潘庄灌区水资源合理配置的系统动力学模拟.pdf

致谢 本文是在我的导师罗毅研究员（博士）的悉心指导下得以完成的。从论文选题、 研究目标、研究方法到论文撰写，都得到了罗老师精心的指导。导师严谨求实的治学 态度，认认真真做学问、兢兢业业忘我工作的敬业精神深深影响着我，激励着我。在 导师的严格要求下，学生不仅掌握了扎实的理论知识，而且培养了顽强拼搏、锐意进 取的精神。这一切将使学生受益终生！ 其次特别感谢欧阳竹站长在我论文研究工作中给予的重要指导和帮助！感谢李发 东研究员和唐登银、谢贤群、张兴权、程维新四位老先生多年来给予的大量指导和宝 贵建议。 在禹城试验站田间试验时间，得到了来剑斌博士、刘铁刚师兄、李贺丽师姐、张 艳、马彤、翟师傅等给予的热忱帮助，在此一并表示感谢！ 在站上试验和学习期间，得到了刘恩民高工、朱农老师、娄金勇老师、于延春老 师等站上各位工作人员在学业和生活上给予的关怀和帮助，在此对他们表示感谢！ 感谢陆地水循环和地表过程重点实验室的夏军研究员、宋献方研究员、于强研究 员、莫兴国研究员等老师在专业上所给与的热心帮助和支持。 感谢刘蕾师姐、刘玉洁师姐、杨传杰等师妹以及新疆生态所的吴晶等师弟师妹的 真诚帮助和支持。感谢孙振中、刘鹏飞、陈博等师弟师妹在学习和工作上给予的热心 帮助和支持。 感谢地理科学与资源研究所研究生部陈力老师、谭寨潞老师、王淑强老师、储小 红老师、黄文力老师的高效管理和辛勤劳动。 要特别感谢我的妻子李素芳和儿子周子涵。在我四年读博期间，他们给了我巨大 的精神鼓励和支持，感谢他们对我的帮助和理解，他们无私的爱是我前进的动力，支 持着我走过了艰难的求学之路。 最后感谢在百忙之中抽出宝贵时间审阅本文的各位老师。虽然论文研究工作时间 较长、但由于行文仓促，文中难免有不当之处，敬请各位老师包涵指正。 摘要 摘 要 受气候和中上游工农业用水量迅速增加的影响，黄河下游来水量大幅度减少。但是随着工农 业生产的迅速发展，黄河下游需水量逐年增加，沿黄地区水资源供需的矛盾日益加剧。然而引黄 灌区地表水和地下水在时空上却得不到合理调配。一方面，灌区上游指依靠以黄河水为主的地表 水灌溉，地下水利用率很低；另一方面，灌区下游由于缺少黄河水补源，灌溉主要依赖地下水， 导致地下水位不断下降，生态环境严重恶化。而且目前黄河下游多数灌区灌溉水利用率低于0.5 。 引黄灌区水资源配置不合理和用水效率低下并存。 水资源系统涉及的变量很多，各变量之间关系复杂，并且模拟的过程是个动态过程，系统动 力学恰恰具备了处理非线性、多变量、信息反馈、时变动态性的能力。基于系统动力学建立的模 型，明确地体现了水资源系统内部变量间的相互关系，用动态模拟来观察系统在不同运行规则、 参数输入时表现的行为和趋势。 本文以黄河下游潘庄灌区主要粮食作物小麦和玉米为例，利用潘庄灌区内禹城综合试验站大 型蒸渗仪和历史文献数据，对Khan 等建立的系统动力学模型进行了改进：在田间尺度把水分生 产函数加入到模型中，体现作物水分利用效率；在灌区尺度上对地下水补给和渗漏算法进行了改 进，以适应区域模拟的需要；然后对 Khan 等建立的两个模型进行了耦合，用来模拟田间尺度和 灌区尺度作物-土壤-地下水的互馈作用；最后在灌区上、中、下游水分利用效率最大化和地下水 埋深基本相同的基础上，设计出灌区上、中、下游地表水和地下水合理比例使用的灌溉制度，实 现灌区水资源的合理配置。取得的主要进展如下： （1）在田间尺度上分析了土壤-植物-大气连续体（Soil-Plant-Atmosphere Continuum, SPAC ） 系统动力学特征，即小麦、玉米、棉花土壤水平衡各组成部分及其变化：降雨、灌溉、蒸散发、 地下水补给、深层渗漏、地表径流和土壤水消耗或补给。不同灌溉情景下作物-土壤-地下水互馈 作用模拟表明：在以禹城站为代表的上游在采用地表水灌溉的同时，尽量多开采地下水，最好采 用地表水和地下水联合灌溉模式。 （2 ）在灌区尺度上研究了上、中、下游水资源系统的动力学特征：即小麦玉米、棉花土壤 水系统各组成部分：蒸散发、降雨、灌溉、地下水补给、深层渗漏、地表径流和土壤水消耗或补 给，为灌区水资源合理配置奠定基础。 （3 ）灌区上、中、下游，无论是采用地下水灌溉还是采