三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究_吴镇江.pdf
《三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究_吴镇江.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究_吴镇江.pdf(8页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、节水灌溉Water Saving Irrigation三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究吴镇江1,孙青言1,陆垂裕1,秦紫东2,郭辉2,杨晶亮3(1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038;2.黑龙江省水利水电勘测设计研究院,哈尔滨 150080;3.水利部小浪底水利枢纽管理中心,郑州 450099)摘 要:三江平原水稻面积变化及其引发的地下水开发利用活动对当地地下水动态变化产生了严重影响。为明确三江平原地下水补排特征及其存在的问题,基于2000-2014年变化情景下的土地利用构建动态水循环模型,在其他参数和假设不变的情况下,建立逐年的静态水
2、循环模型及预测水文模型,模拟在各土地利用情景和规划水稻种植规模下的水文过程,对比各情景下的地下水通量,探求地下水补排平衡下的水稻种植规模。结果显示:基于动态水循环现状模型分析,三江平原地下水超采严重,年均地下水蓄变量为-3.13 亿m3;对现状水资源配置格局下各静态土地利用模型对比,在2005年的水稻种植规模下,年均地下水蓄变量为-0.25 亿m3,实现了地下水补排平衡;建立在水资源配置新格局下的预测模型,对各子流域中的水稻面积同比放大,确定在水稻种植规模为304.1 万hm2时,地下水年均蓄变量为-0.84 亿m3,三江平原实现了地下水补排平衡。关键词:土地利用变化;水量平衡;适宜水稻面积;
3、MODCYCLE;三江平原;地下水采补平衡;水稻种植规模中图分类号:S271;P641 文献标识码:A DOI:10.12396/jsgg.2022232吴镇江,孙青言,陆垂裕,等.三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究 J.节水灌溉,2023(3):9-16.DOI:10.12396/jsgg.2022232.WU Z J,SUN Q Y,LU C Y,et al.Study on the suitable rice planting scale based on the balance of groundwater replenishment and drainage in Sa
4、njiang Plain J.Water Saving Irrigation,2023(3):9-16.DOI:10.12396/jsgg.2022232.Study on the Suitable Rice Planting Scale Based on the Balance of Groundwater Replenishment and Drainage in Sanjiang PlainWU Zhen-jiang1,SUN Qing-yan1,LU Chui-yu1,QIN Zi-dong2,GUO Hui2,YANG Jing-liang3(1.State Key Laborato
5、ry of Simulation and Regulation of Water Cycle in River Basin,China Institute of Water Resources and Hydropower Research,Beijing 100038,China;2.Heilongjiang Provincial Water Conservancy and Hydroelectric Power Investigation,Design and Research Institute,Harbin 150080,China;3.Xiaolangdi Project Const
6、ruction and Management Center,MWR,Zhengzhou 450099,China)Abstract:The change of rice area and the groundwater development and utilization activities in Sanjiang Plain have a serious impact on the local groundwater dynamics.In order to clarify the characteristics of groundwater recharge and drainage
7、and the existing problems in the Sanjiang Plain,a dynamic water cycle model was built based on the land use under the changing scenarios from 2000 to 2014.With other 文章编号:1007-4929(2023)03-0009-08收稿日期:2022-09-06基金项目:黑龙江省应用技术研究与开发计划资助项目(GA19C005);黑龙江省重点研发计划项目(JD22B001);流域水循环模拟与调控国家重点实验室自主研究课题(SKL2022
8、ZD02)。作者简介:吴镇江(1998-),男,硕士研究生,主要从事水文模拟及地下水方面研究。E-mail:。通讯作者:孙青言(1984-),男,正高级工程师,主要从事水文模拟及地下水方面研究。E-mail:。9三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究 吴镇江 孙青言 陆垂裕 等parameters and assumptions unchanged,a year by year static water cycle model and a prediction hydrological model were established to simulate the hydrologic
9、al process under various land use scenarios and planned rice planting scale,to compared the groundwater flux under various scenarios,and to explore the rice planting scale under the balance of groundwater recharge and drainage.The results showed that based on the analysis of the status quo model of
10、dynamic water cycle,the groundwater overdraft in Sanjiang Plain was serious,and the annual groundwater storage variable was-313 million m3;Comparing various static land use models under the current water resource allocation pattern,under the rice planting scale in 2005,the annual average groundwater
11、 storage variable was-0.25 billion m3,realizing the balance of groundwater recharge and discharge;The prediction model was established under the new pattern of water resources allocation,and the rice area in each sub basin was enlarged on a year-on-year basis.It was determined that when the rice pla
12、nting scale was 3.041 million hm2,the annual average groundwater storage variable was-0.84 billion m3,and the Sanjiang Plain has achieved the balance of groundwater recharge and discharge.Key words:land use change;water balance;suitable rice area;MODCYCLE;Sanjiang Plain;balance of groundwater exploi
13、tation and replenishment;rice planting scale0引 言三江平原是我国重要的粮食生产基地,其水稻种植面积占全区耕地面积的55%左右1。20世纪90年代以来,随着水稻种植规模的增加,地下水开采量急剧增加,形成了局部范围的地下水降落漏斗2。因此,掌握三江平原地下水动态变化规律及其影响因子对该地区水稻种植规模规划有重要的指导意义。目前适宜水稻种植规模的评价方法较为多元化,主要包括:计算地下水可开采模数和农业需水量3,4;建立 GIS 和DNDC模型估算作物耗水量5;建立模拟分析数学模型6;建立以线性规划为基础、以灌溉效益最大化为目标的优化模型7;对生态需水约束
14、计算8;通过多标准评估(MCE)和GIS技术分析土地适宜性9 规划适宜的水稻种植规模。很多学者也针对三江平原开展了适宜水稻种植规模研究,王韶华等3通过对地下水可开采模数和农业需水量进行分析评价,在考虑了三江平原环境用水的前提下分析了适宜水稻种植的面积;刘伟等10通过时间序列模型建立了三江平原597农场的地下水埋深预测模型,为597农场和整个三江平原的井灌水稻提供了决策依据;付强等11建立了非平稳时序模型,运用随机过程模拟三江平原创业农场井灌水稻的地下水动态变化,对三江平原的适宜井灌水稻规模做出规划。然而,影响地下水补排平衡的因素除了水稻种植规模,还有降水、地表水等其他水文过程12,13,如果仅
15、进行地下水模拟难以精确反映其他因素对地下水采补平衡的影响,可能使水稻种植规模的确定不够准确。因此本文以与地下水紧密耦合的综合性水文模型 MODCYCLE14,15为工具,从降水-土壤水-地表水-地下水各环节开展水稻种植规模变化对地下水补排关系的影响分析,为三江平原的水资源调配和种植结构调控提供参考。1研究区域概况三江平原位于黑龙江省东北部,是黑龙江、松花江与乌苏里江汇流的三角地带(见图1)。由于该地区在气候、水文、地形地貌、农业管理等方面的相似性,一般将其作为整体,单独进行水资源管理和水循环研究。三江平原土地总面积约10.9 万km2,其中平原区面积占三江平原总面积的52.8%,是三江平原人类
16、社会活动的主要区域1,16。三江平原土地利用类型较为复杂,受人类活动的影响,不同土地利用类型间存在明显的相互转化,其中2000-2014年间水稻变化最为剧烈,占区域总面积的比重从9.0%增加到22.8%2,17(图2),致使地下水降落漏斗扩大,对地下水的影响逐年加剧。2研究方法2.1技术思路利用2000、2005、2010、2014年的土地利用数据(见图3),对 2000-2014年内缺失土地利用数据的年份进行线性插值,构建基于动态土地利用模式的三江平原现状水循环模型,通过率定和验证18,实现了对于现状水循环过程的近似模拟。利用该模型,开展现状水稻种植规模下三江平原地下水的采补平衡分析。现状年
17、地下水处于超采状态,说明当前水稻种植面积并非三江平原的适宜水稻种植规模。基于现状水循环模型,利用模拟期内每年的土地利用数据(包括插值获得的土地利用数据)分别建立对应的静态土地利用模式的水循环图1三江平原概况Fig.1Overview of Sanjiang Plain10三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究 吴镇江 孙青言 陆垂裕 等模型,通过对比模型模拟的地下水水量平衡结果,确定现状水资源配置格局下适宜的水稻种植规模(图4)。为了进一步提高水资源保障能力,改善地下水的超采现状,三江平原积极开展地表水工程建设,提高地表水利用率,降低对地下水的依赖,将建立新的水资源配置格局,规划相应
18、的水稻种植规模。以现状水循环模型为基础,在水资源配置新格局和规划水稻种植规模下,建立 2014 年的静态土地利用模式水循环模型,其中,模型采用 2014 年的土地利用数据,水稻面积在各子流域扩大为 2030 年规划水稻种植规模,模拟该水稻面积下的地下水平衡状态。在此基础上,若三江平原地下水没有实现采补平衡,继续调整水稻面积直到地下水实现采补平衡,从而确定水资源配置新格局下的水稻适宜种植规模。2.2模型原理MODCYCLE是与地下水数值模拟紧密耦合的分布式水文模型,已在很多区域进行了成功应用19-21。其水文过程模拟可以分为两个部分,一方面是陆面水文过程,主要是通过DEM构建子流域和剖分网格单元
19、以及通过土壤类型、土地利用等数据划分HRU;另一方面是地表水网过程的模拟,包括主河道、水库、渠道等的逐级汇流与分水过程,以及客水、点源的汇入、用水消耗等。二者通过地表径流的汇流过程、引水灌溉和地表-地下水作用等进行耦合14。层次化的水量平衡校验机制是 MODCYCLE 的核心原理14。遵循先独立后整体的原则,从水文响应单元、渠道、水库、主河道、网格单元地下水、子流域地下水等进行独立层次的水量平衡核查;再进行平原区含水层、子流域中间综合层次的水平衡校验;最后进行数值模拟区、全流域整体综合层次的水平衡校验,由此形成了具有强关联的水量平衡核查机制。MODCYCLE 模 型 可 以 对 灌 溉 和 排
20、 水 过 程 进 行 模 拟。MODCYCLE模型对灌溉的模拟类似于对到达地表的降水量的处理,即从水文响应单元的土壤表层开始,模拟其积水、产流/入渗、层间下渗、壤中流、深层渗漏等各个过程22。水稻或其他水生作物种植与一般旱作作物种植的区别在于其生长期间内田间需保持有水层,判断是否需要灌溉应该根据地表的积水深度来进行,这就产生了“水稻自动灌溉”操作14,15。与地下水数值模拟的紧密耦合是 MODCYCLE 的特点之一。MODCYCLE 模型在平原区地下水模拟中采用数值算法,以网格单元的形式计算地下水的所有各项补给、排泄与均衡情况。地下水含水层不再有仅分浅层和深层的限制,而是至少分两层以上,含水层
21、可以无限划分。除第1层含水层为潜水含水层外,其他含水层均为承压含水层。在平原区,子流域无需计算各项补给和排泄项,但可以通过平原区子流域与网格单元的空间嵌套关系,根据网格单元上的模拟数据对子流图3水稻分布Fig.3Distribution of rice图4技术思路图Fig.4Technical thinking map注:LU为土地利用。图2水稻面积变化Fig.2Rice area change11三江平原基于地下水补排平衡的适宜水稻种植规模研究 吴镇江 孙青言 陆垂裕 等域的补给、排泄和蓄量变化进行统计15。土地利用的动态更新也是MODCYCLE的重要功能。以年尺度作为时间单位,以子流域作为
22、基本模拟单元,通过线性插值补充土地利用缺失年份的数据,并在水循环模拟过程中动态更新年度土地利用数据。为了保证土地利用更新前后水文循环模拟的连贯性,下一年通过新的土地利用数据划分的HRU会继承上一年度模拟的HRU蓄水量。2.3模型构建构建模型所用数据繁多(表1),大致分为空间分布数据(子流域、河网、土地利用、土壤类型等)、地下水数值模拟数据(水文地质参数、边界条件、初始条件等)、气象驱动数据(降水、风速、气温等)及人类驱动数据(农业用水、非农业用水等)。本研究先通过三江平原的实际河网和DEM 数据划分出 1 705 个子流域图 5(a),同时在兴凯湖平原和三江低平原进行地下水数值模拟,在垂向上将
23、地下水含水层分为浅层和深层,在水平上剖分为 206206 的网格 单 元,将 平 原 地 区 划 分 为 13 076 个 有 效 单 元图5(b)。3结果分析与讨论为深入挖掘三江平原地下水补排平衡与水稻种植规模的关系,本研究首先对模型进行校验和验证,然后分别对现状地下水动态变化、现状水资源配置格局下及水资源配置新格局下的地下水水量平衡通量对比分析,并以地下水补排平衡为目标,探究在各静态土地利用情景下及水资源配置新格局下三江平原的适宜水稻种植规模。3.1模型校验本研究选择了6个代表性水文站的流量数据和平原地区的21个观测井的地下水位数据(见图1),以2000-2008年作为率定期,以2009-
24、2014年作为验证期,通过确定性系数R2和纳什系数NSE对模型进行性能评估,用于率定和验证的参数选择及各水文站和观测井的评价结果见表2表4。除此之外,也对通过模型的灌溉排水功能模拟出的稻田灌溉量与灌溉站点的实测灌溉量进行了拟合和验证18。3.2现状地下水动态分析准确的评价地下水位的波动变化,可以加强对区域水文循环和地下水补排关系的认识23。在2000-2014年间,三江平原各地地下水位变化情况不同,大多数地区的地下水位降低但变幅较小,但也有部分区域地下水位变化幅度较大,地下水位最多降低-26 m(图6)。通过构建动态土地利用模式下的水循环模型,对三江平原2000-2014年的地下水补排通量进行
25、分析。研究期内,三江平原补给量和排泄量呈总体增大趋势,年际间呈动态波动趋势,但总排泄量高于总补给量(图7),年均补给量为63.55 亿表1模型输入参数和数据Tab.1Model input parameters and data数据类型空间分布数据地下水数值模拟数据气象驱动数据人类驱动数据输入数据子流域、河网、土地利用、土壤类型、农业种植结构等水文地质参数、边界条件、初始条件等降雨、风速、气温、空气湿度、辐射等农业用水、非农业用水、水库调蓄、外调水、人类开采量等图5三江平原子流域及平原区地下水网格单元Fig.5Sanjiangping atomic basin and groundwater
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 三江 平原 基于 地下水 平衡 适宜 水稻 种植 规模 研究 镇江
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。