基于農(nóng)田水土環(huán)境限制因子的河套灌區(qū)引黃水量閾值模擬研究.pdf

1、內(nèi)蒙古河套灌區(qū)面臨引黃水量大幅減少的嚴(yán)峻形勢，長期形成并在一定程度上趨于穩(wěn)定的區(qū)域農(nóng)田水土環(huán)境必將發(fā)生改變，尋求適合地區(qū)特點(diǎn)的區(qū)域農(nóng)田水土環(huán)境預(yù)測方法，較客觀的提出農(nóng)田水土環(huán)境限制因子下灌區(qū)引黃水量的閾值，將對灌區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、水資源的可持續(xù)利用具有重要的科學(xué)及現(xiàn)實(shí)意義。
　　研究以內(nèi)蒙古河套灌區(qū)為背景，以永濟(jì)灌域隆盛試驗(yàn)示范區(qū)為典型研究區(qū)，以耗水量大且對鹽分呈中度敏感的玉米為代表作物，結(jié)合盆栽試驗(yàn)與相關(guān)研究結(jié)論，綜合確定了

2、農(nóng)田水土環(huán)境限制因子（土壤水分、鹽分、地下水埋深及礦化度）的閾值（滿足玉米正常生長）;通過較為系統(tǒng)的田間觀測試驗(yàn)，對農(nóng)田水土環(huán)境各限制因子進(jìn)行經(jīng)典統(tǒng)計分析及時空動態(tài)分析;在田間觀測試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了分布式非飽和-飽和帶水鹽運(yùn)移耦合模型，基于農(nóng)田水土環(huán)境閾值分別對典型研究區(qū)生育期、秋澆期的灌水量閾值進(jìn)行了模擬預(yù)測;利用典型研究區(qū)灌水量與5大灌域灌水量建立了回歸關(guān)系，以典型研究區(qū)引水量閾值結(jié)合回歸方程反求各灌域灌水量閾值，初步得到河套灌區(qū)

3、引黃水量閾值。本文取得的主要研究成果如下:
　　通過不同土壤質(zhì)地凋萎系數(shù)試驗(yàn)與不同鹽分土壤作物出苗率試驗(yàn)，結(jié)合適宜土壤含水率、作物耐鹽閾值與地下水適宜埋深值等相關(guān)研究結(jié)果，綜合確定出玉米種植期、苗期-拔節(jié)期、拔節(jié)-抽雄期、抽雄-灌漿期、秋澆后封凍前的各限制因子閾值，其中土壤含水率閾值為:10％～15％、15％～20％、18％～25％、18％～25％、20％～24％:土壤含鹽量閾值:0.5 mS/cm、0.8 mS/cm、1.5 m

4、S/cm、1.7 mS/cm、0.45 mS/cm;地下水埋深閾值為:1.8～2.2 m、1.6～2.0 m、1.6～1.8 m、1.6～2.0 m、1.8～2.0 m;地下水礦化度閾值為:3g/l、1.7 g/l、1.8 g/1、2g/l、3g/l。
　　利用經(jīng)典統(tǒng)計分析方法對各限值因子的試驗(yàn)觀測值進(jìn)行統(tǒng)計分析得知，土壤含水率、土壤含鹽量、地下水埋深、地下水礦化度各時間段的觀測值均呈中度變異性，其中土壤表層鹽分與地下水礦化度的變

5、異系數(shù)明顯高于土壤水分與地下水埋深的變異系數(shù)，呈中度偏強(qiáng)變異性。土壤含水率、地下水埋深的觀測數(shù)據(jù)以及經(jīng)對數(shù)變換后的土壤含鹽量、地下水礦化度觀測數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布。
　　采用地統(tǒng)計學(xué)中的克里格插值方法，通過Surfer軟件實(shí)現(xiàn)對典型研究區(qū)土壤耕層0～40 cm的土壤含水率、含鹽量及地下水埋深、礦化度的空間插值分析。在空間上，受邊界條件和地勢條件的影響，典型研究區(qū)土壤含水率、土壤含鹽量、地下水埋深及礦化度由西北至東南均呈現(xiàn)為由高（淺）至

6、低（深）變化，空間分布規(guī)律表現(xiàn)出一致性。利用灰色關(guān)聯(lián)分析法對不同埋深條件下水鹽關(guān)聯(lián)度分析得知，當(dāng)?shù)叵滤裆顥l件為2m時，土壤含水率、土壤含鹽量、地下水埋深和地下水礦化度的灰色關(guān)聯(lián)度達(dá)到相對平衡狀態(tài)，說明典型研究區(qū)年均潛水蒸發(fā)極限深度應(yīng)為2～2.5 m之間。
　　在先進(jìn)的3S技術(shù)支撐下，利用地質(zhì)統(tǒng)計學(xué)原理將典型研究區(qū)劃分為土壤表層(0～20cm)鹽分、質(zhì)地相對均一的3個小區(qū)，在此基礎(chǔ)上建立了分布式非飽和帶土壤水鹽運(yùn)移SWAP模型，并

7、對模型參數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證;以Visual MODFLOW為平臺建立了典型研究區(qū)的地下水流及溶質(zhì)運(yùn)移模型;以非飽和帶在地下水位處的水流通量和溶質(zhì)通量以及地下水埋深作為耦合邊界，構(gòu)建了區(qū)域分布式非飽和帶-飽和帶耦合水鹽運(yùn)移模型及其算法，并對耦合模型進(jìn)行了循環(huán)檢驗(yàn)。
　　運(yùn)用檢驗(yàn)后的耦合模型預(yù)測滿足農(nóng)田水土環(huán)境限制因子閾值下典型研究區(qū)的灌水量閾值，典型研究區(qū)不同水文年生育期的灌水量閾值分別為:枯水年296～308mm、平水年197～2

8、20mm、豐水年118～130 mm;秋澆期的灌水量閾值平均為:178～194mm。
　　以典型研究區(qū)灌水量與各灌域的灌水量建立了回歸關(guān)系，在典型研究區(qū)灌水量閾值的基礎(chǔ)上，反求各灌域灌水量閾值，通過直接計算法得到河套灌區(qū)引黃水量平均年閾值為38.1389～41.8257億m3。
　　研究利用土壤與地下水鹽數(shù)值模型從精細(xì)微觀定量的角度來預(yù)測河套灌域引黃水量閾值，研究結(jié)果將為內(nèi)蒙古河套灌區(qū)的水資源可持續(xù)利用以及地區(qū)生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)