华北平原在限水和咸水灌溉及喷灌情景下作物水分生产力的模拟与深层地下水压采量的估算

目录
第1章 绪论 1
1.1 研究背景和意义 2
1.2 研究进展概述 6
1.2.1 研究区及其毗邻地区冬小麦限水灌溉的田间试验进展概述 6
1.2.2 研究区内冬小麦咸水灌溉的田间试验进展概述 7
1.2.3 研究区及其毗邻区域冬小麦喷灌的田间试验进展概述 10
1.2.4 农业水文模型SWAP（或SWAP-WOFOST）在国内外的应用研究进展概述 11
1.3 研究目标和研究内容与技术路线 18
1.3.1 研究目标 18
1.3.2 研究内容与技术路线 19
第2章 材料与方法 25
2.1 研究区概况 26
2.1.1 行政区划和所选择的试验站 26
2.1.2 气候与气象 27
2.1.3 土壤 27
2.1.4 地形地貌 31
2.1.5 土地利用 31
2.1.6 种植制度与种植结构 33
2.1.7 用水结构和喷灌概况 34
2.2 SWAP-WOFOST模型的简介 38
2.2.1 土壤水分运动 38
2.2.2 土壤盐分运移 38
2.2.3 降水截留和蒸散 39
2.2.4 作物生长 42
2.2.5 灌溉 44
2.2.6 下边界条件 46
2.3 参数敏感性分析与率定及验证 46
2.3.1 参数敏感性分析的方法 46
2.3.2 参数敏感性分析的步骤 47
2.3.3 站点尺度参数率定与验证及区域尺度模型验证的步骤 56
2.3.4 率定方法 58
2.3.5 模拟精度的评价指标 59
2.4 SWAP-WOFOST模型中分布式模拟单元的构建与模拟时段的选择 59
2.4.1 气象数据及其分区 60
2.4.2 土壤水力参数及其分区 60
2.4.3 土壤盐分运移参数及其分区 61
2.4.4 土壤剖面初始盐分及其分区 61
2.4.5 作物参数及其分区 61
2.4.6 作物的播种和收获时间及其分区 62
2.4.7 灌溉制度及其分区 62
2.4.8 模拟剖面下边界和土壤初始含水量及其分区 63
2.4.9 浅层地下水矿化度及其分区 64
2.4.10 耕地与非耕地的分区 65
2.4.11 水资源的分区 65
2.4.12 县（市）域的分区 65
2.4.13 模拟时段的选择 66
2.5 限水灌溉情景的设置和模拟分析及评估 69
2.5.1 冬小麦限水灌溉模拟情景的设置 69
2.5.2 冬小麦灌水时间的推荐原则 71
2.5.3 冬小麦灌溉模式的优化 72
2.5.4 农田节水量及深层地下水压采量的估算思路 73
2.6 咸水灌溉情景的设置和模拟分析及评估 76
2.6.1 冬小麦咸水灌溉模拟情景的设置 76
2.6.2 适宜的咸水灌溉模式的求解 77
2.6.3 适宜的咸水灌溉模式与咸水资源匹配性的评估及深层地下水压采量的估算 79
2.7 喷灌情景的设置和模拟分析及评估 80
2.7.1 冬小麦喷灌模拟情景的设置 80
2.7.2 农民净收益变化的估算思路 82
2.7.3 在冬小麦生育期3种灌溉定额下灌溉方式的选择 84
2.7.4 冬小麦喷灌模式的优化与评估及深层地下水压采量的估算 86
第3章 参数敏感性分析与率定及验证的结果 89
3.1 参数的敏感性 90
3.1.1 土壤水分运动与盐分运移模块的参数 90
3.1.2 作物（冬小麦）生长模块的参数 92
3.1.3 作物（夏玉米）生长模块的参数 93
3.2 试验站点尺度的参数率定与验证 96
3.2.1 土壤水力参数 96
3.2.2 土壤盐分运移参数 96
3.2.3 冬小麦参数 96
3.2.4 夏玉米参数 98
3.3 区域尺度的模型验证 105
3.3.1 作物产量 105
3.3.2 农田蒸散量 107
3.3.3 作物水分生产力 108
3.4 小结 109
第4章 限水灌溉情景的模拟分析与评估的结果 111
4.1 限水灌溉情景模拟结果的分析 112
4.1.1 作物产量 112
4.1.2 作物生育期农田蒸散量 118
4.1.3 作物水分生产力 120
4.1.4 水量平衡 125
4.2 灌水时间推荐结果的分析 129
4.2.1 灌水3次 129
4.2.2 灌水2次 131
4.2.3 灌水1次 132
4.3 基于模拟结果优化的灌溉模式 135
4.4 优化的灌溉模式下的农田节水量及深层地下水压采量 144
4.5 小结 149
第5章 咸水灌溉情景的模拟分析与评估的结果 153
5.1 咸水灌溉情景模拟结果的分析 154
5.1.1 作物产量 154
5.1.2 作物生育期农田蒸散量 158
5.1.3 作物水分生产力 161
5.1.4 水量平衡 164
5.1.5 盐分的平衡和分布及淋洗 166
5.2 适宜的咸水灌溉模式 181
5.3 适宜的咸水灌溉模式与咸水资源的匹配性及对深层地下水的压采量 183
5.4 小结 185
第6章 喷灌情景的模拟分析与评估的结果 187
6.1 喷灌情景模拟结果的分析 188
6.1.1 作物产量 188
6.1.2 作物生育期农田蒸散量 193
6.1.3 作物水分生产力 197
6.1.4 水量平衡 199
6.1.5 农民净收益的变化 203
6.2 选出的灌溉方式 207
6.3 优化的喷灌模式及其对深层地下水的压采量 213
6.4 小结 218
第7章 结论与讨论 221
7.1 主要结论 222
7.2 讨论 227
7.2.1 研究工作的特色 227
7.2.2 研究工作的局限性 232
参考文献 234
附录 249
致谢 320
图目录
图1.1 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展参数的敏感性分析和率定及模型验证的技术路线图 20
图1.2 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展限水灌溉情景的模拟分析与评估的技术路线图 21
图1.3 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展咸水灌溉情景的模拟分析与评估的技术路线图 23
图1.4 在研究区应用SWAP-WOFOST 模型开展喷灌情景的模拟分析与评估的技术路线图 24
图2.1 研究区的地理位置图（a）及其所包含的53个县（市）和6个试验站在空间上的分布（b） 26
图2.2 研究区中各气象分区内冬小麦（a）和夏玉米（b）在生育期的降水量与降水超过概率 28
图2.3 研究区及其毗邻地区的国家基本气象站在模拟时段内（1993～2012年）的降水量和参考作物蒸散量的月动态 28
图2.4 研究区内0～10 cm（a）、10～20 cm（b）、20～30 cm（c）、30～70 cm（d）和大于70 cm（e）土层的质地三角图 29
图2.5 研究区内5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中12种质地的每种质地在各层的分布面积占研究区面积的比例 30
图2.6 研究区内5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30cm、30～70 cm和大于70 cm）中各层的体积密度在不同范围内的分布面积占研究区面积的比例 30
图2.7 研究区内0～200 cm土壤的有效水容量的空间分布（a）和5层土壤（0～10 cm、10～20 cm、20～30 cm、30～70cm和大于70 cm）中各层的田间持水量与萎蔫系数在不同范围内的分布面积占研究区面积的比例（b） 30
图2.8 研究区内数字高程（a）和地貌类型（b）的空间分布 31
图2.9 研究区在1990年（a）、1995年（b）、2000年（c）、2005年（d）和2010年（e）的土地利用类型图 32
图2.10 研究区内在1995年（a）、2000年（b）、2005年（c）和2010年（d）主要农作物的播种面积占农作物总播种面积的比例 34
图2.11 1995～2012年研究区内主要粮食作物的播种面积占粮食作物总播种面积的比例 34
图2.12 1999年研究区内各县（市）及其所属地区中农业、生活和工业的用水量占总用水量的比例 35
图2.13 1999年研究区内各县（市）及其所属地区的总用水量中来源于地表水和地下水的比例 36
图2.14 京津以南河北平原深层地下水一般超采区和严重超采区的空间范围 37
图2.15 研究区内分布式模拟单元构建的框架图 67
图2.16 研究区内各县（市）1999年农业用水量中地表水、浅层地下水和深层地下水所占比例的估算思路 74
图2.17 估算的1999年研究区各县（市）农业灌溉用水量中地表水、浅层地下水和深层地下水所占比例 75
图2.18 在研究区内设置的咸水灌溉模拟情景 77
图2.19 设置的研究区在冬小麦生育期内的固定的喷灌情景（a）和预设的喷灌情景（b） 82
图3.1 在6个试验站土壤水分运动-盐分运移模块参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 91
图3.2 在6个试验站冬小麦参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 93
图3.3 在6个试验站夏玉米参数的一阶敏感性（a）和全局敏感性（b）的指数及其排序 95
图3.4 6个试验站在参数率定阶段土壤含水量（a）、土壤盐分浓度（b）、冬小麦的叶面积指数（c）、冬小麦的地上部生物量（d）、冬小麦产量（e）、夏玉米的叶面积指数（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米产量（h）的模拟值与实测值对比 99
图3.5 6个试验站在参数验证阶段土壤含水量（a）、土壤盐分浓度（b）、冬小麦的叶面积指数（c）、冬小麦的地上部生物量（d）、冬小麦产量（e）、夏玉米的叶面积指数（f）、夏玉米的地上部生物量（g）和夏玉米产量（h）的模拟值与实测值对比 100
图3.6 研究区内各县（市）（a）冬小麦（b）和夏玉米（c）的多年平均产量之模拟计算值与年鉴统计值的对比 106
图3.7 2002～2008年研究区内农田蒸散量的模拟计算值与遥感反演值的对比 108
图3.8 1993～2012年研究区内在冬小麦和夏玉米的生育期农田蒸散量的动态 108
图3.9 1993～2012年研究区内冬小麦和夏玉米的WP的动态 109
图4.1 11种限水灌溉情景下冬小麦产量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 116
图4.2 11种限水灌溉情景下夏玉米产量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 117
图4.3 11种限水灌溉情景下冬小麦生育期农田蒸散量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 119
图4.4 11种限水灌溉情景下夏玉米生育期农田蒸散量及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区尺度的年际变化（b） 121
图4.5 11种限水灌溉情景下冬小麦的WP及其与现状灌溉情形相比的减少幅度在县（市）域尺度的空间分布（a）和在研究区