冬小麦-夏玉米轮作农田灌溉制度模拟优化方法及应用.docVIP

　　冬小麦-夏玉米轮作农田灌溉制度模拟优化方法及应用 第1章 绪论 1.1研究背景与意义 世界人口的不断膨胀带来的是对饮用水、食物、能源以及与水资源相关的服务需求的激增。全球各用水部门的用水需求显著增加，问题主要集中表现在发展中国家及新兴国家[1]。我国作为新兴大国目前正处在发展阶段，工业、农业、生活用水需求十分巨大，水资源供需矛盾日益突出。2011 年中国水资源公报数据显示，2011 年我国水资源总量为 23256.7 亿 m3，比常年值偏少 16.1%，是 1956 年以来最少的一年。面对如此严峻的水资源情势，如何合理的开发利用水资源，实现水资源的优化配置，提升用水效率是实现社会经济可持续发展亟待解决的关键问题。农业作为国民经济发展的基础与战略产业，对确保社会经济持久快速发展起到决定性作用。中国是农业大国，每年农业用水量 3700 多亿 m3，占全国总用水量的 62%左右[2]，其中农田灌溉用水占农业用水的 90%左右[3]。作为世界上的灌溉大国，我国约 70%以上粮食、80%以上棉花和 90%以上蔬菜都源自灌溉农业[4]。统计表明，由于全国工业和城镇化水平的日渐提高，灌溉用水被挤占，农业用水总量呈下降趋势[5]。近年来水旱灾害频发，每年农业生产缺水高达 300 亿 m3。若考虑供水中地下水超采和超标准污水直灌等不合理供水因素，则每年实际缺水量则在 300~400 亿 m3之间[6]。每年因缺水直接导致的粮食损失约 200 亿 kg。与严峻的农业用水紧缺形势相对的是用水浪费严重、农业用水方式落后和农业用水效率低下等问题。截止 2009 年，我国农田有效灌溉面积为 5933 万 hm2，仅占全国耕地面积的 48.7%，其中节水灌溉面积则仅占农田有效灌溉面积的 43.4%[7]，喷灌和微灌等节水灌溉方式仅占灌溉总面积的 2.6% 左右, 与发达国家差距很大[8]。通过技术和工程措施改造，我国灌溉水利用效率基本达到 0.5 左右，但仍与世界先进水平相去甚远。因此，改变传统农业灌溉方式，加强农业节水技术，提高农业灌水效率，对确保我国粮食安全与水资源可持续利用具有十分重要的战略意义。 1.2国内外研究进展 作物水分生产函数根据考虑时段角度的不同可以分为最终产量水分生产函数模型和生育阶段水分生产函数模型。根据是否考虑作物生长过程中干物质累积与水分的关系，又可以将水分生产函数分为静态模型和动态模型。静态模型的研究始于 20 世纪 60 年代之前，主要针对的是作物全生育期耗水量与作物产量的关系，即最终产量模型。早期比较有代表性的最终产量模型有 Arkley1963）线性模型、Hiler-Clark 模型1971）[13]、Hank 模型1974）[14]。陈亚新1992）提出了带有置信区间的线性产量估计模型。De Juen 等[15]1996）提出了考虑灌溉均匀度的水分生产函数模型。60 年代后期，许多学者通过实验发现不同生育阶段水分条件对作物产量的影响是不同的。因此，作物生育阶段水分生产函数模型在 1960 年之后被陆续提出，根据函数形式可以分为相加模型和相乘模型两种。相加模型的代表主要有 Blank1975）模型、Stewart[16]1977）模型、Suder[17]1981）模型等。相乘模型的代表有 Jensen[18]1968）模型、Hanks1974）模型、Rao[19]1988）模型等。20世纪 70 年代以来，以作物生长动力学为基础的模拟作物生长的动态模型相继出现。国外对作物生长进行动态模拟的代表模型有 Feddes[20]、Morgan[21]、Aqua Crop[22]、CERES 系列、SWAT 作物生长模块[23]、InfoCrop[24]、WOFOST[25]等模型。 第2章 研究区降水与参考作物腾发量的联合概率分布 2.1 研究区概况 北京地处 115.7deg;E~117.4deg;E，39.4deg;N~41.6deg;N，位于华北平原的西北边缘，西部、北部和东北部三面环山，东南部是向渤海倾斜的平原区域。其中，平原地区平均海拔高度 20m~60m，山地海拔高度约为 1000m~1500m。北京境内有潮白河、北运河、永定河、拒马河和泃河等五条河流穿城而过。北京年平均气温为 11.8 C，最冷与最热月分别为 1 月和 7 月，多年平均最高气温25.8oC，平均最低气温为-4.8Co 。北京地区的年平均降水量为 500mm~600mm，雨水大多集中在 6~8 月，夏季降水占全年降水的 70%~90%。北京地区的降水分布受境内山脉位置影响，迎风坡降雨较集中，背风坡降雨较少。北京东南部平原地区，海拔较低，雨量较多，年均约 600mm 左右。北京西北部的山地区域，属夏季风的背风坡，