目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景與意義 1
1.2 國內外研究發展動態 2
1.2.1 土壤水分與作物產量關繫 2
1.2.2 灌區水轉化過程及模擬 3
1.2.3 灌區水資源合理配置 4
1.2.4 灌溉用水效率評價 6
1.2.5 水分生產率的尺度效應 7
1.3 灌區水轉化機制與用水效率評估技術體繫 8
1.3.1 研究內容 8
1.3.2 研究方案與技術路線 9
1.3.3 主要成果與結論 12
第2章 漳河水庫灌區降雨時空分布及干旱特性 14
2.1 灌區概況 14
2.1.1 灌區自然環境 14
2.1.2 灌區社會經濟 15
2.1.3 灌區工程情況 16
2.1.4 灌區用水管理 18
2.2 灌區水資源非一致性分析 18
2.2.1 基於變異診斷繫統的水文序列變異識別 18
2.2.2 基於GAMLSS模型的水文序列變異識別 21
2.2.3 漳河水庫灌區水資源非一致性分析 28
2.3 灌區干旱特性分析 41
2.3.1 干旱指標選取及干旱頻率分析 41
2.3.2 干旱指標適用性比較及干旱特征分析 43
2.4 本章小結 45
第3章 稻田土壤水分運動試驗與模擬 47
3.1 稻田不同灌溉方式下土壤水分模擬 47
3.1.1 試驗方法及模型建立 47
3.1.2 監測和模擬結果分析 50
3.2 稻田不同水管理組合下土壤水滲漏分析 58
3.2.1 試驗方法及模型建立 58
3.2.2 模擬情景設置 60
3.2.3 數據分析 61
3.2.4 結果分析 61
3.3 考慮側滲的多層土壤結構水平和垂向滲流特征試驗與模擬 69
3.3.1 試驗方案 69
3.3.2 模型建立 70
3.3.3 模型驗證 71
3.3.4 結果分析 73
3.4 多層土壤水肥遷移轉化參數測試裝置及方法 78
3.4.1 測試裝置 78
3.4.2 測試方法 79
3.4.3 實例驗證 80
3.4.4 結果分析 82
3.5 本章小結 87
第4章 水稻控勢灌溉及其產量環境效應 90
4.1 水稻控勢灌溉試驗與模型 90
4.1.1 旱作水稻田間試驗布置 90
4.1.2 水稻產量響應規律分析 92
4.1.3 水分生產函數模型 97
4.2 基於AquaCrop模型的旱作水稻生產力模擬 100
4.2.1 模型簡介 100
4.2.2 模型運動過程 106
4.3 生物多樣性條件下田間需水量 111
4.3.1 農田土壤動物生物量調查 111
4.3.2 數據統計與處理 111
4.3.3 農田土壤動物群落對不同灌排處理的響應 112
4.3.4 農田土壤動物群落對環境因子的響應 115
4.3.5 考慮生物多樣性的田間需水量閾值 117
4.4 本章小結 117
第5章 不同尺度水平衡監測及灌溉水利用繫數分析 119
5.1 區域水平衡監測 119
5.1.1 試驗區概況 119
5.1.2 水平衡動態監測試驗 121
5.1.3 試驗數據處理 122
5.1.4 試驗結果分析 124
5.2 基於繫統動力學的稻田塘堰繫統水轉化模擬 127
5.2.1 稻田塘堰繫統水轉化繫統動力學模型 127
5.2.2 模型應用 129
5.2.3 模型驗證及結果分析 131
5.3 長籐結瓜灌區灌溉水利用繫數分析 134
5.3.1 田間水有效利用繫數分析 134
5.3.2 渠繫水利用繫數分析 136
5.3.3 灌溉水有效利用繫數分析 156
5.4 本章小結 169
第6章 灌區多水源水量調配機制 172
6.1 基於隨機降雨模擬的塘堰優化運行規則 172
6.1.1 模型與方法 172
6.1.2 模型應用 174
6.1.3 結果分析 176
6.2 水庫-塘堰聯合供水模式水量分配計算方法 179
6.2.1 Copula函數理論簡介 179
6.2.2 水庫-塘堰聯合供水組合模式的數學表達 181
6.2.3 應用研究 183
6.2.4 成果分析 187
6.3 水庫-塘堰聯合供水模式失效風險計算方法 189
6.3.1 水庫-塘堰聯合供水模式失效的數學表述 189
6.3.2 基於預測精度的Copula函數優選 190
6.3.3 應用研究 192
6.4 基於粒子群-人工蜂群算法的渠-塘-田優化調配耦合模型 196
6.4.1 優化調配耦合模型的構建 196
6.4.2 優化調配耦合模型求解 199
6.4.3 模型應用 201
6.4.4 結果分析 203
6.5 本章小結 204
第7章 灌區水資源高效利用調控模型 206
7.1 不確定條件下作物不同生育期間水量優化分配模型 206
7.1.1 研究方法 20'
7.1.2 實例研究 210
7.1.3 結果分析 213
7.2 變化條件下灌區水資源季節間不確定分配模型 220
7.2.1 研究方法 220
7.2.2 實例研究 224
7.2.3 結果分析 229
7.2.4 討論 236
7.3 基於供求關繫和生產函數的灌區水量使用權交易模型 238
7.3.1水量使用權交易模型 238
7.3.2 水量使用權交易計算結果分析 242
7.4 本章小結 247
第8章 灌溉用水效率評價及其考核指標 249
8.1 基於仿C-D函數的農業用水影響因子識別方法 249
8.1.1 理論基礎與指標選取 249
8.1.2 面板數據模型檢驗與選擇 252
8.1.3 農業用水影響因素分析 254
8.2 農業用水效率測算及其影響因子分析 256
8.2.1 農業用水效率測算分析方法 256
8.2.2 農業用水效率測算結果分析 267
8.2.3 農業用水效率影響因素分析 284
8.2.4 農業用水效率與灌區規模分析 286
8.3 灌溉用水效率考核指標及計算方法 287
8.3.1 農業用水效率評價指標研究現狀 287
8.3.2 萬畝灌溉取水量的計算方法 288
8.3.3 模型應用 290
8.4 灌溉用水效率綜合評價方法 292
8.4.1 灌溉用水效率評價指標體繫 292
8.4.2 灌溉用水效率評價循環修正方法 293
8.4.3 灌溉用水效率評價PCA-Copula方法 296
8.4.4 應用研究 297
8.4.5 結果分析 298
8.5 本章小結 304
第9章 灌區水分生產率尺度效應及轉換 306
9.1 水分生產率尺度效應與評價指標 306
9.1.1 水分生產率尺度效應因素 306
9.1.2水分生產率評價指標 309
9.2 漳河水庫灌區不同尺度水分生產率變化規律 312
9.2.1 研究區簡介 312
9.2.2 水稻田間尺度水分生產率 313
9.2.3 中等尺度水分生產率 320
9.2.4 干渠及灌區尺度水分生產率 322
9.2.5 水分生產率影響因素分析 330
9.3 區域水分生產率的空間尺度轉換 334
9.3.1 尺度轉換的定義及方法 334
9.3.2 Kriging插值法基本理論 336
9.3.3 田間到區域的水分生產率尺度轉換 339
9.4 本章小結 346
參考文獻 348
附圖 357

第1章緒論
1.1研究背景與意義
國以農為本，民以食為天。糧食是人類生存與發展的基礎，是國民經濟發展、社會穩定的重要物質保證。聯合國糧食及農業組織發布的《2017年世界糧食安全和營養狀況》中指出，全球糧食產量足以滿足所有人口的需求，但仍有8.15億人處於饑餓狀態。全世界面臨的**挑戰之一是如何確保越來越龐大的人口（預計將於2050年達到100億）擁有足夠的糧食滿足營養需求。要在2050年時滿足另外20多億人口對糧食的需求，全球糧食產量將需要增加50%。中國作為世界上人口*多的發展中國家，其糧食安全狀況不僅影響著自身發展，而且具有廣泛的世界效應。2004年以來，中國糧食實現“十二連增”，特別是2012年以來，糧食產量連續4年超過6億t。據《國家人口發展規劃（2016—2030年）》預測，2030年全國總人口達到14.5億左右，糧食總量需求將達峰值。如何保障中國的糧食安全，成為關繫國計民生的重大。
水利是現代農業發展的基礎，是保障糧食安全的重要支撐力。我國是農業灌溉大國，根據水利部和國家統計局發布的《**次全國水利普查公報》，全國共有大型灌區456處，總灌溉面積1867萬hm2，其中，設計灌溉面積2萬~3.33萬hm2的大型灌區占全國大型灌區灌溉面積的31%；設計灌溉面積3.33萬~10萬hm2的大型灌區占全國大型灌區灌溉面積的33%；設計灌溉面積10萬hm2以上的大型灌區占全國大型灌區灌溉面積的36%。全國共有中型灌區7316處，總灌溉面積1487萬hm2。全國共有3.33~667hm2的小型灌區205.82萬處，總灌溉面積2280萬hm2。灌區在占全國一半耕地的有效灌溉面積上生產了全國75%的糧食和90%以上的經濟作物。我國以占全球約6%的淡水資源和9%的耕地，解決了全球1/5人口的喫飯問題。隨著國家節水型社會建設的深人推進，產業結構和農業種植結構的調整以及節水灌溉技術的普及推廣，農田灌溉水有效利用繫數已提高到0.542，糧食畝均產量已提高到363.5kg。但是隨著我國城鎮化進程持續快速推進，糧食需求剛性增長，水資源日益緊張，確保國家糧食安全與農業可供水量短缺矛盾日益尖銳。《全國農業可持續發展規劃（2015—2030年）》中明確提出要確立水資源開發利用控制紅線，到2020年和2030年全國農業灌溉用水量分別保持在3720億m3和3730億m3；確立用水效率控制紅線，到2020年和2030年農田灌溉水有效利用繫數分別達到0.55和0.6以上。未來20年是中國社會經濟提質增效、轉型升級的重要時期，明晰糧食生產中不同尺度的水轉化規律與消耗機理，通過科技進步與管理改革提高水的利用效率，是保障農業可持續發展與糧食安全的根本途徑。
灌區水資源高效利用是一個復雜的繫統工程，涉及作物水分利用、灌排控制、水源調蓄等多個過程與物理、化學、生物、農藝等多因素的協同作用。隨著灌區節水改造、土地平整等工程建設的進行，地塊、田埂、溝渠、塘堰等自然條件與土地耕作、作物種植、灌溉排水等人工條件發生很大變化，導致土壤結構、入滲補給、蒸散發以及產彙流等要素均發生改變，灌區水資源高效利用的影響因素及相互作用關繫更加復雜。如何科學描述灌區復雜條件下的水轉化過程，評估灌區水轉化效率，**限度地減少供、用、耗、排中的無效水量損耗，提高降水、土壤水、地表水、地下水利用效率，滿足農業生產對水資源的需求，成為國際農業水利領域的前沿熱點問題。
本書針對我國南方典型丘陵平原灌區的自然環境與生產特點，通過不同尺度水轉化過程及用水效率監測、調控試驗和模擬，研究大田作物與灌區不同尺度水轉化機制及效應機理、不同尺度農業用水效率定量表征及提升方法和水資源高效利用綜合調控模式及效應。構建灌區水轉化及多尺度多過程耦合模擬模型，揭示灌區條件變化下的水轉化與用水效率時空特征及其尺度轉換關繫，發展農業用水效率多過程統一定量表征與多因素協同提升方法，不同自然環境條件下灌區多尺度協同高效用水機制及調控模式。對發展水資源高效利用理論與方法，促進水資源均衡配置與可持續利用，建立*嚴格水資源管理制度，解決我國農業用水效率低與干旱缺水等問題，保障水與糧食安全，具有重要理論意義與廣泛應用前景。
1.2國內外研究發展動態
1.2.1土壤水分與作物產量關繫
土壤水分狀況是影響作物生長與產量的主要因子，直接影響灌排調控及水分利用效率。為揭示不同地域土壤水分運動與作物產量形成規律，國內外建立了許多灌排試驗站，對土壤水運動及作物生長等開展了大量觀測試驗研究。費宇紅等（2012）提出了解決“四水”轉化中參數不確定性等問題的零通量面法。雷志棟等（1988）建立了飽和-非飽和土壤水運動理論。基於“水分的自發流向總是由高水勢流向低水勢，水流通量與水勢梯度成正比，與水流阻力成反比”等原理，康紹忠等（1994）建立了土壤-植物-大氣連續體（SPAC）水分傳輸理論。Kirkham等（1992）和郭慶榮等（1995）通過試驗研究了不同灌排方式下土水勢對春玉米、水稻等作物生理生態及產量的影響。Andraski等（2000）通過研究發現了溫度對土水勢的正效應；陸建飛等（1998）研究了持續土壤水分脅迫對水稻生育與產量的影響。李毅傑等（1998）研究了不同土壤水分下限對大棚滴灌甜瓜產量和品質的影響。姚寧等（2015）研究了不同生長階段水分脅迫對旱區作物生長發育和產量的影響。鄧勛飛等（2005）建立了水稻葉水勢與水分處理間相關關繫及其與主要環境因子的擬合方程，邵東國等（2010）建立了農田水肥高效利用多維臨界調控模型。李亞龍等（2004）提出了水稻各主要生長發育期的葉水勢臨界值。Beider等（2005）將其用於分析作物產量動態變化關繫、季節蒸發蒸騰量和水分利用效率。包含等（2014）提出春玉米在作物生理作用影響下，當10cm土壤深度處土水勢值下降到低於-0.18bar時，會出現根繫提水現像。林淥等（2015）研究不同水勢對溫室黃瓜花後葉片氣體交換及葉綠素熒光參數的影響，-10kPa和-30kPa分別為黃瓜開始產生干旱脅迫和干旱脅迫由氣孔限制轉向非氣孔限制的水勢臨界值。迄今，美國等已用土水勢為土壤水分指標指導小麥、玉米和番茄等作物灌溉。然而，現有水勢概念借用了等溫條件下與純水化學勢之差來表征水分能量大小，僅涵蓋了水分恆溫時與純水的分壓力勢差，並不體現實際中溫度、溶質等其他因素變化所造成的影響，不能反映水分所處狀態的總能量。對此，景衛華等（2008）提出了基於總能量的整體描述水分運動中熱運動與機械運動兩種形式的總水勢概念與計算公式，但它隻能比較各點水分能量構成和不同能量形式大4S難以判定水分運動形態，也不能定量描述水分運動過程；且現有成果大多集中在灌溉、排水等單一措施對農田尺度水轉化及產量環境效應影響上。需要綜合考慮節灌、控排對土壤水分運動與作物產量、生態環境等的影響，深人探討農田水勢定量描述方法及其狀態方程、轉化特性、調控技術與標準。
1.2.2灌區水轉化過程及模擬
灌區水轉化過程直接影響灌溉水利用率。受地形地貌、土壤植被、水文地質等自然條件和灌排繫統建設、農業生產等人類活動的雙重作用，不同地域灌區的水轉化過程存在明顯差異。為此，人們開展了大量蒸發蒸騰、滲漏、產彙流及地下水補給、排洩等試驗觀測和研究，獲取了一些重要的田間水轉化或局部水文過程觀測數據，取得了一些研究進展。康紹忠等（1995）建立了麥田“五水”轉化的動力學模式，揭示了麥田水分微循環的規律。雷慧閩等（2007）通過田間水熱通量觀測站，對山東省位山引黃灌區鼕小麥和夏玉米進行長期水熱平衡分析，研究了農田尺度水熱耦合循環過程的機制。Moussa等（2002）研究了水管理措施時空分布對灌區水文過程的影響。Davies等（2008）研究了局部蓄水設施條件下的水文過程。蔡明科等（2007）研究了節水對水量平衡的影響及其評估模型。Janssen等（2010）研究了土地利用、耕作與種植等農業措施對水轉化及利用效率的影響。Liu等（2010）研究了土壤水分空間變異性及水平衡要素的尺度特征。但灌區監測較多的是干支渠灌水量與水位，排水、產彙流等監測很少，且存在農業生產與水文監測信息非連續性、非一致性等問題。現有試驗站觀測點或田間試驗取得的成果較多注重於局部水文過程單因子效應，或多項水均衡要素試驗和測定等特殊環境下水文過程分析。
近年來，許多學者試圖借用流域水文模型方法研究灌區水轉化過程及平衡機制，並已建立了一些描述灌區水文過程的概念模型、機理模型和隨機模型。但受灌排溝渠繫統控制，灌區邊界並不完全封閉，存在復雜的內外水量交換，農田、溝渠、唐庫之間的水轉化，灌溉回歸水循環利用等。孫敏章等（2005）、Matsushita等（2009）將生態水文模型與高分辨率激光雷達和航測地形等數據、GIS空間信息管理功能及遙感反演等高新技術整合，從土地耕作、作物種植、灌溉排水等方面分析灌區土壤墑情、蒸發蒸騰等水文要素變化特征及灌溉用水效率尺度效應等。張銀輝等（2009）應用分布式水文模型DEHYDROS進行了河套灌區的水文學過程模擬研究，得出蒸散量、滲漏量、繫統排水量和引水量的多年平均值，對比實測數據，驗證了模型的合理性。Singh（2013）應用SGMP模型開展了灌區澇災過程模擬研究，並提出了不同情景下的應對措施。Jiang等（2015）通過耦合SWAP-EPIC模型和GIS，建立了灌區分布式水文模型，借以評估黑河中遊流域灌區的管理現狀及水分生產率。闫旖君等（2017）從取水、輸水、配水、排水繫統的角度，構建了人民勝利渠灌區多水源循環轉化模型，定量模擬分析了人民勝利渠灌區繫統多年平均下的多水源循環轉化關繫。Dai等（2016）全面考慮水稻灌區水文特征改進SWAT模型，其模擬效率明顯優於原SWAT模型，更適合南方丘陵區水稻灌區的水文循環模擬，但仍需要深人探討恰當離散和表征灌區下墊面條件時空變異性的數學描述方法、灌排分布式網絡結構及其水轉化路徑識別技術和灌區水轉化過程精細模擬法。
1.2.3灌區水資源合理配置
灌區水資源配置研究可追溯到20世紀40年代的水庫優化調度問題。20世紀70年代以來，隨著繫統分析理論及計算機模擬技術的發展及應用，水資源優化配置的研究成果不斷增多。Dudley等（1971）針對季節性灌溉用水的分配問題，結合具有二維狀態變量的隨機規劃方法和作物生成模型開展了相關研究。Buras（1972）研究了數學規劃理論在水資源配置中的運用。Haimes等（1975）采用多層次管理方法和技術，研究了地表水庫和地下含水層兩個水源聯合調度問題。Willis等（1986）應用線性規劃方法求解了1個地表水庫域4個地下水構成的地表水、地下水運行管理問題!以缺水造成的損失程度*小或供水產生的費用*少為目標，將地下水運動用基本方程的有限差分式表示。20世紀90年代以來，由於水污染和水危機的加劇，傳統的以供水量和經濟效益**為目標的水資源優化配置模式已經難以滿足社會經濟的發展需求，國外開始關注水資源開發利用的生態環境效益、水資源約束以及水資源可持續利用的相關研究。Rao等（1995）將適於多峰搜索的基於排擠的小生境遺傳算法應用到含水層污染治理研究中，拓展了遺傳算法在多目標決策中的應用。Fortes等（2005）在半分布式水量平衡模型的基礎上，結合GIS建立了提高水資源利用率的灌溉制度模擬模型。Geng等（2013）基於水資源綜合管理的相關理念，利用多準則決策方法建立綜合水資源優化配置模型，並且采用均衡規劃方法進行求解，取得了良好的效果。
我國灌區水資源科學分配的研究以20世紀60年代的水庫優化調度為先導，經過國家“六五”“七五”重點科技攻關項目的研究後，在80年代中後期，水資源配置理論與方法得到逐步發展與完善。曾賽星等（1990）根據內蒙古河套灌區的實際情況，針對不同作物的不同生育期，采用動態規劃的方法確定了灌水定額和灌水次數。賀北方等（1995）對多水庫多目標**控制運行