渠井结合灌区农户灌溉用水模型的开发及应用

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随着我国农业发展水平的不断提高,大型灌区对我国农业的高产、稳产乃至全国的粮食安全都具有举足轻重的地位。自上世纪70年代以来,在原有渠道灌溉系统的基础上,我国北方一些灌区已开始大力发展井灌设施,利用地下水进行灌溉代替排水,形成了渠井双灌模式。渠井结合灌区的水循环受诸多人类活动的影响,因此过程复杂且难以量化。统计模型等传统的研究方法难以定量计算各影响因素对水循环的影响,需要在水文模型中考虑农户灌溉用水行为因素,来构建更符合实际的水循环模型。本文以典型区域渠井结合灌区——陕西省宝鸡峡灌区为研究区,通过实地野外调查的方式,收集了大量的农户灌溉用水数据,在进一步分析并概化渠井结合灌区水循环特征的基础上,采用Python语言构建了渠井结合灌区农户灌溉用水模型,使得该模型可以综合考虑灌溉水源、灌溉定额、灌水时间和灌溉方式等环节对灌区水循环的影响,最后假设出不同情景,使模型模拟出灌区地下水埋深变化趋势,以期为灌区水资源管理提供强有力的技术支撑。研究主要取得的主要结论如下:(1)选择“自下而上”的方式调查陕西省宝鸡峡灌区15个管理站,依据条件筛选了397户农户,在了解其相应灌溉决策安排的基础上设计调查问卷。调查结果表明:农户拥有1-4亩地的比例最大;务农总收入在3000-8000元所占比例最高,主要原因是耕地面积和种植结构的调整;农户最关心的问题是关于农业用水的方面。进一步对收集到的定量定性数据进行可视化处理,同时为模型的构建提供数据基础。(2)系统梳理了灌溉用水各个环节,列举了包括水源位置条件、渠井灌溉原则、水价、渠系维护、灌水量、地下水埋深、水资源缺乏在内的七种影响因素,针对灌区水循环实际情况,构建了包括水文模块、作物模块、农户生计模块和灌溉行为模块4个模块的渠井结合灌区农户灌溉用水概念模型,实现了农户行为与水文物理过程之间的紧密耦合。概念模型可以方便农户灌溉实践的安排,帮助农户提高灌溉用水效率,增加作物产量,提高农业收入,引导政府制定更加科学的灌溉政策,加快农业发展。(3)由于不合理的灌溉方式导致农户较低的收入,使得需要一个模型来指导农户的农业生产。基于Python语言开发,使用Num Py、Pandas、Matplotlib、Seaborn等扩展程序库,构建了了水文函数(Hydrological_Model)、作物产量函数(Crop_Model)、农户生计函数(Livelihood_Model)和辅助功能模块(Utility_model)四个子模块。模拟结果输出主要有日地下水埋深变化量、作物产量和农户收入三部分。模型的预测结果假设灌溉方式为渠井结合灌溉模拟的地下水变化结果更为准确,验证了HCLU模型计算过程的合理性和模拟结果的正确性。利用Python语言可以更方便的实现复杂模型的建立,该模型的建立也为今后使用Python语言建立模型提供指导。(4)基于农户灌溉用水模型模拟灌区渠井结合灌溉对地下水的影响,设定模拟了不同灌溉情景,在模拟灌溉量上做出较大改进,分别设置不同的渠井灌灌溉用水比例,不同的节水效率,不同的种植结构比例,以及其组合情况下模拟了灌区地下水埋深的变化趋势。渠井用水比例对灌区地下水动态的影响最大。采用节水措施可以使地下水埋深有一定回升,经济作物种植比例增加在使农户收入增加的同时也会造成地下水埋深下降,为农户合理安排灌溉和调整合适的种植结构、选择灌溉方式、提升收入提供了理论指导。
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