华北平原不同种植模式作物耗水监测与特点分析

为探究华北平原不同种植模式的作物耗水与生产能力以评价其缓解地下水超采的潜力,于2021—2022年在中国农业科学院北京市顺义试验站进行了冬小麦-夏玉米、冬小麦-夏大豆和冬小麦-夏休闲3种种植模式的对比试验。利用大型称重式蒸渗仪监测各种植模式的蒸散、土壤储水和渗漏,使用FAO-56推荐的双作物系数法估算不同种植模式的蒸散量,同时分析了估算效果和蒸散与环境的响应特征,并比较不同种植模式的水分利用效率和产量、效益的相对关系。结果表明：3种种植模式的实测蒸散量与净辐射呈指数函数关系、与气温呈二次函数关系、与水汽压差呈线性函数关系,可以使用双作物系数法或非线性拟合公式较好地估算不同种植模式的蒸散量;冬小麦-夏玉米种植模式的产量、水分利用效率和经济效益最高,耗水量也最高,地下水净消耗量为197.52 mm,而冬小麦-夏休闲模式净地下水消耗量最小,比冬小麦-夏玉米模式低72.28%。未来需要结合华北平原不同区域可利用和开采的地表水、地下水资源量和土壤储水能力以及作物耗水量优化作物种植模式,以达到地下水的采补平衡。     

应用分布式水文模型优化黑龙港及运东平原农田灌溉制度Ⅱ：水分生产函数和优化灌溉制度

黑龙港及运东平原是河北省的主要农业区,同时也是华北平原的少雨中心,探讨适用于该地区冬小麦和夏玉米的水分生产函数类型,并应用于制定优化的灌溉制度,对于该区域节水农业的建设具有重要的现实意义。本文以经过参数率定与模拟验证的土壤水评价工具(SWAT)为手段,设置了1种充分灌溉处理和9种非充分灌溉情形,拟合得到冬小麦和夏玉米的水分生产函数,在此基础上,依据水分敏感系数(或指数)确定出灌溉的关键生育期,以不考虑氮磷胁迫的历史灌溉情景为基本情景,设置了3种优化灌溉方案。结果表明:在所确定的冬小麦和夏玉米灌溉的关键生育期,采用优化后的灌溉量,与基本情景相比,在保证冬小麦-夏玉米种植制度下的作物基本稳产(产量平均增加2.54%)的前提下,平均节省灌溉量23.55%,水分利用效率平均提高6.29%。总之,模拟得到的优化的灌溉制度对于该区域冬小麦-夏玉米轮作体系下的农田节水灌溉管理具有一定的参考价值。     

基于温度信息和历史阈值的蒸散发预报及修正

蒸散发（ET_c）是陆面和大气之间物质与能量交换的关键要素,其精准预报对于制定合理的灌溉计划和提高水分利用效率至关重要。本文以华北平原冬小麦和夏玉米为研究对象,在作物充分供水条件下,重点考虑了温度对作物生长的影响,发展了基于温度效应的作物系数（K_c）和参考作物蒸散发（ET_o）估算模型,构建了ET_c预报模型（简称：M_T）;考虑极端天气情况的不确定性影响,通过构建历史阈值修正函数进一步发展了M_T模型,形成了M_T-threshold模型,并以涡度相关法实测值为依据,验证了M_T-threshold模型在1~15 d预见期的适用性。结果表明：基于温度效应的K_c预报值与实测值拟合效果较好,1~15 d预见期内具有较好的适用性;率定后Hargreaves-Samani模型的ET_o估算效果较好,1~15 d预见期的预报准确率均在72%以上,且冬小麦生长季的预报效果优于夏玉米生长季;M_T模型在1~7 d预见期具有较好的适用性（预报准确率>83%）;M_T-threshold模型在1~15 d预见期的预报效果有明显提升,1~7 d预见期的预报精度提高2%以上,预报精度均在86%以上;8~15 d预见期预报准确率提高8%以上,预报精度均在80%以上。因此,基于温度预报信息及作物生长历史阈值能够较好的实现ET_c短中期预报。     

夏玉米作物系数计算与耗水量研究

根据北京大兴区试验基地2007—2008年夏玉米实测资料,采用基于土壤水量平衡的ISAREG模型模拟夏玉米生育期土壤含水量的变化过程,以此反推夏玉米作物系数Kc。利用2007年茎流计实测的蒸腾量T求得夏玉米生育中、后期的基础作物系数Kcb分别为0.98和0.28,以此估算2008年夏玉米中、后期的蒸腾量和土面蒸发量,并用2008年实测的土面蒸发量进行对比验证。同时,模拟和计算了2007—2008年夏玉米生育期棵间蒸发及实际蒸散发变化过程。结果表明,估算的中期基础作物系数与实测值吻合良好,而后期基础作物系数值偏小;夏玉米棵间蒸发量占作物实际蒸散发的比例在39.0%～43.6%左右。     

基于广义互补S型公式的我国不同地区蒸发池蒸发量估算

本文利用全国不同地区13个20 m²或10 m²蒸发池数据,验证广义互补S型公式对小型水体水面蒸发估算的效果,并分析了其参数α_HT的变化特征。结果表明,无论采用暖季(4—9月)的数据还是采用全部数据(有蒸发量观测时期的数据),S型公式均能够有效估算大型蒸发池的蒸发量,效果优于采用率定风速函数的Penman公式。利用暖季(4—9月)数据拟合的参数α_HT介于1.00~1.92,均值为1.52,与相对湿度和温度具有显著负相关关系,利用相对湿度确定参数α_HT的S型公式能够有效估算蒸发池的蒸发量。     

道尔顿公式的应用研究

对道尔顿线性公式中的风速函数系数取值范围及其对水面蒸发模拟效果的影响进行全面的对比试验,表明风速函数系数有较宽的适应区间,且在将其中的一个系数取为零的情况下,仍具有较好的模拟效果.结合近年来国内外水面蒸发研究成果,对道尔顿公式中的风速函数进行改进,提出以三段制的分段函数作为风速函数,不仅更符合风速对水面蒸发作用的物理本质,也使水面蒸发时空变化规律的拟合误差明显减小,模拟效果显著提高.     

华北轮作农田灌溉制度多目标优化模型及应用

针对华北地区冬小麦-夏玉米轮作种植模式,构建了轮作农田灌溉制度多目标模拟-优化模型,该模型利用水量平衡模型模拟不同灌溉制度下的农田耗水过程,利用水分生产函数估算不同耗水条件下的作物产量,以2种作物每次灌溉的灌水时间及灌水定额为决策变量,以两种作物产量最大为目标函数。引入动态罚函数对灌溉定额进行约束,采用改进非支配排序遗传算法进行求解,最终用理想点法对所得Pareto非劣解进行决策。不同灌溉定额下北京地区冬小麦-夏玉米轮作农田灌溉制度多目标优化结果表明:轮作模式下冬小麦的灌水关键时期为抽穗与灌浆期,与水分敏感期基本一致;夏玉米的灌水关键时期为拔节与抽穗期,受前期墒情及降水影响比水分敏感期有所提前。在最优灌溉制度下,随着灌水量的增加,两种作物产量均增加;产值呈抛物线增加,但边际产值递减;单位灌水量产值呈幂函数减小;同时作物耗水量呈对数增加,而土壤水利用量呈抛物线减少。     

黄河巴彦高勒蒸发实验站水面蒸发模型的建立

采用分段风速函数建立了黄河巴彦高勒蒸发实验站的道尔顿水面蒸发模型,计算结果表明:当风速小于3 m/s时,模型计算蒸发量与实测蒸发量相关关系很好,可基本消除水面蒸发经验公式在不同风速段出现不同系统性误差的现象;风速大于3 m/s时,模型计算结果不太理想。     

河北省主要作物系数时空分布特征

为进一步提高农田蒸散量和灌溉量计算的准确性以及优化农业灌溉水资源配置,基于河北省1955—2014年逐日气象数据,借助分段单值平均作物系数法分析河北省冬小麦、夏玉米和棉花作物系数的时空分布特征。结果表明:1955—2014年冬小麦、夏玉米和棉花作物系数均呈不显著下降趋势,全生育期内年际间平均作物系数分别为0.86、0.85和0.83;不同生育期内,3种作物系数变化区间分别为[0.40,1.29],[0.49,1.24],[0.30,1.29]。全生育期内,冬小麦和夏玉米作物系数均呈以邢台为低值中心向四周逐渐增大的空间分布特征,棉花则是由西向东逐渐增大;不同生育期内,冬小麦和棉花的大部分生育期作物系数呈由西向东逐渐增大的空间分布特征,而夏玉米则是由邢台向四周逐渐增大。风速和日照时数的降低是引起3种作物系数减小的主要原因。     

气象因子在海河流域蒸发悖论中的作用机理

蒸发是水文循环的重要环节。利用Mann-Kendall趋势检验方法检测了海河流域1961-2006年蒸发皿蒸发量的演变趋势。结果表明:海河流域蒸发皿蒸发量呈现出显著的下降趋势。利用相关分析、偏相关分析和主成分分析方法,研究了蒸发皿蒸发量与平均气温、相对湿度、平均风速和日照时数4种气象因子之间的关系。基于这4种气象因子,建立了模拟蒸发皿蒸发量的经验公式(E-THWS公式),并利用这一公式的微分形式揭示了这4种气象因子在海河流域"蒸发悖论"中的作用。结果表明:平均气温和相对湿度对海河流域蒸发皿蒸发量的增加作用要小于平均风速和日照时数的减少作用;平均风速的下降是蒸发皿蒸发量下降的主要原因。     

生物预处理技术在嘉兴地区给水厂的应用比较

对嘉兴地区主要给水厂近年来应用立体弹性填料、LT型悬浮球填料、YS型悬浮填料、卵石填料等的生物预处理工艺从填料及配套设施、工艺运行参数、运行效果、成本等方面进行了比较.认为弹性填料生物预处理更适用于低浊(50 NTU以下)、低氨氮(1.5 mg/L以下)原水,LT型悬浮球填料生物预处理适用于低中浊(100 NTU以下)、低中氨氮(2.5 mg/L以下)原水,YS型悬浮填料生物预处理及"SAF"滤池对低浊、中高氨氮(2.5 mg/L以上)原水有较好的适应性.最后探讨了弹性填料存在的短流、积泥,悬浮填料存在的部分填料流化不均匀,富氧的生物工艺单元内水生动物泛滥等问题.     

中国部分河口及其近海水域缺氧现象研究

对长江、珠江等河口及其近海水域缺氧现象与影响因素进行研究,结果表明,主要分布于长江与珠江河口及其邻近海域的缺氧现象,夏季(6—8月)达到最盛,秋冬季消失;长江口的缺氧区域主要位于30.75°N~32°N,122.5°E~123.25°E附近海域,具有南北2个缺氧中心;珠江口缺氧程度相对较轻,缺氧区域主要在广州黄埔区河段至虎门水域和伶仃洋;辽河、钱塘江、海河等河口区域也时而出现零星的缺氧现象;水体缺氧受控于多项环境要素,物理层化作用是缺氧产生的最初诱因之一,陆源污染物的分解则是重要的耗氧负荷;各河口区特征各异,潮汐、洋流、营养盐、叶绿素a等要素对缺氧区的范围、程度和持续时间影响程度不一。     

无资料流域水文预报(PUB计划)研究进展

无资料流域水文预报，简称为PUB(Predictions in Ungaugecl Basins)，从2003年7月开始成为国际水文科学学会新的国际水文十年计划主题．文中首先简述了PUB计划的主要研究内容，然后回顾了国际和国内已有的PUB研究进展，最后展望了对水文学发展有重要意义的几个PUB前沿研究，包括不确定性研究、对水循环各个环节因素的预报和对无资料流域水文过程的预报。     

Trends in ecological river engineering in Korea

Ecological river engineering can be defined as the design and implementation of river works and river restoration works for the benefit of human society. It also guarantees the sustainable ecological functions of a river, such as its habitats and self-purification of its water. It is currently in the beginning stages in Korea, utilizing scientific knowledge on the processes of aquatic ecosystem degeneration and a methodology for solving the ecological problems in artificially altered rivers currently under development. The changes in river management and work practices in Korea may be best explained with a chronologically progressing sequence of ‘Natural’, ‘Disaster-prevention’, ‘Occupied’, ‘Park’, and ‘Close-to-nature’ rivers. Since the 1960s, the focus on river management and work has shifted from flood control only, to both flood control and riverine habitat conservation and restoration. Five research topics have been selected for this article, and the progress of each research area is briefly described with a representative picture in each topic. They are as follows: (1) flow resistance due to vegetation, (2) environmental flow, (3) floodplain vegetation modeling, (4) small dam removal, and (5) river restoration. For the future prospects of research on ecological river engineering in Korea, a necessity of further research on floodplain vegetation recruitment and succession, which can explain the so-called ‘white river’ and ‘green river’, is underlined, among others. Finally, two ongoing large research programs on river ecosystem restoration, of which are sponsored by the Government of Korea, are briefly introduced, followed by the introduction of a near-prototype experiment facility recently completed mainly for research on ecological river engineering.     

Changes in urban stream channels in Zimbabwe

Although channel change has been documented downstream of urban areas there have been few previous studies which have focused upon the spatial variation of erosion and upon examples of such channel change in tropical areas. In the Avondale stream basin, which includes part of Harare the capital of Zimbabwe the way in which the channel network has evolved from the extensive dambo system in the period 1891 to 1984 is reconstructed showing that drainage density which was initially between 0.35 and 0.80 km km^?2 has increased to 3.15 km km^?2 including stormwater drains. Characteristics of erosion of the modified urban channels are described and the downstream reaches indicate an average channel widening of 1.7 times involving average rates of bank erosion of 0.33 m per year. Peak discharge is estimated from channel characteristics to be increased to two times former values and it is concluded that channel type and the relationship of channel change to the accommodation of peak discharges requires further research.     

水利高性能计算的进展

针对水利信息化对精细模拟与高性能运算提出的愈来愈高的要求,在简单介绍高性能计算的硬件、软件环境及其在水利上的几个应用实例后,着重介绍了并行有限元法、并行边界元法的一些进展以及网格技术的最新进展。指出从网络到网格是高性能计算发展的最新方向,应以网格平台支持、促进水利信息化进程。     

中国内地水库淤积的差异性分析

为了解水库的淤积现状,根据115座具有代表性的中国内地水库淤积资料,对这些水库按类型和区域进行统计分析,结果表明,中小型水库比大型水库淤积严重,不同流域水库淤积的空间差异明显,黄河中下游地区水库淤积比例最大,西南地区水库年均淤积率最大。截止到2003年,根据代表性水库淤积的计算结果推算出中国内地水库的平均淤积比例约为20%,库容年均淤积率为0.76%,相当于每年损失1座库容近42.3亿m3的超大型水库。     

北京某学校雨水利用设计

以北京市某中学为例,介绍一种学校雨水利用的方法。根据校区水量平衡计算结果,对利用校园内汇集的雨水作为冲厕、绿化和景观用水等进行设计;采取相应的技术措施,对雨水径流的污染进行控制,保障所利用雨水的水质达到要求,并采用生态净化的方式,使学校景观水体循环起来。虽然雨水利用工程投资较高,但其社会和环境效益显著。     

Lake—Wide Seasonal Changes in Limnological Conditions in Lake Michigan in 1976

Data collected on lake-wide cruises in 1976 were used to study seasonal and vertical variations in water temperature, transparency, chlorophyll a, and nutrients in Lake Michigan. Data were analyzed according to subsets corresponding to the northern and southern open lake. Comparisons (t-tests) of data from the open lake indicated that the average water temperature was cooler and average water transparency was greater in the northern lake than in the southern, but with the exception of total phosphorus, average nutrient concentrations did not differ between the northern and southern parts. It was found that physical-chemical characteristics of nearshore and Straits of Mackinac stations differed significantly from open lake stations. Seasonal phytoplankton dynamics in the open lake were related to seasonal and vertical changes in silica and nitrate nitrogen. The spring phytoplankton bloom occurred before the lake was strongly stratified thermally. After thermal stratification was well developed, epilimnetic concentrations of chlorophyll a decreased, probably due to some combination of nutrient limitation and zooplankton grazing, and maximum chlorophyll a concentrations were found below the thermocline. Epilimnetic silica concentrations decreased after thermal stratification and diatoms were replaced in the phytoplankton assemblage by green and blue-green algae in late summer. Total phosphorus averaged only 8 μg/L on a lake-wide basis and thus only small but significant reductions in absolute concentration can be expected from phosphorus control programs. However, over a period of several years, these small reductions in concentration may be difficult to verify from total phosphorus measurements which have relatively large sampling errors and variances.     

我国水库大坝土工膜防渗工程进展

为促进我国水库大坝土工膜防渗工程的健康、快速发展,对其发展历程进行回顾、梳理。总结了将土工膜用于水库大坝防渗的优点,即防渗性能高、适应变形性强、施工方便、质量易于控制、工程整体造价低。指出尽管已建成的大中型土工膜防渗工程运行正常,但土工膜仅在我国中小型工程中应用广泛。通过对比国内外水库大坝土工膜防渗工程的发展现状,分析了国内外发展差距较大的原因,即缺乏国际交流的外部环境,缺乏自主研发的内部动力,以及缺乏规范的适时认可。认为随着建设经验和技术储备的积累,科技成果传播的畅通迅速,从业人员对该项技术的认识深入,我国水库大坝土工膜防渗工程具有较大的经济、社会效益潜在优势。