水稻灌区基于多过程耦合的分布式水转化模型

水稻灌区灌溉-排水过程频繁,定量表征灌区水转化过程对于灌区水资源管理具有重要的意义。针对水稻灌区供-耗-排过程的时空复杂性以及灌区水转化对地下水补排过程的影响,本研究建立了灌区尺度基于灌排过程-农田土壤水分运动与作物生长过程-地下水运动过程耦合的分布式水转化模型,实现了对灌区的供-耗-排动态过程的定量表征。采用黑龙江省和平灌区水稻生长指标、灌区蒸散发量、地下水位变化以及排水沟流量等数据对模型进行了率定验证,结果表明模型具有较高精度。相对于传统灌区水转化模拟方法,该模型有效表征了灌区水转化所涉及的灌排过程、土壤水及地下水运动过程、作物生长过程的时空动态耦合,实现了灌区水转化的分布式动态模拟。同时,模型所需参数较少,避免了以往灌区水转化过程计算复杂的难点。该模型为水稻灌区多环节水转化过程模拟及用水效率评估提供了重要方法。     

基于SWAT模型的盘龙江流域径流模拟

为了给日后的滇池治理和昆明市水资源保护利用提供依据,以昆明市区的盘龙江流域为研究区域,采用SWAT模型对该流域的径流进行模拟研究,通过加载流域的DEM、土地利用、土壤类型等数据到SWAT模型,选定1999—2004年为模型参数率定期,2005—2007年为模型验证期,对松华坝以上流域和以下流域分别进行模拟,并对模拟结果进行比较和评价。结果表明:松华坝以上区间流域的模拟相关系数R2在0.83以上,Ens在0.80以上;松华坝以下区域的模拟相关系数R2在0.70以上,Ens在0.58以上。即该模型对盘龙江流域具有良好的适应性,可以为盘龙江流域在不同土地利用的条件下对流域的水量、水质、泥沙进行模拟预测。     

SWAT模型在金沙江上游小流域径流模拟中的应用

为探讨SWAT分布式水文模型在金沙江上游小流域水文过程模拟中的适用性,选择金沙江一级支流冲江河流域为研究区,利用该小流域控制站来远桥水文站1961~2012年月径流量数据进行模型参数率定与模型验证研究。结果表明：SWAT模型对金沙江上游山区小流域径流模拟精度较高,冲江河流域率定期和验证期月径流模拟值与实测值的相关系数分别达0.97和0.81,平均相对误差分别为16%和20%,纳什系数Ens分别为0.84和0.82。     

基于改进型DNDC模型的小流域非点源氮迁移过程模拟与空间拓展应用

以长江上游紫色土区截流堰小流域（0.35 km2）和大兴小流域（4.65km2）为研究对象,应用基于水文过程的生物地球化学循环模型—改进型DNDC模型对紫色土区小流域径流、泥沙和氮流失过程进行研究。本文采用截流堰小流域2007～2009年和2010～2011年径流、泥沙和氮迁移监测数据分别对模型进行参数率定和验证,检验模型在紫色土区的适用性,然后利用大兴小流域2011年水文、水质监测数据对该模型进行拓展验证,探讨模型在具相似空间结构特征的小流域实现尺度拓展的可行性。结果显示：率定期和验证期月径流、土壤侵蚀、氮流失Nash-Sutcliffe效率系数Ens大多超过0.80,相对误差Re均在15%以内。拓展验证期间,月径流、土壤侵蚀、总氮（TN）和颗粒态氮（PN）的Nash-Sutcliffe效率系数Ens分别为0.70、0.55、0.76和0.71,相对误差Re分别为6.2%、31.2%、9.5%和30.4%,模型较好的反映了大兴小流域径流、泥沙和氮迁移过程。但是模型拓展验证期间,泥沙、颗粒态氮的模拟偏差有所增大。     

HIMS系统模型在洪水预报中的应用

根据研究流域的自然条件以及水文、气象资料,在HIMS系统平台下定制半干旱区典型小流域的日径流模型和湿润地区典型流域的次洪预报模型。模拟结果表明:日径流模型效率系数在率定期和检验期分别为0.75和0.73;次洪模型效率系数在率定期和检验期分别为0.84、0.81,洪水总量误差分别为4.9%、3.6%,洪峰值误差分别为17.1%、21.4%,洪峰时间误差分别为1.6h、2.0h,模拟和检验结果为乙等水平。由此可见,HIMS定制模型具有很强的地区适应性。最后,对模拟峰值偏低的问题进行分析探讨。     

MIKE SHE模型在杭锦旗引黄灌区的应用研究

农田灌溉排水作为灌区退水的重要部分,在改善耕地与抵御灾害过程中起到了重要作用。以杭锦旗引黄灌区为研究对象,采用MIKE SHE分布式水文模型,以2017—2018年为率定期、2019年为验证期,模拟分析灌区排水过程,为灌区排水规律研究提供模型基础支撑;最终2019年模拟结果相关系数达到0.773 4,年排水量相对误差为3.7%。结果表明：在实测排水数据受干扰影响较小的情况下,模拟值与实测值拟合程度较高,模型可以较好地模拟灌区天然排水过程。     

基于TOPKAPI模型的黑河上游径流模拟研究

为了进一步完善黑河上游区域近几年的水文循环研究,采用基于物理基础的分布式水文模型TOPKAPI模型,对1998年~2007年的日径流、月径流过程分别进行模拟研究;并使用径流深误差Re、Nash-Sutcliffe效率系数及决定系数R~2三种评价指标对结果进行分析。黑河上游流域的日径流过程模拟径流深误差合格率在率定期和验证期合格率均为100%;Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.82、0.77;相关系数R~2分别为0.84、0.81。月径流过程率定期和验证期的径流深误差Re均为-0.36%,模拟径流量相对偏小;效率系数E也均为0.81,相关系数R~2分别为0.85、0.89。结果表明,TOPKAPI模型可以较好地模拟黑河上游流域的日径流及月径流过程,有良好的适用性。     

基于SUFI-2算法的SWAT模型在抚河临水流域径流模拟中的应用

以抚河临水流域为研究区域,整合流域下垫面与气象数据资料,基于GIS平台构建了SWAT分布式水文模型;采用SUFI-2算法进行模型参数敏感性分析、率定及不确定性分析,并对抚河临水流域径流过程进行模拟。结果表明:率定期和验证期的模拟值和实测流量拟合程度较好,决定系数(R2)和纳什效率系数(Ens)均在0.80左右,模拟结果较理想,有很好的适用性。     

精准滴灌农田排水过程数值模拟

因精准滴灌农田土壤水分运动、再分布和时空稳定性有别于传统地面灌溉农田,造成排水过程和排水量也不相同,为了准确模拟精准滴灌农田排水过程,在监测土壤墒情指导滴灌灌溉条件下,根据农田土壤水分的分布特征,利用有限差分法建立基于Richards方程的精准滴灌农田排水过程系统模型,并通过滴灌农田排水过程田间观测,对系统模型进行识别验证。结果表明:在灌溉周期内,农田各点潜水水位随时间逐渐趋于稳定,潜水水位模拟值与实测值的绝对误差在-13～21 mm范围内,潜水水位模拟值与实测值吻合效果较好;在降雨后农田排水过程的模拟中,NO101、NO501和NO505观测孔潜水水位模拟值与实测值的绝对误差分别为-27～47 mm、-27～-76 mm和-27～-79 mm,潜水水位模拟值与实测值在时间和空间上变化趋势一致,两者差异较小,吻合较好;系统模型能较为真实地反映精准滴灌农田的排水过程,可为大面积应用滴灌技术的现代灌区排水系统规划设计和改造以及灌排信息化管理提供参考依据。     

基于改进型DNDC 模型的小流域非点源氮迁移过程模拟与空间拓展应用

以长江上游紫色土区截流堰小流域和大兴小流域为研究对象,应用改进型DNDC（Enhanced Denitrification Decomposition Model）模型对紫色土区小流域径流、泥沙和氮流失过程进行模拟研究。采用截流堰小流域2007-2009年和2010-2011年径流、泥沙及氮迁移监测数据分别进行模型参数率定和验证,检验模型在紫色土区的适用性,然后利用大兴小流域2011年水文、水质监测数据对该模型进行拓展验证,探讨模型在具相似空间结构特征的小流域尺度拓展的可行性。结果显示：率定期和验证期月径流、土壤侵蚀、氮流失Nash-Sutcliffe效率系数大多超过0.80,相对误差均在16.36%以内。拓展验证期,月径流、土壤侵蚀、总氮（TN）和颗粒态氮（PN）的Nash-Sutcliffe效率系数分别为0.70、0.55、0.76和0.71,相对误差分别为6.2%、31.2%、9.5%和30.4%。改进型DNDC模型能较好模拟紫色土区小流域径流、泥沙和氮迁移过程,但尺度拓展过程中泥沙、颗粒态氮的模拟偏差有所增大。     

河北省井灌区灌溉用水与耗能变化规律研究

开展农业灌溉节水、节能研究既是支撑区域农业可持续发展必然要求,也是支撑国家节能减排承诺的具体实践。受农业节水、地下水位下降的影响,河北省井灌区灌溉用水和灌溉耗能之间关系复杂,分析了1980-2015年河北省井灌区灌溉用水、灌溉耗能、地下水位变化等规律,得出以下结论:(1)地下水埋深与提取单方水耗电量呈幂函数关系,地下水埋深越大,地下水位下降带来灌溉能耗的增加幅度越来越大;(2)由于地下水位下降,每度电可开采水量从1980年的8m~3减少到2015年的0.9m~3,相比1980年2015年灌溉水量减少了13亿m~3,但是灌溉能耗增加了131亿kW·h。(3)1997年后由于灌溉水量减少而降低的能耗不足以弥补地下水位下降增加的能耗,由此导致1998-2015年每公顷灌溉能耗额外损失为20 850kW·h。本研究对指导河北省农业灌溉水-能关系协调发展提供有益的参考。     

基于流固耦合的富水软岩地层隧道排水方案研究

为研究富水软岩隧道最优排水方案,以甘肃省道S304线关山隧道为研究对象,基于流固耦合分析理论,建立了应力场和渗流场作用下的隧道开挖模型。借助SoilWorks有限元软件对隧道全排水、全封堵及堵水限排三种施工方案进行了模拟,并对孔隙水压力及水位线、位移场及应力场、围岩塑性区的分布规律进行了研究。结果表明:富水软岩隧道开挖时,采用堵水限排方案可以有效减小对地下水位的影响,经济效益显著;三种施工方案中,堵水限排方案隧道的拱顶沉降、隧底隆起以及地表下沉量最小,但围岩的应力最大,仰拱最大拉应力为全排水方案的2.2倍;全排水方案与全封堵方案围岩塑性区主要产生在仰拱,堵水限排方案围岩塑性区主要产生在边墙两侧,塑性区的范围较小。研究结果可为富水软岩地层同类工程排水方案的确定提供借鉴。     

漓江实时补水优化调度研究

以漓江三期补水工程体系为研究对象,对漓江实时补水优化调度进行研究。首先基于马斯京根流量演算法建立了供水水库群放水和控制断面需水的定量响应关系,在此基础上提出考虑河道水流演进滞时和生态需水要求的漓江水库群联合补水实时优化调度模型及相应的调度规则,并通过约束处理技术使模型转化为能通过线性规划求解的问题。实时优化调度模型在漓江流域的应用结果表明:斧子口、川江、小溶江、青狮潭、五里峡、思安江六库联合调度,可以使特枯年份的供水日保证率达到94%以上。研究对维持漓江河道健康、提高通航保证率以及旅游经济效益具有重要的意义。     

不同灌水处理对多砾石砂土膜下滴灌玉米 水分分布特征的影响

为探究不同灌水定额对多砾石砂土膜下滴灌玉米土壤水分分布的影响,采用大田小区对比的试验方法,分析30.0mm、37.5mm、45.0mm、52.5mm、60.0mm五种灌水定额对土壤水分分布的影响。结果表明:同一灌水处理条件下,土壤剖面含水率等值线分布形式的变化过程是"长轴在垂向的椭圆形-长轴在横向的椭圆形-单峰曲线"。灌水24h后土壤含水率达到一个相对的稳定状态,且土壤表面25cm内的含水率明显小于灌后0h土壤含水率;40cm深度处土壤含水率达到最大。不同灌水定额土壤含水率变化趋势一致,随灌水定额的增加含水率等值线图越接近于椭圆形;在垂直方向与水平方向土壤含水率增加幅度分别表现为:中部下部上部、左部中部右部;52.5mm灌水定额处理下不同深度的土壤含水率最接近田间持水率。试验分析认为在多砾石砂土地区52.5mm灌水定额处理是水分分布最优的灌水处理。     

基于单机组试验选优的并联泵站群组合 优化运行算法研究

以并联泵站群日提水耗电费用最少为目标,构建包含各时段泵站运行数、站内水泵开机数、水泵叶片安放角及机组转速4个决策变量的并联泵站群变角变速组合日优化运行数学模型,提出基于二级子系统试验选优的大系统二级分解-动态规划聚合法。通过将原模型进行二次分解,获得以单机组日提水耗电费用最小为目标,各时段水泵叶片安放角及机组转速为决策变量的单机组变角变速组合日优化运行数学模型,采用大系统试验选优法求解。进而通过一系列二级子系统不同提水要求下的优化计算,获得单机组日提水量与提水费用的一一对应关系,原模型即可转化为以并联泵站群日提水费用最少为目标、各机组日提水量为决策变量的聚合模型,并采用动态规划方法求解。该方法可进一步完善组合工况调节方式下并联泵站群优化运行理论,较由站内单工况优化运行下获得的并联泵站群优化运行效益更为显著。以典型并联泵站群为计算实例,优化结果表明:各日均扬程下满负荷、80%负荷、60%负荷优化运行单位费用较定角恒速运行分别平均节约8.41%、23.07%、32.79%。     

基于作物需水的灌溉用水量核算方法及应用

用水量核算方法是最严格水资源管理制度实施的一项技术支撑。以山东济宁市梁山县为研究区,采用FAO(国际粮农组织)推荐的Penman-Monteith公式,计算了该县3种主要农作物的逐日作物需水量及净灌溉需水量。研究中考虑到研究区的作物种植面积、灌溉水利用系数等因素提出理论需水量和折算系数的概念,通过推求理论需水量与实际用水量的折算系数,对2011年和2012年梁山县灌溉用水量统计数据进行核算,核算的相对误差分别为0.08%和-1.52%,核算结果较好。     

基于水量水质双控的缺水地区水资源优化配置

开展水量水质双控约束下水资源优化配置研究是落实新时期"节水优先"方针、保障区域水安全和促进水资源可持续利用的基础支撑。针对我国北方地区资源型缺水、工程型缺水并存的问题,以山东省昌乐县为例,结合WEAP模型与传统水资源配置理论方法,根据区域用水需求与总量控制及水功能区限制纳污管控要求,统筹协调生活、生产、生态用水,建立基于水量水质双控的区域水资源优化配置模型,采用AHP法、熵权法、AHP-熵权耦合法计算不同情景方案的配置效益并优选配置方案。结果表明:规划水平年农业、城市供水保证率分别为50%、95%时,基于用水总量控制的跨流域调水、强化行业节水和水污染治理以及加大再生水回用相结合的配置方案(B4方案)综合效益最大,各行业用水需求均能得到满足,GDP较现状水平年增加709.01亿元,再生水利用率提高至25%。     

南水北调中线渠系蓄量补偿运行控制方式

南水北调中线渠系采用闸前常水位的运行方式,即渠道下游常水位运行方式的水位控制点位于下游渠道的节制闸闸前。采用下游常水位运行方式,有利于按照最大过水流量进行渠道设计,使得渠道的超高最小,从而施工成本最少。在分析闸前常水位运行方式的响应与恢复特性、蓄量补偿时间的基础上,提出了闸前常水位运行控制方式,并设计了蓄量补偿的前馈控制策略和水位流量串级的水位反馈控制器。以南水北调中线总干渠的部分渠道为研究对象,在典型工况下进行运行控制仿真,并把计算结果与流量主动补偿和常规下游常水位运行控制进行对比,从而验证了本文闸前常水位运行控制算法的合理性。     

粮食增产期黑龙江省农业水土资源 时空匹配格局研究

黑龙江省粮食总产量十二连增的同时,也给农业水土资源带来了诸多问题。为了客观地评价黑龙江省农业水土资源时空匹配情况,根据黑龙江省粮食增产期(2003-2015年)的水土资源利用状况,采用基尼系数和农业水土资源匹配系数分析了黑龙江省农业水土资源时空匹配变化情况。结果表明:(1)粮食增产期黑龙江省农业水土资源空间匹配差异较大,基尼系数在0.4475~0.4907之间,属于匹配较差范围;农业水土资源匹配系数均低于全国水平,且在时间上表现为匹配程度持续降低的态势。(2)空间差异上,黑龙江省中西部干旱区水土资源匹配程度较低,不宜继续开垦;三江平原地区粮食种植面积大,建议发展节水灌溉;北部和东南部地区水资源相对丰富,宜涵养水源,以实现可持续发展。     

不透水表面坡度对溶解态污染物传输过程的影响研究

溶解态污染物是城市降雨径流污染的一个重要组成部分,揭示其在降雨径流阶段的传输过程对于城市污水治理具有重要意义。采用人工模拟降雨实验研究了不透水表面不同坡度(0.5°、1°、2°、3°、4°、5°)情况下降雨径流及溶解态污染物传输过程。结果表明:坡度越大,坡面产汇流时间越短,径流量越快达到稳定;污染物浓度随降雨径流深度增加呈逐渐减小趋势,坡度越大,初始浓度越高,衰减越快;污染物传输速率呈先增大后减小的变化规律,坡度越大,污染物传输速率峰值越大,峰值出现在径流深度为0.3~0.5mm之间;溶解态污染物传输过程符合指数冲刷模型,随着坡度的增大,冲刷系数k先线性增加,坡度大于3°基本保持稳定。相对于颗粒态污染物,溶解态污染物冲刷系数大,易被冲刷,冲刷集中发生在径流初期。