(qū) 65
2.4.13 模擬時段的選擇 66
2.5 限水灌溉情景的設置和模擬分析及評估 69
2.5.1 冬小麥限水灌溉模擬情景的設置 69
2.5.2 冬小麥灌水時間的推薦原則 71
2.5.3 冬小麥灌溉模式的優(yōu)化 72
2.5.4 農田節(jié)水量及深層地下水壓采量的估算思路 73
2.6 咸水灌溉情景的設置和模擬分析及評估 76
2.6.1 冬小麥咸水灌溉模擬情景的設置 76
2.6.2 適宜的咸水灌溉模式的求解 77
2.6.3 適宜的咸水灌溉模式與咸水資源匹配性的評估及深層地下水壓采量的估算 79
2.7 噴灌情景的設置和模擬分析及評估 80
2.7.1 冬小麥噴灌模擬情景的設置 80
2.7.2 農民凈收益變化的估算思路 82
2.7.3 在冬小麥生育期3種灌溉定額下灌溉方式的選擇 84
2.7.4 冬小麥噴灌模式的優(yōu)化與評估及深層地下水壓采量的估算 86
第3章 參數(shù)敏感性分析與率定及驗證的結果 89
3.1 參數(shù)的敏感性 90
3.1.1 土壤水分運動與鹽分運移模塊的參數(shù) 90
3.1.2 作物（冬小麥）生長模塊的參數(shù) 92
3.1.3 作物（夏玉米）生長模塊的參數(shù) 93
3.2 試驗站點尺度的參數(shù)率定與驗證 96
3.2.1 土壤水力參數(shù) 96
3.2.2 土壤鹽分運移參數(shù) 96
3.2.3 冬小麥參數(shù) 96
3.2.4 夏玉米參數(shù) 98
3.3 區(qū)域尺度的模型驗證 105
3.3.1 作物產量 105
3.3.2 農田蒸散量 107
3.3.3 作物水分生產力 108
3.4 小結 109
第4章 限水灌溉情景的模擬分析與評估的結果 111
4.1 限水灌溉情景模擬結果的分析 112
4.1.1 作物產量 112
4.1.2 作物生育期農田蒸散量 118
4.1.3 作物水分生產力 120
4.1.4 水量平衡 125
4.2 灌水時間推薦結果的分析 129
4.2.1 灌水3次 129
4.2.2 灌水2次 131
4.2.3 灌水1次 132
4.3 基于模擬結果優(yōu)化的灌溉模式 135
4.4 優(yōu)化的灌溉模式下的農田節(jié)水量及深層地下水壓采量 144
4.5 小結 149
第5章 咸水灌溉情景的模擬分析與評估的結果 153
5.1 咸水灌溉情景模擬結果的分析 154
5.1.1 作物產量 154
5.1.2 作物生育期農田蒸散量 158
5.1.3 作物水分生產力 161
5.1.4 水量平衡 164
5.1.5 鹽分的平衡和分布及淋洗 166
5.2 適宜的咸水灌溉模式 181
5.3 適宜的咸水灌溉模式與咸水資源的匹配性及對深層地下水的壓采量 183
5.4 小結 185
第6章 噴灌情景的模擬分析與評估的結果 187
6.1 噴灌情景模擬結果的分析 188
6.1.1 作物產量 188
6.1.2 作物生育期農田蒸散量 193
6.1.3 作物水分生產力 197
6.1.4 水量平衡 199
6.1.5 農民凈收益的變化 203
6.2 選出的灌溉方式 207
6.3 優(yōu)化的噴灌模式及其對深層地下水的壓采量 213
6.4 小結 218
第7章 結論與討論 221
7.1 主要結論 222
7.2 討論 227
7.2.1 研究工作的特色 227
7.2.2 研究工作的局限性 232
參考文獻 234
附錄 249
致謝 320
圖目錄
圖1.1 在研究區(qū)應用SWAP-WOFOST 模型開展參數(shù)的敏感性分析和率定及模型驗證的技術路線圖 20
圖1.2 在研究區(qū)應用SWAP-WOFOST 模型開展限水灌溉情景的模擬分析與評估的技術路線圖 21
圖1.3 在研究區(qū)應用SWAP-WOFOST 模型開展咸水灌溉情景的模擬分析與評估的技術路線圖 23
圖1.4 在研究區(qū)應用SWAP-WOFOST 模型開展噴灌情景的模擬分析與評估的技術路線圖 24
圖2.1 研究區(qū)的地理位置圖（a）及其所包含的53個縣（市）和6個試驗站在空間上的分布（b） 26
圖2.2 研究區(qū)中各氣象分區(qū)內冬小麥（a）和夏玉米（b）在生育期的降水量與降水超過概率 28
圖2.3 研究區(qū)及其毗鄰地區(qū)的國家基本氣象站在模擬時段內（1993～2012年）的降水量和參考作物蒸散量的月動態(tài) 28
圖2.4 研究區(qū)內0～10 cm（a）、10～20 cm（b）、20～30 cm（c）、30～70 cm（d）和大于70 cm（e）土層的質地三角圖 29
圖2.5 研究區(qū)內5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中12種質地的每種質地在各層的分布面積占研究區(qū)面積的比例 30
圖2.6 研究區(qū)內5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中各層的體積密度在不同范圍內的分布面積占研究區(qū)面積的比例 30
圖2.7 研究區(qū)內0～200 cm土壤的有效水容量的空間分布（a）和5層土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～70cm和大于70 cm）中各層的田間持水量與萎蔫系數(shù)在不同范圍內的分布面積占研究區(qū)面積的比例（b） 30
圖2.8 研究區(qū)內數(shù)字高程（a）和地貌類型（b）的空間分布 31
圖2.9 研究區(qū)在1990年（a）、1995年（b）、2000年（c）、2005年（d）和2010年（e）的土地利用類型圖 32
圖2.10 研究區(qū)內在1995年（a）、2000年（b）、2005年（c）和2010年（d）主要農作物的播種面積占農作物總播種面積的比例 34
圖2.11 1995～2012年研究區(qū)內主要糧食作物的播種面積占糧食作物總播種面積的比例 34
圖2.12 1999年研究區(qū)內各縣（市）及其所屬地區(qū)中農業(yè)、生活和工業(yè)的用水量占總用水量的比例 35
圖2.13 1999年研究區(qū)內各縣（市）及其所屬地區(qū)的總用水量中來源于地表水和地下水的比例 36
圖2.14 京津以南河北平原深層地下水一般超采區(qū)和嚴重超采區(qū)的空間范圍 37
圖2.15 研究區(qū)內分布式模擬單元構建的框架圖 67
圖2.16 研究區(qū)內各縣（市）1999年農業(yè)用水量中地表水、淺層地下水和深層地下水所占比例的估算思路 74
圖2.17 估算的1999年研究區(qū)各縣（市）農業(yè)灌溉用水量中地表水、淺層地下水和深層地下水所占比例 75
圖2.18 在研究區(qū)內設置的咸水灌溉模擬情景 77
圖2.19 設置的研究區(qū)在冬小麥生育期內的固定的噴灌情景（a）和預設的噴灌情景（b） 82
圖3.1 在6個試驗站土壤水分運動-鹽分運移模塊參數(shù)的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數(shù)及其排序 91
圖3.2 在6個試驗站冬小麥參數(shù)的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數(shù)及其排序 93
圖3.3 在6個試驗站夏玉米參數(shù)的一階敏感性（a）和全局敏感性（b）的指數(shù)及其排序 95
圖3.4 6個試驗站在參數(shù)率定階段土壤含水量（a）、土壤鹽分濃度（b）、冬小麥的葉面積指數(shù)（c）、冬小麥的地上部生物量（d）、冬小麥產量（e）、夏玉米的葉面積指數(shù)（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米產量（h）的模擬值與實測值對比 99
圖3.5 6個試驗站在參數(shù)驗證階段土壤含水量（a）、土壤鹽分濃度（b）、冬小麥的葉面積指數(shù)（c）、冬小麥的地上部生物量（d）、冬小麥產量（e）、夏玉米的葉面積指數(shù)（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米產量（h）的模擬值與實測值對比 100
圖3.6 研究區(qū)內各縣（市）（a）冬小麥（b）和夏玉米（c）的多年平均產量之模擬計算值與年鑒統(tǒng)計值的對比 106
圖3.7 2002～2008年研究區(qū)內農田蒸散量的模擬計算值與遙感反演值的對比 108
圖3.8 1993～2012年研究區(qū)內在冬小麥和夏玉米的生育期農田蒸散量的動態(tài) 108
圖3.9 1993～2012年研究區(qū)內冬小麥和夏玉米的WP的動態(tài) 109
圖4.1 11種限水灌溉情景下冬小麥產量及其與現(xiàn)狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區(qū)尺度的年際變化（b） 116
圖4.2 11種限水灌溉情景下夏玉米產量及其與現(xiàn)狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區(qū)尺度的年際變化（b） 117
圖4.3 11種限水灌溉情景下冬小麥生育期農田蒸散量及其與現(xiàn)狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區(qū)尺度的年際變化（b） 119
圖4.4 11種限水灌溉情景下夏玉米生育期農田蒸散量及其與現(xiàn)狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區(qū)尺度的年際變化（b） 121
圖4.5 11種限水灌溉情景下冬小麥的WP及其與現(xiàn)狀灌溉情形相比的減少幅度在縣（市）域尺度的空間分布（a）和在研究區(qū)