發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 19:00

　　 地下水是半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生態(tài)安全的關(guān)鍵,天然情況下降雨入滲是其主要的補(bǔ)給方式。近幾十年灌溉農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速,半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶成為我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū),灌溉條件下地下水的補(bǔ)給主要來(lái)自降雨與灌溉回歸水。隨著灌區(qū)的發(fā)展以及灌溉技術(shù)的推廣,膜下滴灌在西遼河平原得到了規(guī)�；�的實(shí)施,對(duì)于普遍以地面灌為主的西遼河平原地區(qū),推廣膜下滴灌后將對(duì)降雨入滲和回歸水量都產(chǎn)生重大影響,改變?nèi)霛B補(bǔ)給臨界埋深。一方面基本不會(huì)產(chǎn)生灌溉回歸水,導(dǎo)致地下水的采補(bǔ)平衡水位上升,另一方面對(duì)降雨入滲補(bǔ)給地下水這一關(guān)鍵水文過程產(chǎn)生影響,進(jìn)一步影響地下水的采補(bǔ)平衡水位,形成新的臨界埋深,給區(qū)域水資源的合理開發(fā)利用帶來(lái)新問題,對(duì)區(qū)域的水資源管理產(chǎn)生根本性的影響。因此揭示灌溉方式改變對(duì)降雨入滲補(bǔ)給地下水過程及地下水臨界埋深的影響成為當(dāng)前半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶地下水科學(xué)管理面臨的關(guān)鍵問題,同時(shí)對(duì)保障半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶的地下水安全和水資源的可持續(xù)開發(fā)利用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義�；�于上述問題,本文通過在半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶典型區(qū)西遼河平原設(shè)置田間原位觀測(cè)、深層土壤取樣、地下水埋深動(dòng)態(tài)觀測(cè)以及北京大興人工控制降雨觀測(cè)試驗(yàn)等多角度對(duì)比分析灌溉方式由傳統(tǒng)地面灌改為膜下滴灌后對(duì)土壤水運(yùn)動(dòng)及水分入滲的影響。并在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,利用土壤水動(dòng)力學(xué)模型分析不同次降雨情景下膜下滴灌和地面灌降雨入滲的差異,此外還結(jié)合研究區(qū)內(nèi)的降雨、灌溉及蒸散發(fā)等綜合情況,模擬作物(玉米)生育期以及完整年內(nèi)膜下滴灌和地面灌兩種灌溉方式下的水分入滲差異。基于以上試驗(yàn)和模擬,通過改進(jìn)地面灌條件下的降雨入滲補(bǔ)給地下水臨界埋深計(jì)算模型,提出膜下滴灌方式下降雨入滲補(bǔ)給地下水臨界埋深的機(jī)理和計(jì)算方法,定量計(jì)算灌溉方式改變后地下水臨界埋深的改變,提出灌溉方式改變后保障農(nóng)灌區(qū)地下水安全的控制性臨界水位,并以此為管理目標(biāo)探索膜下滴灌推廣的適宜面積。形成的主要結(jié)論如下:(1)根據(jù)田間原位觀測(cè)分析結(jié)果,膜下滴灌對(duì)于土壤含水量的影響可按照玉米的生長(zhǎng)情況劃分為以下兩個(gè)階段。一是覆膜苗期階段:膜下滴灌的土壤初始含水量要比地面灌高5.8%,覆膜保墑明顯提高土壤含水量。二是主要生長(zhǎng)階段:膜下滴灌提供相對(duì)更好的生長(zhǎng)環(huán)境,玉米生長(zhǎng)消耗水分導(dǎo)致其土壤水分虧缺大于滲量和入滲深度兩個(gè)指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)。天然降雨情況下,綜合兩處試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)據(jù),膜下滴灌的次降雨有效入滲量小于地面灌,二者相差5.9%,即與地面灌相比,膜下滴灌的實(shí)施會(huì)減少降雨有效入滲量。就降雨入滲深度而言,單次降雨量在30mm左右時(shí),入滲深度基本在2m以內(nèi),當(dāng)雨量超過40mm后,兩種灌溉方式下的降雨入滲深度基本都能達(dá)到2m,根據(jù)不同時(shí)刻入滲深度的大小比較關(guān)系趨勢(shì),地面灌的入滲深度將首先達(dá)到2m。(2)通過深層土壤(4-5m)取樣分析表明,地面灌方式下土壤水分入滲深度可以達(dá)到5m或者更深,而膜下滴灌方式下土壤水分入滲深度較少能達(dá)到4m。通過監(jiān)測(cè)井井水位動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)得到,在汛前至汛后穩(wěn)定階段內(nèi),在灌溉、降水、蒸發(fā)等多種因素共同影響的條件下,地面灌區(qū)域降雨入滲補(bǔ)給和灌溉回歸水補(bǔ)給地下水明顯,井水位出現(xiàn)抬升現(xiàn)象,而膜下滴灌區(qū)域的井水位則處于下降趨勢(shì)。玉米主要生長(zhǎng)階段內(nèi),大降雨事件對(duì)地面灌區(qū)域的地下水具有一定的補(bǔ)給作用,而膜下滴灌區(qū)域的地下水則基本接受不到降雨入滲的補(bǔ)給。(3)人工降雨條件下,入滲水量分析結(jié)果表明,降雨過程中膜下滴灌壟溝位置土壤水分增幅最大,地面灌次之,膜中位置增幅最小。降雨結(jié)束后壟溝位置水分消退明顯,地面灌水分變化平緩。時(shí)間變化上壟溝位置水分最早增加,且水分在各深度間運(yùn)移時(shí)間最短,地面灌次之,膜中位置存在明顯延遲。結(jié)合兩種灌溉方式下雨后不同時(shí)間的入滲深度,刻畫出膜下滴灌方式下降雨的二維入滲形式,展現(xiàn)隨雨量的增加和入滲的持續(xù),波狀曲面入滲逐漸坦化并趨于平面的入滲特征。(4)通過次降雨及完整年兩種灌溉方式的水分入滲模擬,得出了不同土壤含水量情況下兩種灌溉方式的入滲深度差異,綜合西遼河平原降雨年內(nèi)分布及作物生長(zhǎng)情況,灌溉方式改變后入滲深度的變化趨勢(shì)多屬作物主要生長(zhǎng)階段模擬結(jié)果的范疇,即膜下滴灌的入滲深度都小于地面灌入滲深度;結(jié)合完整年模擬的水分通量和入滲深度結(jié)果,完整年入滲過程可分為入滲波動(dòng)階段、入滲顯著階段和入滲穩(wěn)定階段,膜下滴灌最終的入滲深度比地面灌小1.3m。(5)根據(jù)田間原位觀測(cè)試驗(yàn)及人工降雨試驗(yàn)得到的兩種灌溉方式在入滲過程、有效入滲量及土壤含水量上的差別,建立了膜下滴灌方式下降雨入滲補(bǔ)給地下臨界埋深的計(jì)算方法,得到膜下滴灌方式下入滲補(bǔ)給地下水的臨界埋深范圍介于5.1～8.0m,則灌溉方式由傳統(tǒng)地面灌改為膜下滴灌后地下水埋深的管理目標(biāo)應(yīng)該有所收緊。以此臨界埋深為控制條件,引入開采強(qiáng)度法將膜下滴灌區(qū)域概化為開采區(qū),根據(jù)開采強(qiáng)度和最大允許降深算得半干旱農(nóng)牧交錯(cuò)帶內(nèi)膜下滴灌單片推廣的面積宜控制在15萬(wàn)畝左右,以保障降雨對(duì)地下水的補(bǔ)給,維護(hù)區(qū)域的地下水安全。
【學(xué)位單位】：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：S273.4
【部分圖文】：

圖１．?１技術(shù)路線圖??ｎ??

圖２．?Ｉ西遼河平原２０００、２００５、２０１０及２０１５年土地利用圖??

根據(jù)研究區(qū)內(nèi)通遼、扎魯特旗、開魯三個(gè)國(guó)家氣象站１９８０－２０１４時(shí)段內(nèi)的年降水量??資料，采用Ｔｙｓｏｎ?ｐｏｌｙｇｏｎ?ａｌｇｏｒｉｔｈｍ計(jì)算西遼河平原的年均降水，并進(jìn)一步求得西遼河??平原的多年平均降水量為３４２．３ｍｍ，結(jié)果如圖２．３所示。由圖可知，西遼河平原１９８０－??２０１５年間的年降水量在波動(dòng)中呈現(xiàn)略微減少的趨勢(shì)，年降水量?jī)A向率為??９．１２１ｍｍ．?（ｌＯａｒ１。除此之外，經(jīng)統(tǒng)計(jì)三個(gè)氣象站的多年平均降水量，通遼氣象站和扎??魯特旗氣象站的多年平均降水量基本持＇丨＇？，分別為３６２．２ｍｍ、３６６．８ｍｍ，開魯氣象站的??多年平均降水量略小，為３２４．８ｍｍ，從整體上看，西遼河平原多年平均降水量的空間分??布無(wú)顯著差異。??１００?■?Ｒ２?＝?０．０１２３??１９８０?１９８５?１９９０?１９９５?２０００?２００５?２０１０?２０１５??年份??圖２．?３西遼河平原降水年際動(dòng)態(tài)??１９??
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