灌區(qū)水均衡演算與農(nóng)田面源污染模擬

內(nèi)容概要

《灌區(qū)水均衡演算與農(nóng)田面源污染模擬》以農(nóng)業(yè)灌區(qū)水資源和水環(huán)境為研究對象，以內(nèi)蒙古黃河河套灌區(qū)和吉林省松花江前郭灌區(qū)為背景，系統(tǒng)地總結(jié)了灌區(qū)水均衡計算理論與方法，灌區(qū)地下水資源量分析方法，灌區(qū)地下水模擬方法，灌區(qū)面源污染遷移、轉(zhuǎn)化匯集機(jī)理及模擬方法，灌區(qū)水環(huán)境評價理論。《灌區(qū)水均衡演算與農(nóng)田面源污染模擬》是作者所主持和主要參加的多項國家自然科學(xué)基金等基礎(chǔ)性研究項目成果的系統(tǒng)總結(jié)和提升。全書共6章，第1章為緒論，對農(nóng)業(yè)灌區(qū)水資源及水環(huán)境問題進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述；第2章以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為背景，闡述了灌區(qū)水均衡分析資料收集、水均衡要素計算和灌區(qū)供需水平衡分析方法；第3章和第4章分別討論了灌區(qū)地下水資源和土壤水資源類型、可開發(fā)利用潛力及灌區(qū)地下水模擬方法；第5章和第6章以吉林省松花江前郭灌區(qū)為背景，重點對灌區(qū)水環(huán)境問題進(jìn)行分析，在灌區(qū)面源污染遷移、轉(zhuǎn)化及匯集過程試驗的基礎(chǔ)上，模擬灌區(qū)排水及污染物入河過程。對灌區(qū)水環(huán)境現(xiàn)狀和環(huán)境評價體系進(jìn)行了分析。
《灌區(qū)水均衡演算與農(nóng)田面源污染模擬》可供水利水電工程、農(nóng)業(yè)水利工程、水環(huán)境等相關(guān)專業(yè)本科生、研究生及相關(guān)技術(shù)人員參考，也可作為農(nóng)田水利學(xué)參考教材。

書籍目錄

前言第1章 緒論1.1 灌區(qū)水資源與水環(huán)境1.1.1 灌區(qū)水均衡機(jī)制1.1.2 北方寒區(qū)及南方平原灌區(qū)水均衡特點與水文機(jī)制1.1.3 灌區(qū)水資源利用及節(jié)水1.2 灌區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染1.3 灌區(qū)水循環(huán)、水環(huán)境及水生態(tài)1.4 灌區(qū)水循環(huán)和尺度問題1.4.1 SPAC系統(tǒng)尺度提升1.4.2 灌區(qū)尺度土壤水和地下水化學(xué)物質(zhì)運移規(guī)律參考文獻(xiàn)第2章 灌區(qū)供需水過程演算及平衡分析2.1 內(nèi)蒙古河套灌區(qū)現(xiàn)狀綜述2.2 灌區(qū)供需水平衡演算數(shù)據(jù)收集與分析2.2.1 灌區(qū)基本資料2.2.2 灌溉分區(qū)及種植結(jié)構(gòu)2.3 灌區(qū)供需水過程演算與水平衡分析2.3.1 設(shè)計典型年2.3.2 作物需水量計算2.3.3 有效降雨及地下水補給計算2.3.4 灌溉制度推算2.3.5 農(nóng)業(yè)用水量估算2.3.6 灌區(qū)農(nóng)業(yè)及城鎮(zhèn)農(nóng)村需水量2.3.7 生態(tài)需水量(烏梁素海需水量)預(yù)測2.3.8 灌區(qū)側(cè)向補給水量計算2.3.9 來用水過程平衡分析2.4 灌區(qū)節(jié)水改造潛力分析與水資源高效利用方案分析2.4.1 井渠結(jié)合區(qū)地下水開發(fā)利用方案分析2.4.2 節(jié)水改造方案與地下水動態(tài)分析2.5 灌區(qū)節(jié)水改造及供需水配合過程分析2.5.1 總量平衡2.5.2 過程平衡參考文獻(xiàn)第3章 灌區(qū)地下水資源3.1 可開采地下水資源3.1.1 水文循環(huán)中的地下水3.1.2 灌區(qū)可以開采利用的地下水資源3.2 灌區(qū)地下水調(diào)查3.2.1 含水層性質(zhì)調(diào)查3.2.2 地下水補給3.2.3 抽水試驗3.3 灌區(qū)土壤水資源3.3.1 土壤水資源在灌區(qū)水資源分析中的作用3.3.2 土壤水資源的估算方法3.3.3 土壤水資源評價的必要性問題3.4 灌區(qū)地下水資源評價及地下水開發(fā)利用規(guī)劃3.4.1 地下水資源評價的任務(wù)和內(nèi)容3.4.2 淺層地下水資源分析計算3.4.3 深層承壓水資源分析與評價參考文獻(xiàn)第4章 灌區(qū)地下水運動模擬4.1 地下水流運動計算4.1.1 Visual MODFLOW4.1.2 Visual MODFLOW數(shù)據(jù)文件4.1.3 Visual MODFLOW參數(shù)處理4.1.4 MODFLOW計算模塊4.2 灌區(qū)地下水模擬計算4.2.1 資料準(zhǔn)備4.2.2 模型概化4.2.3 地下水開發(fā)利用分析評價典型計算區(qū)4.2.4 計算區(qū)邊界條件概化4.2.5 模型校驗4.3 地下水開發(fā)利用區(qū)井渠結(jié)合方案的探討4.3.1 渠道襯砌對于地下水變化的影響4.3.2 井渠結(jié)合區(qū)不同布井方案的分析比較參考文獻(xiàn)第5章 灌區(qū)灌溉排水及面源污染過程演算5.1 灌區(qū)面源污染概述5.2 灌區(qū)面源遷移、轉(zhuǎn)化及匯集機(jī)理試驗研究5.2.1 研究灌區(qū)5.2.2 農(nóng)田面源污染水質(zhì)水量調(diào)控試驗5.2.3 灌區(qū)面源污染監(jiān)測5.2.4 田間水利用效率及田間引、排水量測試5.2.5 不同水質(zhì)水量調(diào)控方案下的面源污染潛力分析5.3 灌區(qū)灌溉引水及排水過程演算5.3.1 灌區(qū)引水過程演算5.3.2 田間排水過程演算5.3.3 排水支溝匯流過程演算5.3.4 干溝排水過程演算5.4 主要面源污染物遷移、轉(zhuǎn)化、匯集過程演算5.4.1 污染物在明渠中的遷移規(guī)律5.4.2 主要面源污染物遷移轉(zhuǎn)化5.5 面源污染演算分析與校驗5.5.1 模擬水量過程分析5.5.2 主要面源污染物模擬分析5.6 不同水質(zhì)水量調(diào)控模式下的農(nóng)田面源污染分析5.6.1 灌區(qū)農(nóng)田面源污染負(fù)荷及入河分析5.6.2 水量調(diào)控的面源污染控制效果分析5.6.3 水質(zhì)調(diào)控的面源污染控制效果分析5.6.4 不同典型年條件下的水質(zhì)水量調(diào)控效果分析參考文獻(xiàn)第6章 灌區(qū)環(huán)境與生態(tài)6.1 灌區(qū)地表水環(huán)境6.1.1 農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)及執(zhí)行情況6.1.2 灌區(qū)水環(huán)境現(xiàn)狀6.1.3 灌區(qū)環(huán)境綜合評價體系框架6.2 灌區(qū)地下水環(huán)境6.2.1 地下水的化學(xué)組成6.2.2 地下水的物理化學(xué)作用6.2.3 地下水資源及環(huán)境評價一些問題6.3 灌區(qū)溫室氣體環(huán)境效應(yīng)6.3.1 灌區(qū)溫室氣體綜合環(huán)境效應(yīng)6.3.2 灌區(qū)生態(tài)評價參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第1章 緒論　　灌區(qū)是指有可靠水源和輸配水渠道系統(tǒng)及排水溝道的灌溉區(qū)域。灌區(qū)是一個半人工的生態(tài)系統(tǒng)，其依靠自然環(huán)境提供的光、熱、土壤資源，加上人為選擇的作物和安排的作物種植比例等人工調(diào)控手段組成一個具有很強(qiáng)社會性質(zhì)的開放式生態(tài)系統(tǒng)?！　∥覈袠I(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，控制面積在30萬畝以上的灌區(qū)為大型灌區(qū)，控制面積為1～30萬畝的灌區(qū)為中型灌區(qū)，控制面積在1萬畝以下的為小型灌區(qū)。到2009年底，我國有大型灌區(qū)434處、中型灌區(qū)5300多處、小型灌區(qū)1000多萬處?！　∽?998年以來，國家先后啟動了434個大型灌區(qū)和1505個中型灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程，同時還啟動了末級渠系配套與改造、民辦公助小型水利工程、山區(qū)抗旱水池建設(shè)、農(nóng)用土地整理、灌區(qū)信息化建設(shè)等一系列建設(shè)計劃。這些工作有效地改善了灌區(qū)的水利設(shè)施狀況和灌區(qū)的工作條件，提高了灌區(qū)供水能力，對于保障灌區(qū)的灌溉用水、生活及生態(tài)用水發(fā)揮了重要的作用，灌區(qū)可持續(xù)發(fā)展的能力大大增強(qiáng)。目前，我國有效灌溉面積達(dá)8.5億畝，在占全國耕地總面積45%的土地上生產(chǎn)了近70%的糧食。　　1.1 灌區(qū)水資源與水環(huán)境　　1.1.1 灌區(qū)水均衡機(jī)制　　流域尺度天然狀態(tài)下的水量平衡，是以降水為輸入，以徑流、蒸發(fā)為輸出的一種自然水平衡形式。以Horton產(chǎn)流理論（Horton，1933）、謝爾曼單位線（Shermanunithydrograph，Sherman，1932）概念、“四水（大氣水、地表水、土壤水和地下水）”　　轉(zhuǎn)換理論等為代表，研究人員在水文循環(huán)和水均衡要素方面開展了大量的研究工作。對于水量平衡中具有關(guān)鍵意義的蒸發(fā)和入滲問題，早在20世紀(jì)30年代就有研究人員開始了入滲率及入滲規(guī)律的定量研究，提出了大量用于模擬均質(zhì)單元土體下滲的經(jīng)驗或半經(jīng)驗公式。在實際流域中，為了解決由于下墊面和土壤特性的空間變化而導(dǎo)致的下滲能力的空間變異性，又提出了垂向分層、面上分布式模型或集中參數(shù)模型。近年來對于入滲的研究主要集中在微觀入滲的數(shù)學(xué)模擬和宏觀區(qū)域土壤入滲特征的描述和測定兩個方面?！　^(qū)域蒸散發(fā)研究，既包括微觀反映下墊面特性的單點模型，也包括宏觀的區(qū)域蒸散發(fā)模型，既有基于土壤、植物、大氣（SPAC）相互作用的動力學(xué)模型，也有忽略蒸散發(fā)動力學(xué)過程的系統(tǒng)模型，如道爾頓的蒸發(fā)理論、Penman蒸發(fā)公式及各種改進(jìn)模型、大尺度蒸散發(fā)模型、Raupach的大氣混合層模型等。農(nóng)田作為我國灌溉排水的主要控制對象，其空間模擬可分為大尺度（灌區(qū)尺度）、中觀尺度和小尺度（田間尺度）三種類型，由于“四水”轉(zhuǎn)化過程中的關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、時空隨機(jī)性等因素，農(nóng)田“四水”轉(zhuǎn)化過程中各水文要素的計算和評價受尺度效應(yīng)的影響，不同尺度水平上，其變化規(guī)律及定量描述有所不同，并可能對灌排模式的選擇產(chǎn)生影響，然而不同尺度間蒸散發(fā)模型的耦合和轉(zhuǎn)化尚不理想，如何將小尺度上的物質(zhì)與能量傳輸過程拓展到區(qū)域尺度，將大尺度物質(zhì)與能量的傳輸表象用于區(qū)域蒸散發(fā)仍是目前區(qū)域蒸散發(fā)研究的一個重點。此外，有作物生長條件下的潛水蒸發(fā)研究有待深化?！　∮捎谙聣|面和土壤特性的空間變異性，水循環(huán)具有顯著的地域特點，尤其是灌區(qū)這種人工干預(yù)下的水系統(tǒng)，不同區(qū)域其水系統(tǒng)的平衡要素構(gòu)成不同，要素的標(biāo)定差異也較大，而且由于人工干預(yù)程度的變化，使區(qū)域水平衡在一定意義上還表現(xiàn)出時域性，所以水平衡機(jī)制和平衡要素的空間和時間標(biāo)定就成了區(qū)域水循環(huán)研究的重點。以引黃灌區(qū)為例，引黃灌區(qū)由于黃河水的加入及大量的地下水提灌和地表水的攔蓄、區(qū)域作物種植面積增大、覆蓋期延長等原因，不僅改變了灌區(qū)下墊面的自然狀態(tài)，影響了區(qū)域的徑流、蒸發(fā)等水平衡要素間的關(guān)系，而且改變了區(qū)域水平衡構(gòu)成，影響了系統(tǒng)內(nèi)各平衡要素的計算及相互間的轉(zhuǎn)化關(guān)系。例如，灌溉引水增加了區(qū)域來水量，補充了土壤含水量和地下水；而土壤含水量的增加和地下水位的抬高，反過來又加大了地表產(chǎn)流量和陸面蒸發(fā)量；植物種植面積的擴(kuò)大、生長期的延長，增加了區(qū)域用水量和蒸發(fā)量等。同時，由于黃河灌區(qū)引黃灌溉范圍大，不同地區(qū)有不同的自然地理條件、農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)、灌溉習(xí)慣（如寧蒙灌區(qū)，尤其是寧夏灌區(qū)一直沿用以水壓鹽、大定額灌溉的方式，下游引黃灌區(qū)邊界不閉合、水系統(tǒng)開放，灌區(qū)內(nèi)部黃河水、當(dāng)?shù)氐乇硭⒌叵滤⒂?，多種灌溉模式并存等） ，這些都影響著區(qū)域水平衡，導(dǎo)致不同地區(qū)水平衡模式的變異?！　」鄥^(qū)尺度的耗水量計算，可以歸納為灌區(qū)引退水法、河段水量平衡法和面積定額法三種方法。這三種方法都是針對河流，僅從供水系統(tǒng)的水平衡考慮，而對實際的水資源耗用系統(tǒng)――灌區(qū)水系統(tǒng)采取了黑箱處理，沒有考慮灌區(qū)水系統(tǒng)的平衡和各要素的變化，沒有將供水系統(tǒng)和耗水系統(tǒng)相結(jié)合，從整個區(qū)域水平衡的角度來研究灌溉引水的消耗過程，即使局部無資料地區(qū)采用面積定額法，也主要是考慮農(nóng)作物灌溉耗水定額，而對區(qū)域內(nèi)的其他耗水要素（如非耕地的土壤蒸發(fā)、天然及人工林草植被的蒸散發(fā)、其他生態(tài)耗水等）較少考慮，加之一些灌區(qū)引退水資料誤差較大，這樣就不可避免地會出現(xiàn)區(qū)域水量估算的“不平衡”問題?！　∮捎谖覈鄥^(qū)大多興建于20世紀(jì)50～70年代，由于當(dāng)時科技條件有限，加之多年的疲勞運行，目前我國大多數(shù)灌區(qū)工程老化失修嚴(yán)重，處于超期服役或帶病運行狀態(tài)，致使灌區(qū)水資源浪費嚴(yán)重，灌溉水利用率低，灌溉效益大幅度衰減。灌溉系統(tǒng)中60%的水量損失都發(fā)生在輸水過程中，渠系的滲漏消耗除了造成灌溉水的有效利用率降低之外，還會引起地下水位的上升，最終導(dǎo)致環(huán)境的破壞（次生鹽堿化、沼澤化等），研究灌溉系統(tǒng)長期運行后灌區(qū)地下水動態(tài)變化趨勢對灌區(qū)制定科學(xué)水管理措施是一項重要工作。我國許多大型灌區(qū)進(jìn)行節(jié)水改造和續(xù)建配套，其中一項主要措施是進(jìn)行渠道的防滲，一般而言，渠道防滲可使灌溉水的有效利用率提高20個百分點，但渠系輸水損失的減少將改變原來的平衡狀態(tài)，形成新的平衡點，在新的平衡條件下，地下水埋深在什么程度，同樣涉及灌區(qū)未來的環(huán)境狀況，并且灌溉渠道采取防滲措施前后水文循環(huán)規(guī)律的變化對灌區(qū)水平衡要素的影響是不可忽視的?！　」鄥^(qū)區(qū)域水平衡機(jī)制是極其復(fù)雜的動態(tài)過程，例如，區(qū)域地下水資源與地下水開采和補給量、灌區(qū)農(nóng)作物需水量、灌溉水量、蒸發(fā)和滲漏量、降雨量及其他用水量都是隨時間和空間變化的，具有很大的時間和空間變異性，并且這種時間和空間變異性隨灌區(qū)面積的增大而增大，因此對大型灌區(qū)水平衡及耗水量進(jìn)行準(zhǔn)確計算十分困難。因為對大尺度區(qū)域內(nèi)水平衡機(jī)制的研究不夠，特別是相關(guān)資料的缺乏及分散，在傳統(tǒng)的灌區(qū)水平衡及耗水量的計算中，常常對許多變量和參數(shù)只能在整個灌區(qū)和一個很長的時段內(nèi)取一個經(jīng)驗值（或平均值）來進(jìn)行計算，難于取得合理的計算結(jié)果，因而成為制約掌握灌溉耗水規(guī)律，合理和有效地利用灌區(qū)水資源的瓶頸因素?！　」鄥^(qū)水資源的統(tǒng)一管理和可持續(xù)利用，不僅指灌區(qū)引水河流干流水資源，而是指包括流域地表水和地下水在內(nèi)的整個水系統(tǒng)；考慮維持人類生存的生態(tài)環(huán)境用水的流域水資源管理和優(yōu)化配置，不能僅用傳統(tǒng)的以限定流域水資源開發(fā)利用程度來調(diào)節(jié)人類活動系統(tǒng)與天然生態(tài)系統(tǒng)間的水資源分配，而應(yīng)從全方位準(zhǔn)確定量各類用水需求（包括生態(tài)用水）的角度來考慮；流域水資源的可持續(xù)利用不是簡單地以水定發(fā)展，而應(yīng)在了解掌握流域各用水戶需求規(guī)律的基礎(chǔ)上，根據(jù)水資源的承載能力，通過對水資源的合理配置，科學(xué)調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，使之與相應(yīng)階段的水資源承載能力相適應(yīng)。同時，隨著工程水利向資源水利、傳統(tǒng)水利向現(xiàn)代水利和可持續(xù)發(fā)展水利的轉(zhuǎn)變，水資源管理的內(nèi)涵和范疇也正在變化，水資源的配置必須與流域經(jīng)濟(jì)發(fā)展相結(jié)合，供水必須與用水、耗水相結(jié)合?！　?.1.2北方寒區(qū)及南方平原灌區(qū)水均衡特點與水文機(jī)制　　我國的寒區(qū)遍布在中低緯度的青藏高原、西北高山和東北的大興安嶺及松花江流域地區(qū)，面積大約占全國的43%，其中30%存在永久性凍土，70%存在季節(jié)性凍土。寒區(qū)因為凍土層的廣泛存在，該區(qū)水循環(huán)驅(qū)動機(jī)制、水平衡具有其自身特色，水文特點與無凍土區(qū)相比有顯著區(qū)別。永久凍土和季節(jié)性凍土對上層土壤含水量、土壤蒸發(fā)能力和土壤入滲有著深刻影響，從而影響區(qū)域產(chǎn)匯流甚至水循環(huán)特性。　　Slaughter等（1978）認(rèn)為凍土層因其弱透水性可以提高流域降水的產(chǎn)流量?！　uchment 等（2002）開發(fā)了多年凍土區(qū)基于物理過程的分布式產(chǎn)流模型，模型在考慮基本水文過程的基礎(chǔ)上又考慮了凍土凍融對水循環(huán)的影響。Warrach 等（2001）將陸面過程的水文模型與大氣模式耦合，應(yīng)用一些經(jīng)驗方程對土壤的凍融過程進(jìn)行模擬，模擬的土壤溫度和土壤水含量精度較高。Goran等（2002）基于實測數(shù)據(jù)開發(fā)了一個簡單的土壤凍結(jié)深度模型，并將其耦合到水文局模型（ Hydrolo-giska Byr狽ns Vattenbalan savdelning ，HBV模型）中。Jansson等（2001）開發(fā)了土壤-植物-大氣連續(xù)體熱量及物質(zhì)傳輸耦合模型（coupled heat and mass transfermodel for soil-plant-atmosphere systems）并用來模擬寒區(qū)蒸騰作用，結(jié)果較好。　　Dornes 等（2008）將基于物理機(jī)制的分布式水文模型應(yīng)用在加拿大的亞北極和北極地區(qū)，把水文模型的陸面植被參數(shù)進(jìn)行區(qū)域化來模擬融雪和凍土對水資源的影響。William 等（2008）將空氣動力學(xué)與下墊面土壤和雪的凍融過程中的水熱耦合作用相結(jié)合，模擬了北極及高山凍土區(qū)的徑流過程。我國對寒區(qū)凍土影響下水循環(huán)的研究開始于20 世紀(jì)60 年代，對寒區(qū)冰川、凍土的水文觀測進(jìn)行了實驗研究，著重于地表與大氣間的水熱交換過程研究，研究發(fā)現(xiàn)其凍結(jié)和解凍過程直接影響著凍土區(qū)徑流的產(chǎn)匯流過程及其徑流特征。關(guān)志成等（2001 ，2002 ，2003）分別將水箱模型和薩卡拉門托模型與寒區(qū)水文物理模型相結(jié)合，開發(fā)了寒區(qū)概念性水文模型，描述寒區(qū)水文產(chǎn)流特性。張世強(qiáng)等（2004）應(yīng)用可變下滲能力模型對青藏高原的多年凍土水循環(huán)要素的土壤濕度和蒸發(fā)量等進(jìn)行模擬。陳仁升等（2006）將分布式水熱耦合陸面過程模型（distributed water-heat coupled model，DWHC）與中尺度大氣數(shù)值模型MM5（mesoscale model version 5）嵌套，模擬了高寒地區(qū)的水文特征，從結(jié)果看，這些模型都有一定的模擬精度。牟麗琴（2008）將基于代表性單元流域（representative elementary watershed，REW） 的流域熱力學(xué)系統(tǒng)水文模型（thermodynamic watershed hydrological model，THModel）應(yīng)用在宏觀尺度來描述流域的水文過程，為寒區(qū)水循環(huán)模擬提供了新思路?！　⊙芯咳藛T不僅利用水文模型對寒區(qū)的各種物理機(jī)制及其伴生過程進(jìn)行了研究，對于各種設(shè)定場景條件下的水文過程亦開展了相關(guān)研究。沈永平等（2002）認(rèn)為在聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on ClimateChange，IPCC）的情景下，青藏高原凍土區(qū)的氣溫到2100 年將上升2～3.6 ℃ ，同時冰川融水占河流總徑流的比重將由現(xiàn)在的25%下降到18% 。Yamazaki（2006）認(rèn)為由于受氣候變暖的影響，多年凍土區(qū)凍土融化深度增加，河流直接徑流率和退水系數(shù)將呈現(xiàn)明顯減少的趨勢。Oogathoo（2006）應(yīng)用結(jié)合積融雪和凍土條件的MIKE SHE 模型對加拿大Canagagigue Creek 流域進(jìn)行模擬，并設(shè)定情景進(jìn)行水資源演變分析，認(rèn)為在砍伐森林的情景下會減少11%的總徑流；在城市化的情景下洪峰流量減少，基流增加；在氣溫升高的情景下，濕潤年份徑流將增加，正常和雨量較少年份徑流將會減少。Rawlins（2006）將泛太平洋水均衡模型（pan-Arcticwater balance model，PWBM）模型應(yīng)用在加拿大的泛北極地區(qū)，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)對氣候變化的水文響應(yīng)較其對下墊面變化的水文響應(yīng)敏感，并認(rèn)為在氣候變化的情況下，該地區(qū)土壤水資源已經(jīng)由占總徑流量7%增加到27%。Doran 等（2008）根據(jù)統(tǒng)計方法分析南極洲干谷地區(qū)徑流對極端氣候下的夏季溫度的響應(yīng)，認(rèn)為在暖夏的情況下該地區(qū)徑流是冷夏的3～6000 倍。胡宏昌（2009）將土壤和水評價工具（soil and water assessment tool，SWAT）模型應(yīng)用在黃河生態(tài)源區(qū)，研究表明，土地利用/覆被變化（LUCC）對黃河徑流影響約為19%，其中枯水期影響較大，約為28%；同時在小流域的水文過程和能量過程的模擬中考慮凍土草地水文過程，分析了不同氣候變化和人類活動影響條件下的蒸發(fā)、總徑流、地表徑流和壤中流對氣溫和降水及植被覆蓋度的響應(yīng)。　　需要指出，關(guān)于凍土層凍融條件下土壤水運動規(guī)律的研究還不成熟，凍土影響下的流域水循環(huán)演變機(jī)制尚不明確，影響了寒區(qū)具有物理機(jī)制的流域水循環(huán)模型研究進(jìn)展。基于凍土水熱耦合的研究在田間尺度及小流域尺度應(yīng)用較好，而在大尺度的水文模擬應(yīng)用中還不太成熟?；诰哂兴疅狁詈蠙C(jī)制的寒區(qū)水文模型，在定量分析寒區(qū)大尺度流域水資源演變規(guī)律中的研究成果較少。國外對寒區(qū)的研究多集中在泛北極地區(qū)，國內(nèi)研究集中在青藏高原及西北高山地區(qū)，我國東北地區(qū)與這些地區(qū)存在較大的差別，在該區(qū)域鮮有具有地區(qū)特色的分布式水文模型及基于分布式水文模型的水資源演變規(guī)律研究成果，而且對于寒區(qū)的灌區(qū)而言，冬季冰期不灌水，因而鮮見有關(guān)灌區(qū)冬季冰期水文循環(huán)對于水資源利用效率的影響及面源污染遷移作用等的相關(guān)報道?！　∧戏狡皆^(qū)灌溉排水系統(tǒng)主要有三個特點：洪澇漬旱交替發(fā)生、人類活動的強(qiáng)烈干預(yù)及復(fù)雜的灌溉排水系統(tǒng)。平原湖區(qū)大多地勢低洼，自然排水過程不.?！　∮昙臼芡夂樱ê?、江）水位條件的依托，雨季易發(fā)生洪澇。同時，由于地勢平坦，自流灌溉條件差，在降雨少的季節(jié)及年份，易發(fā)生干旱。例如，湖北江漢平原，由于降水時空分布不均，較大的澇、旱災(zāi)害發(fā)生頻率基本一樣，而且同年內(nèi)旱、澇災(zāi)害相繼發(fā)生（旱澇并存）的概率很大，1998年大洪水后，2000年、2001年連續(xù)兩年的大旱亦造成重大的損失；旱、澇同年發(fā)生的頻率江陵為0.68，潛江為0.43，監(jiān)利、洪湖為0.82（劉章勇等，2003）。洪澇漬旱交替發(fā)生影響著平原湖區(qū)農(nóng)田的水分狀況和水環(huán)境?！　∧戏狡皆鄥^(qū)人口密度大，土地利用率高，農(nóng)田、村莊、道路、水面、灌溉排水系統(tǒng)等覆蓋了土地面積的絕大部分，人類活動強(qiáng)烈地干預(yù)了灌區(qū)水文及水循環(huán)過程，對面源污染過程產(chǎn)生了顯著的影響，例如，排水溝渠的布局在很大程度上影響了土壤水的滯留時間，進(jìn)而影響田間水肥向排水系統(tǒng)滲流匯聚化肥物質(zhì)的濃度；不同輪灌方式下的排水量和排水組成不同將導(dǎo)致化肥的流失過程及物質(zhì)濃度的差異；隨著灌溉水的引入與地表水的攔蓄等，灌區(qū)水平衡要素相互轉(zhuǎn)化關(guān)系改變的同時，也改變了排水系統(tǒng)中的水流流態(tài)，進(jìn)而影響化肥物質(zhì)的對流、彌散和摻混過程；暴雨可能造成懸移質(zhì)隨地表徑流進(jìn)入排水系統(tǒng)。這些都使灌區(qū)的面源污染物運移轉(zhuǎn)化流失規(guī)律表現(xiàn)出更多的不確定性?！　⌒枰M(jìn)一步指出，我國的土地利用和種植方式與國外有較大的差別，即便是在平原農(nóng)業(yè)區(qū)和大型灌區(qū)，灌溉田塊一般小于1畝，北方的井灌區(qū)和井渠結(jié)合區(qū)，灌溉控制的面積更小，而國外主要以大片的耕種和農(nóng)業(yè)機(jī)械化作業(yè)為主，兩種不同種植方式的產(chǎn)流特點將有較大差別，目前國際上流行的農(nóng)田產(chǎn)流計算模型（如SCS等）不一定適用于我國農(nóng)業(yè)耕作的現(xiàn)狀。另外，目前的產(chǎn)流模型以經(jīng)驗?zāi)Ｐ秃徒y(tǒng)計模型為主，并且主要應(yīng)用于流域尺度，對分布面積廣，類型千差萬別的農(nóng)田徑流而言，參數(shù)的率定和地區(qū)性差異限制了模型的應(yīng)用。需要研究灌溉排水條件下農(nóng)田產(chǎn)流的物理模型，根據(jù)非飽和土壤水分運動理論，在一定降雨過程和灌溉制度條件下，建立與土壤物理參數(shù)、灌排方式、氣象條件和作物生長階段相關(guān)的農(nóng)田地表水徑流模型，維持農(nóng)田地表水、土壤水和地下水的基本平衡，精確描述灌溉農(nóng)田的地表徑流產(chǎn)流過程?！　?.1.3灌區(qū)水資源利用及節(jié)水　　由水利部批準(zhǔn)發(fā)布的《節(jié)水灌溉工程技術(shù)規(guī)范》（GB/T50363―2006）中，對節(jié)水灌溉的定義如下：節(jié)水灌溉是指用盡可能少的水投入，取得盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)出的一種灌溉模式，目的是提高水的利用率和水分生產(chǎn)率。節(jié)水灌溉的內(nèi)涵包括水資源的合理開發(fā)利用、輸配水系統(tǒng)的節(jié)水、田間灌溉過程的節(jié)水、用水管理的節(jié)水及農(nóng)藝節(jié)水增產(chǎn)技術(shù)措施等方面。從水源形成作物產(chǎn)量要經(jīng)過以下四個環(huán)節(jié)：通過渠道等輸配水措施將水從水源輸送到田間；將引入田間的灌溉水均勻地分配到指定的面積上轉(zhuǎn)化為可供作物吸收利用的土壤水；作物吸收，利用土壤水以維持其生理活動；通過復(fù)雜的生理過程形成產(chǎn)量。從整個灌溉過程上著手，凡是能夠減少灌溉水損失、提高灌溉水使用效率的措施、技術(shù)和方法都屬于節(jié)水灌溉范疇。吳普特等將節(jié)水灌溉技術(shù)歸納為五種技術(shù)：水源開發(fā)技術(shù)、輸配水技術(shù)、田間灌溉技術(shù)、農(nóng)藝技術(shù)與管理技術(shù)。節(jié)水灌溉實際上是以農(nóng)業(yè)高效用水為目標(biāo)，以上述五種技術(shù)為核心的一種規(guī)范化和概念化模式，如圖1.1所示。　　……

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