农业节水灌溉尺度分析方法研究进展

年月水利学报第卷第期收稿日期基金项目国家自然科学基金资助项目教育部博士点基金项目作者简介谢先红男湖北阳新人博士生主要从事节水灌溉理论与技术及水资源管理方面研究文章编号农业节水灌溉尺度分析方法研究进展谢先红崔远来代俊峰石祥增武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉摘要在阐述节水灌溉尺度效应内涵和尺度效应存在原因的基础上从数据获取途径节水尺度效应描述方法和节水尺度转换方法等个方面当前的发展进行了评述并探讨了节水尺度分析方法的主要发展趋势现有研究成果表明试验监测遥感和技术是数据获取分析的主要途径不同尺度试验方法和数值模拟方法在一定程度上描述了水均衡要素的尺度效应以及作物与水肥的响应关系而分形理论地质统计学和小波分析等非线性理论在尺度转换方面也有一些研究工作针对目前研究情况指出了大尺度上水循环描述和不同尺度间水均衡变量尺度转换等尺度分析方面的研究是重点发展方向和主要研究内容关键词节水灌溉尺度效应尺度分析田间试验数值模拟非线性理论中图分类号文献标识码在农业可用水量逐渐减少而粮食产量需求增加的客观现实之下农业节水备受世人关注田间尺度的节水灌溉技术已有许多研究也有大面积推广节水灌溉的实例但是田间实施节水后如何影响灌溉系统和灌区尺度甚至流域尺度水均衡过程的量化研究还刚刚起步不同尺度节水潜力和节水效益的评估也在研究之中国内外有些学者提出灌溉水文学这一新概念来研究灌区不同尺度水循环和尺度转换问题从近年来农田水利工程学科国家自然科学基金资助状况来看尺度问题和空间变异性研究也占了很大的比重因此农业节水尺度问题已成为前沿课题本文基于近年来国内外研究成果评述了各种尺度分析方法的优劣并指出这些分析方法应用的可能性和发展趋势节水尺度效应尺度通常是指某过程或观测模拟的特征时间和特征长度分别称为时间尺度和空间尺度农田灌溉中时间尺度常用时天月年等衡量而空间尺度分为小尺度中等尺度和大尺度小尺度即田间尺度指独立田块或多个连在一起的小面积农田中等尺度是指灌溉系统内一条支渠或干渠所控制的面积是灌溉系统内部的局部灌溉区域大尺度是指一个灌区或一个流域包含面积根据研究和评价的需要也可对中等尺度和大尺度采用不同的定义节水灌溉尺度效应是指节水灌溉措施在各个尺度上的节水效果的差异以及一种尺度上的节水效果与其他尺度节水效果的关系也即灌区水循环尺度效应董斌等认为节水尺度效应产生的原因主要是回归水及其重复利用从水文响应和作物响应的角度分析了尺度效应存在的根本原因地形土壤的异质性导致垂向流和侧向流非线性运动降雨和蒸发蒸腾在时间上的不均一性以及作物与环境进行物质和能量交换的不稳定性使农田水分运动复杂化在时空尺度上表现出不同特性此外产生尺度效应还源于对不同尺度节水效果进行分析描述所采用的技术和方法之间的差异性以及不同水分利用率和水分生产率等评价指标间的差异在农业节水活动中必须考虑尺度转换因为田间尺度获得的效果并不等于较大尺度比如流域尺度的效果正如指出灌溉系统上游提高水利用效率后可能负面影响下游灌溉行为对于这种上下游的相互协调必须研究新的方法来量化不同尺度上水分的相互依赖关系从而对节水灌溉效果进行全面评价曾提出一个基于水量平衡的分析框架希望用包括所有水量平衡要素的分析方法来推导不同尺度的真实节水也给出了不同尺度上提高水分生产率的概念框架实际上研究节水尺度问题就是揭示水在灌溉系统中的运动转化规律以及水肥与作物生长和产量的定量关系在这个意义上对尺度的分析可从两个方面着手其一是对尺度效应的本征描述即借助各种数据获取途径和分析模拟方法再现水循环和作物生长过程的尺度现象其二是利用一定的数学工具进行尺度转换即借助尺度估计理论或统计方法建立水平衡要素节水效果等与尺度的数学关系用一个尺度上的信息去推测另一尺度上的信息尺度转换以便实现节水灌溉的全面评估第一方面侧重于各尺度现象的描述第二方面侧重于尺度间现象的沟通前者是后者的基础数据获取途径和尺度效应描述方法不同尺度下数据的获取和分析需借助试验监测遥感技术和地理信息系统而水循环和作物生长过程的描述需利用田间试验和数值模拟方法一定尺度下的描述方法依赖于一定的数据获取途径两者不可分割因此本文按不同尺度将数据获取途径融合到尺度效应描述方法之中进行评述田间试验方法小尺度试验传统的节水灌溉技术研究方法大多是在小尺度田间尺度上进行灌溉排水降雨蒸发蒸腾渗漏养分氮磷等和作物耗水产量的监测探讨水分生产率与水肥的响应关系在小尺度上水肥和产量因素控制方便应用常规的仪器和手段即可监测得出结论比较可靠也常用来指导灌溉实践但是由于自然条件的差异特定地理位置上的小尺度试验结果不能推广至大尺度小尺度试验也表明同一灌区不同位置的水分生产率指标差异也很大等在菲律宾的吕宋岛进行不同灌溉方式间歇灌溉和长期淹灌和不同播种方式湿播和干播的小尺度灌溉试验并利用水分生产率进行了节水效益分析同时指出田间尺度的节水技术会对更大尺度的水文过程和用水方式产生影响建议研究田间尺度和大尺度的水文过程以便利用小尺度短系列信息来推求和预测大尺度长系列的节水效果因此田间实施节水究竟如何影响大尺度的水均衡过程还需借助不同尺度的田间试验中等尺度和大尺度试验小尺度试验无论是数据获取途径还是分析方法都是较为成熟的真正存在困难的是中等尺度和大尺度试验因为灌溉系统内地形地貌水系分布气象条件以及作物生长的时空变异性大数据获取精度也难以保证系统的研究较少对土耳其西部的一个流域进行水平衡要素监测和资料收集计算了田间尺度灌区尺度和流域尺度的灌溉水分生产率净入流水分生产率水分消耗生产率和蒸腾生产率分析了这些水分生产率随尺度变化的趋势崔远来等在湖北漳河灌区连续进行了年的田间及中等尺度的水量平衡试验以及同步的灌溉系统及灌区尺度的水量观测根据实测或统计资料获得不同尺度的水稻产量资料计算分析了各种水分生产率指标及水量消耗比例指标随不同空间尺度及不同水文年度的变化规律正由于大尺度数据难于获取遥感技术则被引入尺度分析中其中应用昀为成功的是对大尺度蒸发蒸腾量和土壤水分的监测分析等利用遥感技术监测气象土壤作物等参数结合方程计算了灌区尺度的蒸发蒸腾量并与水均衡模型对照两者取得一致性的结果崔远来等结合遥感信息估算了灌溉系统及灌区尺度的蒸发蒸腾量获得不同年份不同尺度的水量平衡要素沈彦俊等利用源蒸散模型和简化的植被指数地表温度梯形法确定了流域尺度的土壤水分状况基于地表能量平衡方程而建立的模型利用遥感影像的可见光近红外与热红外波段及少量气象数据可计算出区域的日蒸发蒸腾量是现有遥感监测蒸发蒸腾量研究中一个较好的模型以上试验在不同层次上揭示了灌区水循环的尺度效应但是许多试验数据存在估算的成分遥感图象解译精度不高解决中等尺度和大尺度试验的总体思路是加强主要输水灌排沟渠蓄水水库和大型塘堰建筑物流量或水量量测的同时应用卫星遥感对区域内土壤地形地貌土地利用作物生长气象等进行监测结合相应模型和技术以探明不同尺度水分消耗和转换呈现水分生产率或水分利用率的尺度效应规律目前遥感技术还需在时空分辨率和模型参数检验方面作出努力与的结合也是信息学科和灌溉水文学面临的挑战数值模拟方法以试验数据为基础建立各种数值模型来研究尺度问题是目前比较流行的方法适合节水尺度分析的模型包括各种水文模型作物生长模型但是各种模型适合的尺度有所不同从反映水流运动空间变化的能力而言水文模型可分为集总式模型分布式模型和介于两者之间的半分布式模型下面谈及的水均衡模型可归为集总式或半分布式模型而水动力学模型属于分布式模型但是因为结构和功能的不同这里将水动力学模型和传统的分布式模型分开论述小尺度水文模型在该尺度下常将水文过程简化如只考虑水分的垂向运动将水平方向视作均质或忽略垂向运动而考虑水平向运动能用于小尺度模拟的主要是各种水均衡模型和水动力学模型水均衡模型结构简单参数较少易于理解等提出了针对稻田的单个田块和田块链的水均衡模型模型的输入参数包括灌溉供水气象条件土壤特性和田块尺寸以此可以模拟蒸发蒸腾渗漏侧渗和地表径流过程等针对芥菜建立了作物根系活动区的土壤水水均衡模型考虑了非饱和区水分运动水均衡模型只关注水量的输入输出和存储变化而水动力学模型从水分运动机理方面考虑问题目前较为常用的有模型模型和模型等是描述系统中水盐运移热量传递和作物生长的较好模型由于对饱和流和非饱和流做了一些简化处理主要用于变异性较小的田间尺度等应用模型模拟了小尺度水分运动规律结合遥感资料通过小尺度聚合方式得到了不同尺度的水均衡要素如地下水排泄蒸发蒸腾等和作物生长过程探讨了不同尺度水分生产率变化特征模型是模拟饱和非饱和渗流区水热作物根系吸水及多种溶质迁移的一维垂向模型模型其内核是可以模拟水平二维和剖面二维水农业化学物质及有机污染物的迁移与转化过程这些模型描述了小尺度内水分或溶质运动规律在一定精度条件下普遍采用但是水均衡模型需要较长系列的历史资料来进行参数率定水动力学模型在边界条件上有诸多限制比如积水边界排水边界等常常需要简化而且将大区域分割成小区域分别应用水动力学模型来模拟的过程庞杂精度不高因此在节水尺度分析中较大尺度的水文模型更受欢迎中等尺度水文模型该尺度内可能包含河流灌排沟渠塘堰和小型水库等设施地形条件复杂因此对模型的计算效率和精度提出了更高要求等利用和建立了多瑙河上游中等尺度水均衡模型并指出基于水动力学方程的模型在中等尺度内有更为广泛的用途适合节水尺度分析的比较成熟的模型主要是地下水数值模型如等它们共同的特点是将空间和时间离散化蕴含不同尺度用有限差分法或有限元法求解地下水运动方程前两者能较好地处理河流沟渠等复杂边界根据精度要求实现不同尺度的水均衡要素和溶质运移要素模拟具有图形人机对话数据接口自动产生空间各种有限单元网格空间参数区域化及快速精确的数值算法和先进的图形视觉化技术等特点可进行二维和三维地下水流水质和热运移模拟是迄今为止功能相对齐全的地下水模型此外林琳等在模型的基础上改进得到拟三维区域饱和非饱和流数值模型适合中等尺度和大尺度上的水分运动和溶质运移模拟土壤性质降雨蒸发等变量的时空变异性已被普遍认识建立地下水流动和溶质运移随机模型是目前水动力学数值模拟研究中一个热门方向如法经典扰动方法非平稳谱方法展开扰动法等随机方法相继引入但是这些模型或方法只在理论上作了探讨还不适合节水尺度分析应用中等尺度水文模型存在的两个主要问题一是数据的读取或输出能力差二是边界处理能力和计算效率不高建立基于和技术上的水文模型探讨不同边界条件处理方式的效果是中等尺度水文模型的两个重要课题也将为农业节水灌溉尺度分析服务大尺度水文模型分布式水文模型考虑了不同单元之间或不同子流域之间的水平联系适合灌溉系统大尺度的水循环模拟由于节水尺度分析考虑灌溉系统下垫面较为细致目前还没有一个真正基于灌区水循环的分布式水文模型只是某些水文模型嵌入了能反映灌溉系统某方面特性的模块模型模型和模型等分布式水文模型常应用于节水尺度分析中前两者具有明确物理机制能够模拟土地利用农药化学污染物运移地表水地下水以及它们之间的动态交互作用有关的水资源水环境问题模型充分利用和提供的空间信息模拟大尺度的水文过程等在模型中添加了一个专门模拟水稻田水量平衡的模块较成功地模拟了水稻田的非点源污染情况等针对印度中部某灌区利用模型建立小区尺度田间尺度和灌区尺度的水文模型分析了各尺度灌溉用水量空间变异性模型模型没有考虑灌溉系统内沟渠塘堰水库等交错分布而模型抓住了灌溉系统内的这些特征利用模型在流域尺度上模拟了土壤蒸发和作物蒸腾同时认为对大小流域尺度和不同长短历时的水文模拟均较为成功但是模型只是概念性的半分布式水文模型仅考虑了分块小尺度内水分的垂向运动忽略了各分块和子流域间水分交换而且对地下水模拟比较粗糙鉴于传统分布式水文模型对灌区水循环的描述存在缺陷要解决大尺度数值模拟问题可有两种思路其一是在已有分布式水文模型的基础上改进考虑稻田蓄水沟渠塘堰水库等形体结构并与地下水动力学模型耦合如与耦合与的耦合等其二是借助分布式水文模型分解聚合的思想利用和技术建立适合灌溉系统的基于的分布式灌溉水文模型真实地模拟灌溉系统内水均衡要素以便进行节水尺度分析基于获取数据和分析数据也是中等尺度和大尺度数值模型的发展趋势作物生长模型节水尺度分析的第个