海河流域黑龙港区农田水循环模型与实验研究-地质工程专业论文.docxVIP

华北水利水电学院硕士学位论文 华北水利水电学院硕士学位论文 1 1 第一章 绪 论 1.1 研究背景及意义 水资源问题直接关系到国计民生和社会经济可持续发展的基本需求，水资源时间与 空间的变化又直接取决于水循环规律的认识。近几十年来，由于全球气候的变化和人类 活动的加剧，地球上的水循环和水资源状况发生了深刻的改变，很多地区发生了严重的 水问题和水危机，水问题已经成为很多国家和地区严重制约社会经济发展的重要因素， 因此对于变化环境的水循环研究是 21 世纪水科学发展一个十分重要的发展方向[1]。 海河流域是我国政治文化中心地区，与重要战略地位不匹配的是，该流域是我国乃 至全世界人类活动对于流域水循环扰动强度最大、程度最深、类型最复杂的地区。强烈 的人类活动正全面深度扰动着天然流域水循环过程，致使流域水循环在内在驱动力、循 环结构和响应参数等方面都呈现出明显的“天然－人工”二元演化特性，同时引发一系 列伴生的资源、生态与环境后效，如水资源短缺、水环境污染、生态恶化、地下水超采 等。为此国家提出了缺水地区供用水、水循环、水生态安全的国家目标，为了达到目标 必须实施以流域水循环为统一基础的水资源科学调控，首要的基础科学问题是高强度人 类活动干扰下的流域水循环与水资源演变的内在机理及其规律。本文研究的农田水循环 机理及其规律作为其中一个重要分支显得尤为重要。 我国是一个农业大国，农业是我国经济的命脉，其用水消耗占我国总用水消耗的80 ％以上，而我国同时又是一个相对缺水的国家，因此对于农业水循环的研究我国学者给 予高度重视，海河流域农业发达，尤其在海河华北平原区，2004年流域内粮食产量4576 万吨，占全国的10％，而且农业用水一直以来占总用水量的比重较大，因此在海河流域 人类活动密集、各类水问题突出、呈现出明显的“天然－人工”二元演化特性的背景下， 研究人类活动干扰下的农田水循环内在机理和规律具有十分重大意义。 1.2 研究进展 1.2.1 农田水循环研究综述 1.2.1.1 农田水循环机理研究现状 农田水循环[2]是以连续的、系统的、动态的观点和定量方法为基础进行研究的，即 把土壤、植物、大气看作一个物理上的连续体。Philip 于 1966 年提出了较为完整的关于 SPAC (Soil .Plant. Atmosphere Continuum) 的概念[3]，认为尽管介质不同，界面不一，但 在物理上都是一个统一的连续体，从而奠定了农田水分转化的理论基础。在有作物覆盖 的农田中，植物的蒸腾是田间水分循环的重要组成部分。由于水势梯度的存在，土壤中 的水分通过根系吸收进入植物体内，除部分消耗于植物生长和代谢作用外，大部分又由 PAGE PAGE 10 植物体通过叶面向大气扩散。因此，在研究有作物生长条件下的农田水分运动时，不仅 仅需要分析农田水分状况和水分在土壤中的运动，还需要考虑土壤水分向根系的运动和 植物体中液态水分的运动以及自植物叶面和土层向大气的水汽扩散运动等，为了完整地 解决农田水分运动问题，必须将土壤－植物－大气看作一个连续体，这就是 SPAC 系统。 SPAC 系统概念的建立有利于在农田水分和生态研究中从整体上把握土壤湿度、溶质分 布与植物根系吸水、吸养、光合作用的动态关系，以及受到太阳辐射和大气水热运动影 响的蒸腾蒸发过程[1]。 早期的农田“四水”转化研究大多集中在地下水浅埋条件下农田水分转化特征分析。 刘绪震[4]利用河南省周口市搬口水文试验站 1979～1982 年的观测资料，分析了地下水位 浅埋地区的“四水”转化规律，认为由于地下水位变化迟缓，各次降雨对水分转化的影 响发生了重迭，但没有分析重迭现象存在的规律及其对水分转化过程的作用。张德祯等 [5]研究了种植作物条件下不同灌水条件下农田“四水”转化关系，根据实测土水势剖面 资料，认为降雨入渗补给量随地下水埋深增大而减小的认识是不正确的，也不存在降水 入渗等于零的补给作用深度。卢德生等[6]建立了降雨、地表水、土壤水、地下水相互作 用的耦合模型，并用数值解法对实际暴雨进行了模拟，但没有考虑作物种植条件下根系 的吸水作用。雷志栋等[7]将平原地区浅层地下水区分为“浅埋”和“深埋”两种类型， 认为地下水位浅埋时地下水的入渗补给和潜水蒸发交替发生，而对于地下水埋深较大 时，地下水常年接受入渗补给，不发生潜水蒸发。杨建锋等[8]则将土壤水和地下水的转 化关系分为三类：①地下水埋深大于其极限埋深(地下水极限埋深系指由潜水面上移流 量开始为零时的地下水埋深)，此时土壤水一地下水之间为单向联系，土壤水始终下渗 补给地下水，数值模型可不考虑地下水的作用。②地下水埋深介于其极限埋深和土壤根 区深度之间，土壤水一地下水之间为双向联系，水量交换频繁，土壤水数值模型有必要 考虑