多水源灌區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究畢業(yè)設(shè)計(jì)正文

太原理工大學(xué)工程碩士研究生學(xué)位論文摘要 I目錄 V第一章緒論 11.1選題的背景及意義 11.1.1我國(guó)水資源現(xiàn)狀 11.1.2我國(guó)農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀 21.1.3農(nóng)業(yè)水資源利用中存在的主要問(wèn)題 21.2國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展概述 31.2.1國(guó)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展概述 31.2.2國(guó)內(nèi)節(jié)水灌溉發(fā)展概述 31.3本文的研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線及研究方法 51.3.1項(xiàng)目研究區(qū)的確定 51.3.2研究?jī)?nèi)容 51.3.3技術(shù)路線 51.3.4研究方法 6第二章 項(xiàng)目區(qū)基本情況 72.1自然概況 72.1.1地形地貌 72.1.2自然資源 72.2水利工程概況 82.2.1渠灌工程概況 82.2.2井灌工程概況 92.2.3排水工程概況 92.2.4節(jié)水工程概況 92.2.5灌溉用水概況 102.3農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況 102.3.1農(nóng)業(yè)生產(chǎn)概況 102.3.2社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況 112.4水資源可持續(xù)利用與節(jié)水增產(chǎn)方略概況 122.4.1水資源可持續(xù)利用概況 122.4.2節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向與對(duì)策概況 132.4.3提高糧食產(chǎn)量途徑概況 15第三章項(xiàng)目區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)研究 173.1節(jié)水抗旱作物新品種的篩選 173.2作物水肥耦合關(guān)系及合理灌溉制度研究 183.2.1冬小麥農(nóng)田水量平衡與消耗規(guī)律分析 183.2.2冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)研究 253.2.3冬小麥水肥耦合關(guān)系分析 303.2.4灌溉水資源優(yōu)化配置中幾個(gè)基本問(wèn)題的探討 343.2.5作物非充分灌溉制度優(yōu)化的模擬模型 383.2.6示范區(qū)主要作物節(jié)水灌溉制度 413.3作物高效用水集成模式研究 423.3.1冬小麥玉米組合種植管灌高效用水模式 423.3.2大棚蔬菜滴灌高效用水模式 433.3.3大田作物管灌高效用水模式 443.3.4大田蔬菜覆蓋微噴高效用水技術(shù) 45第四章井渠結(jié)合節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系及其評(píng)價(jià)體系 474.1現(xiàn)代節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的內(nèi)涵與目標(biāo) 474.2井渠結(jié)合的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)體系 474.3節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)評(píng)價(jià)體系研究 494.3.1節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)效益評(píng)價(jià)指標(biāo) 494.3.2節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系 514.3.3節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果與分析 52第五章結(jié)論 55參考文獻(xiàn) 57致謝 59攻讀碩士期間發(fā)表的主要論文 60PAGE60第一章緒論1.1選題的背景及意義水資源問(wèn)題是全世界普遍關(guān)注的問(wèn)題，它不僅影響、制約現(xiàn)代社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，而且將成為本世紀(jì)全球資源環(huán)境的首要問(wèn)題。隨著世界人口的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，水資源將嚴(yán)重不足。全世界26個(gè)國(guó)家約2.32億人口已經(jīng)面臨缺水，另有4億人口用水速度超過(guò)水資源的更新速度，世界上約有1/5人口得不到符合衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的淡水[1-3]。占世界人口40%的80多個(gè)國(guó)家，其淡水供應(yīng)短缺已成為限制其經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要因素，預(yù)計(jì)在20~30年內(nèi)淡水擁有量不足的人口數(shù)將達(dá)到15億[4-5]。從古至今，人類的各項(xiàng)活動(dòng)都離不開水，水作為一種不可替代的自然資源，為人類的基本生存提供了必不可少的條件。水資源是一種戰(zhàn)略性經(jīng)濟(jì)資源，更是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要組成部分，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)和民生中起著舉足輕重的作用。但如今隨著世界人口和經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，人類對(duì)自然資源過(guò)度開發(fā)，導(dǎo)致水資源不斷遭到破壞，再加上基礎(chǔ)設(shè)施投入嚴(yán)重不足等因素的影響，水資源的供應(yīng)量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人類生產(chǎn)和生活的需要，這嚴(yán)重制約了社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的正常發(fā)展，如今水資源短缺問(wèn)題已經(jīng)受到世人的密切關(guān)注，成為21世紀(jì)亟待解決的全球性問(wèn)題。1.1.1我國(guó)水資源現(xiàn)狀我國(guó)是一個(gè)缺水國(guó)家，水資源短缺正在日益成為制約我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人民生活提高及生態(tài)環(huán)境改善的重要因素。我國(guó)水資源總量2.8萬(wàn)億m3，居世界第四位。但人均水資源量為2200m3，僅相當(dāng)于世界人均占有量的1/4，被聯(lián)合國(guó)機(jī)構(gòu)稱為處于嚴(yán)重缺水的邊緣。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)畝均水資源1900m3，相當(dāng)于世界畝均占有量的4/5。而到那時(shí)，我國(guó)人口將達(dá)到16億，人均水資源的占有量卻將僅為1700m3，接近世界公認(rèn)的缺水警戒線[3]。而且我國(guó)水資源在時(shí)空分布上也很不均勻，同時(shí)水資源在空間上的分布也與土地資源分布極不匹配，普遍存在著南豐北枯的現(xiàn)象，華南地區(qū)年降水量為1400~2000mm，而北方地區(qū)年降水量卻少于800mm。黃河、海河、淮河三流域，土地面積占全國(guó)的13.4%，耕地面積占64.1%，人口占35%，而水資源占有量?jī)H為7.7%，人均年占有量約為500m3，是我國(guó)水資源最為緊張的地區(qū)。而且水資源在時(shí)間上的分布也十分不均，江水過(guò)于集中，一般地區(qū)每年汛期（一般3~4個(gè)月）降水量占全年的70%左右，這意味著將有大部分水量形成洪水徑流而流失[4]。同時(shí)，北方干旱地區(qū)年蒸發(fā)量約為1500~1.1.2我國(guó)農(nóng)業(yè)用水現(xiàn)狀我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水比重過(guò)大，全國(guó)平均為73%，而發(fā)達(dá)國(guó)家平均為50%，農(nóng)業(yè)與其它各行業(yè)用水矛盾十分突出。長(zhǎng)期以來(lái)，由于技術(shù)和管理水平落后、灌溉設(shè)施老化失修等原因，目前我國(guó)灌溉水的利用率僅為45%左右,與發(fā)達(dá)國(guó)家80%的利用率相差甚遠(yuǎn)，農(nóng)業(yè)節(jié)水潛力很大。節(jié)水灌溉是提高農(nóng)業(yè)用水有效性的關(guān)鍵，它是科學(xué)進(jìn)步的產(chǎn)物，也是農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要內(nèi)涵[6-11]。根據(jù)預(yù)測(cè)，我國(guó)將在下個(gè)世紀(jì)中葉出現(xiàn)人口高峰值,突破16億人。按人均每年400～440kg糧食計(jì)算，人口高峰時(shí)的糧食需求量為6.4～7億t。因此，在未來(lái)的半個(gè)世紀(jì)內(nèi)，我國(guó)糧食產(chǎn)量必須在現(xiàn)有5億t左右產(chǎn)量的基礎(chǔ)上再提高1.4～2億t,才能基本滿足人口增長(zhǎng)和生活水平提高的糧食需求。水和土地是糧食生產(chǎn)的戰(zhàn)略資源，在我國(guó)尤其如此，農(nóng)作物生產(chǎn)中灌溉面積上的生產(chǎn)占有舉足輕重的作用，近80%的糧食產(chǎn)于灌溉農(nóng)田。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織發(fā)布的《生產(chǎn)年鑒》分析，雖然中國(guó)耕地面積只占世界總耕地的7%，人均耕地也不足世界平均水平的1/3，但是中國(guó)灌溉面積卻占了全球灌溉面積的21%，人均灌溉面積與世界平均水準(zhǔn)相平。由此可見(jiàn)，中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展前景很大程度上依賴于灌溉面積的發(fā)展，而糧食安全則與水資源利用緊密相關(guān)[12-19]。1.1.3農(nóng)業(yè)水資源利用中存在的主要問(wèn)題目前在水資源利用中存在的主要問(wèn)題是：一是重視水利工程建設(shè)，輕視農(nóng)業(yè)水資源管理。一些先進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)和現(xiàn)代化的管理措施得不到大面積推廣，大部分灌區(qū)灌溉水利用率低、灌水定額偏大，造成水資源的大量浪費(fèi)；二是對(duì)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境重視不夠。井灌區(qū)出現(xiàn)大面積的地下水位下降漏斗區(qū)，全國(guó)已經(jīng)出現(xiàn)了56個(gè)地下水區(qū)域性下降漏斗，總面積大于8.2萬(wàn)km2。三是灌溉工程老化不配套，灌溉面積下降[20-22]。針對(duì)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及農(nóng)業(yè)水資源利用中存在的主要問(wèn)題，本課題選取了典型的井渠結(jié)合灌溉灌區(qū)，就華北半濕潤(rùn)偏旱井渠結(jié)合灌區(qū)普遍存在的水資源利用不合理、水環(huán)境惡化、節(jié)水措施單一、節(jié)水效果得不到充分發(fā)揮、灌溉效益不高等一系列問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)研究和探索，將對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展和水資源的可持續(xù)利用發(fā)揮重要作用，同時(shí)對(duì)類似地區(qū)也有重要的指導(dǎo)意義。1.2國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展概述節(jié)水灌溉是根據(jù)作物需水規(guī)律及當(dāng)?shù)毓┧畻l件，為了有效的利用降水和灌溉水，獲取農(nóng)業(yè)的最佳經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、生態(tài)環(huán)境效益而采取的多種措施的總稱[23]。其最終目的是以最少的水量消耗獲取盡可能多的農(nóng)作物產(chǎn)量、最高的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)環(huán)境效益。1.2.1國(guó)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展概述近年來(lái)，許多學(xué)者進(jìn)行了水資源優(yōu)化配置研究[24-28]。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展和研究，逐步發(fā)展到噴灌、微噴灌、滴灌、滲灌、涌泉灌等節(jié)水高新技術(shù)。采用節(jié)水和節(jié)能的灌水方法是當(dāng)今世界灌溉技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。目前發(fā)達(dá)國(guó)家的管道輸水技術(shù)應(yīng)用已十分廣泛，美國(guó)早在20年代就已應(yīng)用管道輸水技術(shù)，低壓管道灌溉面積已占總灌溉面積的50%；日本已有30%的農(nóng)田實(shí)現(xiàn)了地下管道灌溉，并且管網(wǎng)的自動(dòng)化、半自動(dòng)化給水控制設(shè)備也較完善；以色列、美國(guó)、瑞典等國(guó)也已有90%的土地實(shí)現(xiàn)了灌溉管道化[30-33]。第二次世界大戰(zhàn)以后，西方國(guó)家經(jīng)濟(jì)恢復(fù)很快，噴灌技術(shù)和機(jī)具設(shè)備的研制也得到了迅速發(fā)展。在美國(guó)干旱的西部17個(gè)州噴灌得到了廣泛使用，1996年美國(guó)噴灌面積達(dá)到了1082萬(wàn)hm2，占全美國(guó)灌溉面積的44%，其中圓形和平移式大型自走噴灌機(jī)的噴灌面積占全國(guó)噴灌面積的64%；羅馬尼亞的噴灌面積占全國(guó)耕地面積的80%以上，絕大部分是移動(dòng)管道式噴灌。滴灌技術(shù)隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而不斷進(jìn)步。20世紀(jì)50年代末期，以色列研制長(zhǎng)流道滴頭成功，使得滴灌系統(tǒng)在技術(shù)上有了顯著的進(jìn)展。到20世紀(jì)60年代滴灌系統(tǒng)已發(fā)展成為一種新型的系統(tǒng)，在美國(guó)、澳大利亞、墨西哥、英國(guó)、法國(guó)、意大利及中東地區(qū)、南非地區(qū)逐步得到推廣應(yīng)用。以色列是世界上滴灌領(lǐng)域的主導(dǎo)者，60％的農(nóng)田使用滴灌技術(shù)；以色列回收水用于農(nóng)業(yè)的比率世界最高，城市污水總量的70％被回收用于農(nóng)業(yè)；以色列擁有水設(shè)備發(fā)展的前沿技術(shù)并提供多種多樣的先進(jìn)設(shè)備。世界上節(jié)水灌溉比較發(fā)達(dá)的國(guó)家，都是根據(jù)各自的國(guó)情，綜合考慮社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、資源、環(huán)境和技術(shù)因素，采取適合本國(guó)特點(diǎn)的農(nóng)業(yè)高效灌溉措施[34-36]。1.2.2國(guó)內(nèi)節(jié)水灌溉發(fā)展概述我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉歷史悠久，但旱田是大水漫灌，水田是串畦淹灌的傳統(tǒng)灌水方法，不但浪費(fèi)了大量水資源，同時(shí)，還嚴(yán)重影響著農(nóng)作物產(chǎn)量。1950~1970年這20年間，我國(guó)基本上是充分灌溉的節(jié)水灌溉發(fā)展階段，主要是開發(fā)新水源、建設(shè)新灌區(qū)和改建擴(kuò)大舊灌區(qū)，采取渠道防滲技術(shù)，健全渠系建筑物，劃小畦塊，平田整地，按作物需水量進(jìn)行灌溉，以及加強(qiáng)灌區(qū)管理，合理配水等節(jié)水措施。50年代末期我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)和設(shè)備，但這時(shí)期推廣使用的噴灌設(shè)備主要是柴油機(jī)或電機(jī)帶動(dòng)的單機(jī)單噴頭的手臺(tái)式或小推車式的輕小型噴灌機(jī)。70年代噴灌技術(shù)在我國(guó)受到普遍的重視，從而推進(jìn)了我國(guó)噴灌技術(shù)的發(fā)展。到了80年代，在噴灌方面，我國(guó)已經(jīng)具備了自己的一整套設(shè)備和技術(shù)，為噴灌的大面積推廣創(chuàng)造了條件[37]。我國(guó)從1974年引進(jìn)滴灌，在20世紀(jì)90年代后期開始得以較快發(fā)展，但其對(duì)技術(shù)要求比較高，投資也比較大，使得其在我國(guó)推廣應(yīng)用較少。截止2008年底，全國(guó)灌溉面積9.62億畝，全年凈增灌溉面積1061萬(wàn)畝；全國(guó)農(nóng)田有效灌溉面積8.77億畝，占耕地總面積的48%，全年凈增農(nóng)田有效灌溉面積1035畝。全國(guó)節(jié)水灌溉面積3.67億畝，全年凈增節(jié)水灌溉面積1421萬(wàn)畝。其中，渠道防滲節(jié)水灌溉面積15672萬(wàn)畝，占42.8%；低壓管道輸水灌溉面積8810萬(wàn)畝，占24%；噴微灌面積6107萬(wàn)畝，占16.7%；其他節(jié)水灌溉面積6066萬(wàn)畝，占16.5%。萬(wàn)畝以上灌區(qū)固定渠道防滲長(zhǎng)度所占比例18.6%，其中干支渠道防滲長(zhǎng)度所占比例35.1%。2008年全國(guó)灌溉用水量為3729.9億m3，大型灌區(qū)灌溉用水量占總灌溉用水量的比例最高，達(dá)35.4%，中型、小型、井灌區(qū)的灌溉用水量分別占總灌溉用水量的25.6%、26.7%和12.3％。全國(guó)畝均灌溉用水量423.7m3。綜上所述，可以看出，我國(guó)灌溉水利用率相對(duì)較低，水的利用系數(shù)僅為0.47。按現(xiàn)狀估計(jì)，灌溉用水利用率提高一個(gè)百分點(diǎn)，可節(jié)約用水80億m3。因此，大力發(fā)展節(jié)水灌溉，提高灌溉水的利用效率是緩解我國(guó)水資源緊缺狀況、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的最有效、最根本的途徑。1.3本文的研究?jī)?nèi)容、技術(shù)路線及研究方法1.3.1項(xiàng)目研究區(qū)的確定晉中市是我省農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主產(chǎn)區(qū)之一，其土地資源較好，但水資源極為匱乏。隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，水資源矛盾更加突出，傳統(tǒng)的地面水源已不能保證灌溉的需求，從上世紀(jì)70年代開始，大量開發(fā)地下水用于灌溉，形成了多水源（河井雙灌、井渠結(jié)合）的灌區(qū)。在這樣一個(gè)地區(qū)開展節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)有限水資源條件的最大農(nóng)業(yè)產(chǎn)出是非常必要的。所以本項(xiàng)目的研究試驗(yàn)區(qū)確定在晉中市范圍內(nèi)。1.3.2研究?jī)?nèi)容本文研究?jī)?nèi)容包括：(1)主要作物節(jié)水抗旱品種的篩選針對(duì)項(xiàng)目區(qū)的主導(dǎo)作物玉米和冬小麥，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、小區(qū)試驗(yàn)、產(chǎn)量調(diào)查，對(duì)不同品種的產(chǎn)量、水分利用率進(jìn)行分析，篩選適合于本項(xiàng)目區(qū)的冬小麥、玉米抗旱品種；(2)主要作物水肥耦合關(guān)系及合理灌溉制度研究以節(jié)水增產(chǎn)、增效為目標(biāo)，進(jìn)行坑測(cè)水肥生產(chǎn)函數(shù)試驗(yàn)及模型研究；在此基礎(chǔ)上，制定主要作物的合理灌溉制度；(3)作物種植模式研究通過(guò)小區(qū)試驗(yàn)，比選主要作物的復(fù)播、間作、套種農(nóng)作制度與種植模式；(4)選擇適合晉中市井渠結(jié)合灌溉類型區(qū)的多種節(jié)水技術(shù)，以節(jié)水高效為目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)集成組合，對(duì)所選定的典型組合進(jìn)行田間示范，對(duì)產(chǎn)量、投入、效益等進(jìn)行測(cè)試。提出各種技術(shù)集成組合形式的投入產(chǎn)出效益關(guān)系。1.3.3技術(shù)路線本文的技術(shù)路線如下：1.調(diào)查、篩選國(guó)內(nèi)外與本課題技術(shù)集成有關(guān)的先進(jìn)成熟技術(shù)，以農(nóng)業(yè)高效用水和水環(huán)境改善為最終目標(biāo)，擬定技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上合理、實(shí)用、簡(jiǎn)單而又具有超前性的技術(shù)集成方案、試驗(yàn)方案等；2、以既定的技術(shù)指標(biāo)為目標(biāo)，按試驗(yàn)方案對(duì)重點(diǎn)技術(shù)進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)技術(shù)達(dá)標(biāo)或優(yōu)化，為總體技術(shù)集成提供具體的技術(shù)支持；3、按照所擬定的技術(shù)集成方案，組合裝配，進(jìn)行技術(shù)集成試驗(yàn)和效果觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)集成。同時(shí)對(duì)各項(xiàng)集成技術(shù)有關(guān)的設(shè)備、設(shè)施進(jìn)行引進(jìn)、完善、配套和應(yīng)用。形成可實(shí)施的、成龍配套的綜合集成技術(shù)。1.3.4研究方法本試驗(yàn)采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合、小區(qū)試驗(yàn)與大田示范相結(jié)合、軟件和硬件措施相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。項(xiàng)目區(qū)基本情況2.1自然概況2.1.1地形地貌該項(xiàng)目區(qū)位于太行山脈西麓，屬洪積傾斜平原地貌和沖積平原地貌，由瀟河洪沖積物堆積而成。其東部邊界與洪積傾斜平原相連。區(qū)內(nèi)地形平坦，起伏不大。海拔高程在776m～803m之間。地勢(shì)東高西低，由東北向西南傾斜，平均地面坡度1/1000，東西向坡降略緩于1/1000。由于長(zhǎng)期引洪淤灌的結(jié)果，區(qū)內(nèi)微地形起伏較大，多數(shù)地帶形成了洪灌渠道地形高、向南兩側(cè)微傾斜的微地形。經(jīng)實(shí)測(cè)，耕地南北向地面坡度在1/350～1/1500之間變化。2.1.2自然資源1）光熱資源該項(xiàng)目區(qū)氣候?qū)贉貛Т箨懶园敫珊禋夂?，四季分明，光熱資源豐富?？偟臍夂蛱卣鳛椋憾韭L(zhǎng)，干冷晴朗；春季升溫快，日溫差大，干旱多風(fēng)；夏季多雨；秋季短暫，天高氣爽。一年四季氣候分明，晝夜溫差大。全年平均氣溫9.3℃，0℃以上，積溫3988℃，10℃以上積溫為3590.6℃。年均無(wú)霜期約171天，終霜日出現(xiàn)在4月下旬，初霜日出現(xiàn)在10月上旬。平均日照時(shí)數(shù)2639.5小時(shí)，作物生長(zhǎng)季節(jié)太陽(yáng)輻射的日照相當(dāng)充足，且與高溫多雨相結(jié)合，為農(nóng)作物進(jìn)行光合作用提供大量能源，光能利用潛力很大。年平均風(fēng)速2.9m/s，風(fēng)速的變化特點(diǎn)是：1～3月份為風(fēng)速加大階段，4月份達(dá)到最大值，5月份以后風(fēng)速減小，9月份最??；風(fēng)速的日變化周期也十分明顯。2）土壤該項(xiàng)目區(qū)位于太行山西側(cè)河流瀟河、黑河和澗河下游的傾斜平原和沖積平原地帶，土壤物質(zhì)為河流洪積和沉積物及黃土狀堆積物。受地形、母質(zhì)、地下水位等因素的影響。主要分布有草甸土和褐土兩種主要類型的土壤。土壤耕作層深度一般為20～25cm，質(zhì)地粘壤到中壤。代表性土種為耕沖重壤質(zhì)淺色草甸土，全剖面質(zhì)地多為重壤或粘土，有時(shí)底土可出現(xiàn)壤質(zhì)層次，出現(xiàn)部位較深。土壤粘粒比表面積大，粒間排列密實(shí)，毛管孔隙多，非毛管孔隙少，通氣透水性差，好氣性微生物活動(dòng)受到抑制，有機(jī)質(zhì)分解慢，田間持水量大，保水抗旱力強(qiáng)。耕層土壤肥力好，典型剖面土壤（0～20cm）的有機(jī)質(zhì)含量0.97%，全磷含量0.049%，全氮含量0.069%，PH值8.2。3）水資源該項(xiàng)目區(qū)所處瀟河灌區(qū)，流域共有大小河流12條，分別是瀟河、涂河、龍門河、圪塔河、牛耕河、麻海河、澗河、黑河、白龍河、泉子河、河口河、涑水河，據(jù)榆次市水資源管理委員會(huì)的資料，該井灌區(qū)所在地榆次區(qū)水資源總量為13118萬(wàn)m3，其中地表水資源總量為5400萬(wàn)m3，地下水資源總量為9416萬(wàn)m3，重復(fù)量為1698萬(wàn)m3。人均占有水資源量為290萬(wàn)m3，只有全國(guó)占有量的12.6%，全省人均占有量的62.2%。畝均擁有水資源量為193m3，只有全國(guó)畝均占有量的10.7%，全省畝均占有量的77.8%。此外，還有榆次城區(qū)經(jīng)處理的污水500萬(wàn)m32.2水利工程概況2.2.1渠灌工程概況該灌區(qū)屬瀟河灌區(qū)范圍，渠灌灌溉水源的主體為瀟河來(lái)水。瀟河系汾河的第二大支流，發(fā)源于昔陽(yáng)縣沾尚鄉(xiāng)馬道嶺，流經(jīng)壽陽(yáng)、榆次、太原的小店、清徐等市縣，在太原市小店區(qū)洛陽(yáng)、南馬村間匯入汾河，全長(zhǎng)137km，流域面積3720km2。瀟河灌區(qū)取水樞紐位于榆次區(qū)東南源渦村，屬于低壩引水樞紐。樞紐之上流域面積3090km2。瀟河多年平均徑流量13100萬(wàn)m3，年平均實(shí)際引用量2800萬(wàn)m3。該灌區(qū)渠道引水樞紐工程興建于1951年，1962年又修復(fù)改造。樞紐由混凝土滾水壩、南北沖沙閘及南北引水閘組成。滾水壩全長(zhǎng)347.2m，壩高3.25m，南、北沖沙閘各5孔，每孔凈寬4.0m,總設(shè)計(jì)泄洪量500m3/s。南北進(jìn)水閘設(shè)計(jì)引水流量分別為22.91m3/s和瀟河灌區(qū)以瀟河為界分為南北兩個(gè)灌區(qū)。南岸灌區(qū)為民生灌區(qū)，北岸灌區(qū)為民豐灌區(qū)。本課題所選灌區(qū)位于瀟河北岸的民豐灌區(qū)上游，屬北干二支、三支、四支及中三支的灌溉范圍。北干渠長(zhǎng)17.4km、設(shè)計(jì)引水流量17.10m3/s、梯形斷面、防滲長(zhǎng)度13.25km，防滲段完好率36.39%（4.81km）。5條支渠總長(zhǎng)度53.95km，其中防滲長(zhǎng)度7.16km，完好防滲長(zhǎng)度2.99km，完好率為41.8%；斗渠75條，總長(zhǎng)138.2km，農(nóng)渠446條，總長(zhǎng)359.40km瀟河灌區(qū)具有悠久的灌溉歷史，灌溉渠系完整，干、支、斗、農(nóng)、毛五級(jí)灌溉渠系配套。由于骨干渠系建筑物多數(shù)修建于20世紀(jì)50年代，部分年久失修，老化嚴(yán)重，設(shè)備破損，在行水過(guò)程中常出現(xiàn)阻水、啟閉不靈等現(xiàn)象，影響了灌區(qū)的正常輸水，造成水資源的浪費(fèi)。2.2.2井灌工程概況截止目前，灌區(qū)共有灌溉機(jī)井451眼，其中出水量大于30m3/h的機(jī)井110眼，占24.4%，出水量在20～29m3/h之間的機(jī)井169眼，占37.5%，出水量在10～19m3/h之間的機(jī)井109眼，占24.2%，出水量小于10t的機(jī)井63眼，占13.9%。日提水估計(jì)可達(dá)20萬(wàn)m3?，F(xiàn)有井中有約50%為20世紀(jì)灌區(qū)95%的井灌渠道——管道系統(tǒng)與洪灌渠系分離，平行布設(shè)，很少有清洪共用渠道。但其布置服從洪灌渠系等框架。除現(xiàn)有的管灌管網(wǎng)外，井灌明渠的防滲率可達(dá)50%左右。但由于凍脹、維修跟不上等方面的原因，防滲損害嚴(yán)重。2.2.3排水工程概況項(xiàng)目區(qū)地形平坦，當(dāng)?shù)貜搅骷俺菂^(qū)污水通過(guò)退水區(qū)向項(xiàng)目區(qū)外排放。骨干排水溝道有榆次區(qū)一退、榆次區(qū)二退、使趙退水、主干退水。地面排水系統(tǒng)基本健全，但標(biāo)準(zhǔn)較低，特別是20世紀(jì)70年代以后，由于井灌井排使區(qū)域地下水位下降。地面澇災(zāi)威脅較小，致使區(qū)內(nèi)地面排水系統(tǒng)維修跟不上，退排水溝道淤積較為嚴(yán)重，存在著一定的隱患。2.2.4節(jié)水工程概況項(xiàng)目區(qū)節(jié)水灌溉從20世紀(jì)90年代初開始發(fā)展，特別是高效用水模式與產(chǎn)業(yè)化示范工程實(shí)施以來(lái)，已發(fā)展節(jié)水灌溉面積52000畝，其中噴灌面積8000畝，微灌面積1000畝，管灌面積43000畝。已埋設(shè)各種地下輸配水管道110.996km，其中固定式噴灌管道8.108km，管灌管道80.03km，滴灌管道1.1km，半固定式噴灌管道20.528km，微灌管道0.9km。擁有移動(dòng)噴灌機(jī)組39臺(tái)，井灌渠道防滲長(zhǎng)度14.676km。表面上看，項(xiàng)目區(qū)節(jié)水灌溉面積較大，但由于工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，管理不善等方面的原因，實(shí)際的節(jié)水灌溉水平還很低，管灌面積上的管網(wǎng)密度僅為3.24m/畝，離國(guó)家6～10m/畝的要求尚有較大差距。目前，所鋪設(shè)管道的大部分用來(lái)解決無(wú)井地塊灌溉水的遠(yuǎn)距離輸送，或小流量井之間的并聯(lián)，管灌面積的實(shí)際管網(wǎng)密度比3.24m/畝還要低。另外，管灌面積上的畦長(zhǎng)仍與洪灌條件下的畦長(zhǎng)一致，一般長(zhǎng)度在150～220m之間，導(dǎo)致田間水利用系數(shù)僅達(dá)0.5左右。2.2.5灌溉用水概況項(xiàng)目區(qū)灌溉水源有洪水、城市污水和地下水三種水源。瀟河灌區(qū)的水源工程為無(wú)調(diào)節(jié)引洪灌溉工程，灌水總面積33.24萬(wàn)畝，多年平均引洪量2800萬(wàn)m3，畝均洪灌水量84m3/畝，項(xiàng)目區(qū)地面水年用水量（洪水+污水）為1100萬(wàn)m3，畝灌水定額按150m3/畝計(jì)，地面水的年平均灌溉次數(shù)為1.2次。畝均毛用水量180m3/畝。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目區(qū)年地下水灌溉用量在1000萬(wàn)m3左右，畝均160～170m3項(xiàng)目區(qū)目前屬于井渠結(jié)合灌溉類型，但它是在純引洪灌區(qū)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，從灌溉工程的布局上看，以洪灌渠系為骨架；從微地形變化上來(lái)看，項(xiàng)目區(qū)大多數(shù)地塊洪灌渠道雙向控制，渠道所在地地形高，向兩側(cè)傾斜；從田面工程看，畦埂高大，畦寬4～6m居多，更有甚者畦寬可達(dá)10m以上，畦長(zhǎng)在150～220m之間。2.3農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況2.3.1農(nóng)業(yè)生產(chǎn)概況項(xiàng)目區(qū)主要以農(nóng)業(yè)為主，農(nóng)業(yè)以種植業(yè)為主，主要種植作物為小麥、玉米、棉花、蔬菜，小麥的種植面積約占42%～45%；玉米的播種面積約40.1%～44.1%；棉花的種植面積4%～6%；蔬菜等經(jīng)濟(jì)作物播種面積約26%～32%，其它豆類等種植面積約為5%～8%，復(fù)播指數(shù)接近30%，種植模式為：小麥復(fù)播豆類、蔬菜，次年種玉米，玉米收割后種小麥，這樣一種種植模式。作為太原市和晉中市兩大城市的菜籃子基地，近年來(lái)，設(shè)施農(nóng)業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，大棚、溫室集中連片已經(jīng)成為當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的支柱性產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)的一大特色。農(nóng)業(yè)灌溉基本靠地下水源，近年來(lái)發(fā)展了為數(shù)不少的噴灌、管灌等節(jié)水農(nóng)業(yè)面積，地表水主要引用瀟河來(lái)水。瀟河灌區(qū)始建于20世紀(jì)50年代，沒(méi)有調(diào)蓄能力，多年平均徑流量為1.27億m3，一般集中在汛期，屬于比較典型的洪水灌區(qū)，灌區(qū)多年平均引水量為4545萬(wàn)m3，洪灌次數(shù)平均為0.9次。2.3.2社會(huì)經(jīng)濟(jì)概況榆次區(qū)為山西省“全省超前發(fā)展改革試點(diǎn)”縣市之一，其模式為“輕紡型”工業(yè)和“城郊型”農(nóng)業(yè)協(xié)調(diào)并重，共同發(fā)展。全市國(guó)民生產(chǎn)總值達(dá)到24.88億元，年均遞增25.7%；財(cái)政總收入達(dá)到1.35億元，年均遞增18%；農(nóng)村經(jīng)濟(jì)總收入達(dá)到63億元，年均遞增20%以上；農(nóng)民人均純收入達(dá)到3000元，為全區(qū)第一；糧食總產(chǎn)量1.7億公斤，人均產(chǎn)糧660公斤；蔬菜產(chǎn)量達(dá)6.2億公斤；綜合經(jīng)濟(jì)實(shí)力在全省排名第三。近年來(lái)，榆次區(qū)把建設(shè)生態(tài)市放在首位，這個(gè)發(fā)展方向既遵循了可持續(xù)發(fā)展的原則，又符合山西省建設(shè)生態(tài)農(nóng)業(yè)的總體技術(shù)路線，被國(guó)務(wù)院確定為首批3000個(gè)節(jié)水增產(chǎn)重點(diǎn)縣（市）之一后，又被國(guó)家環(huán)保局確定為全國(guó)56個(gè)縣(市)生態(tài)示范市之一，被省政府確定為林業(yè)生態(tài)建設(shè)示范市和農(nóng)業(yè)生態(tài)示范市。在城郊鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化建設(shè)進(jìn)程中，堅(jiān)持因地制宜，發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，大搞開發(fā)性項(xiàng)目，先后建成國(guó)家商品糧基地、北方旱作農(nóng)業(yè)示范基地、北方淡水養(yǎng)魚基地、高新技術(shù)示范基地、省級(jí)多樣化果品生產(chǎn)基地、瘦肉型豬生產(chǎn)基地、無(wú)公害蔬菜生產(chǎn)基地、日光節(jié)能溫室基地，有力地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。糧食生產(chǎn)居全省十強(qiáng)縣（市）之一；蔬菜生產(chǎn)連續(xù)六年奪全省之冠；禽蛋和肉類產(chǎn)量分別名列全省第三和第四；果品產(chǎn)量居全區(qū)第二。鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)營(yíng)業(yè)收入、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)總收入、農(nóng)民人均純收入、農(nóng)村經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力等主要指標(biāo)均排名全省十強(qiáng)之中，被省委、省政府命名為全省首達(dá)小康市。示范區(qū)選擇在張慶鄉(xiāng)演武村和郭家堡王村、近城，其社經(jīng)情況見(jiàn)表2-1。表2-1示范區(qū)基本情況表Table2-1DemonstrationareainTable村名人口耕地（畝）其中水地（畝）糧田面積（畝）經(jīng)濟(jì)作物面積（畝）畝產(chǎn)（kg）農(nóng)村經(jīng)濟(jì)總收入（萬(wàn)元）人均收入（元）合計(jì)6823102471024770995240342.2488183583448演武1905335433541599226576848043323197王村26884230423042001175199.147459462797近城2230266326631300180066.3510808034672.4水資源可持續(xù)利用與節(jié)水增產(chǎn)方略概況2.4.1水資源可持續(xù)利用概況水資源持續(xù)利用強(qiáng)調(diào)的是水資源持久地利用，不僅要滿足當(dāng)代人的用水需求，而且又要為后代人繼續(xù)利用創(chuàng)造條件，維持世世代代的持續(xù)利用。根據(jù)我國(guó)人口、經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境的惡化，以及水資源緊缺和貧乏等基本國(guó)情，決定了水資源的開發(fā)利用必須走保護(hù)生態(tài)環(huán)境、保護(hù)水資源、合理利用和節(jié)約水資源的持續(xù)發(fā)展道路。因此，水資源持續(xù)利用是區(qū)別于傳統(tǒng)資源利用的一種改革和新模式，是可持續(xù)的水資源開發(fā)、利用、保護(hù)和管理綜合一體化的總稱。根據(jù)水資源可持續(xù)利用的這一基本內(nèi)涵，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)在水資源利用中存在的問(wèn)題，提出項(xiàng)目區(qū)水資源可持續(xù)利用方略：1)節(jié)水灌溉是水資源持續(xù)利用的基礎(chǔ)。項(xiàng)目區(qū)多年平均降水量為436mm，降水量少且年際及年內(nèi)分布極不均勻，具有夏秋多、冬春少、豐枯年懸殊的特點(diǎn)。年內(nèi)降水多集中在6～9月份。絕大多數(shù)作物都需要不同程度的灌溉。干旱缺水限制了灌溉，也限制了農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展。項(xiàng)目區(qū)干旱缺水的現(xiàn)狀決定了農(nóng)業(yè)發(fā)展必須走節(jié)水的道路。目前水資源的緊缺，除與水資源本身特性有關(guān)外，還與水資源的浪費(fèi)有關(guān)。農(nóng)田灌溉用水是農(nóng)業(yè)的主要耗水對(duì)象，農(nóng)田灌溉用水占農(nóng)業(yè)總用水的比例始終保持在90%以上的水平。節(jié)水灌溉是為了保證水資源的持續(xù)利用及農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。節(jié)水灌溉是本區(qū)水資源持續(xù)利用的基礎(chǔ)，也是影響本區(qū)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。因此，必須堅(jiān)定不移地堅(jiān)持大力發(fā)展節(jié)水灌溉。2)實(shí)現(xiàn)井渠結(jié)合、地表水地下水聯(lián)合利用的灌溉方式。項(xiàng)目區(qū)所在的瀟河灌區(qū)是20世紀(jì)60年代建設(shè)的，其建設(shè)規(guī)模都是以當(dāng)時(shí)的水資源條件決定的。隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，對(duì)水資源的開發(fā)利用強(qiáng)度發(fā)生了較大的變化，加之降雨量的減少和上游水土保持工作的深入開展等，灌區(qū)的地表水資源量銳減，供需矛盾日趨嚴(yán)重。地下水資源是本區(qū)農(nóng)業(yè)用水的主要水源之一，由于地表水資源的衰減、引水需求量的增加、洪水的不可調(diào)節(jié)性與作物需水不同步、水資源缺乏統(tǒng)一管理等，地下水位處于持續(xù)下降狀態(tài)。在瀟河灌區(qū)早年興建的井片，凡是忽略河水灌溉或興井廢渠的地方，都已經(jīng)形成了區(qū)域性的地下水位下降。井渠結(jié)合灌溉，可實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的多年調(diào)節(jié)。在干旱年份加大地下水的開采量，增加井灌供水量；豐水年份通過(guò)降水或地面灌溉系統(tǒng)引用多余的水量回補(bǔ)地下水，便可實(shí)現(xiàn)區(qū)域水資源的多年調(diào)節(jié)，同時(shí)也提高了作物的供水保證率。3)實(shí)施引洪補(bǔ)源和攔蓄地表徑流。根據(jù)資料分析，項(xiàng)目區(qū)在現(xiàn)狀引水和依靠本區(qū)大氣降水條件下，將不能夠達(dá)到回補(bǔ)地下水的目的，地下水位將持續(xù)下降。為此，必須在汛期加大引洪灌溉力度，通過(guò)多種方式逐年定量進(jìn)行回補(bǔ)地下水。回補(bǔ)方式以引洪田面灌溉為主，同時(shí)輔以渠道蓄存下滲和坑塘洼地回補(bǔ)。此外，要充分?jǐn)r蓄利用本區(qū)降雨徑流。4)要重視土壤水的利用。通過(guò)對(duì)示范區(qū)四水轉(zhuǎn)化關(guān)系分析，土壤水占大氣降水的87.7%，作為能夠連續(xù)地供給作物吸收利用的土壤水庫(kù)及土壤水，在四水中是不可忽視的重要組成部分。要有意識(shí)地調(diào)節(jié)土壤水，提高土壤水的有效利用率，建立和完善土壤內(nèi)外水分循環(huán)體系，采取促進(jìn)降水入滲的措施，促使降水盡可能多地滲入土壤之中，充分發(fā)揮土壤水庫(kù)的蓄水作用，做到蓄水于土、取水于土。同時(shí)，對(duì)于滲入土壤之中的水分，要采取措施盡量減少非生產(chǎn)性無(wú)效消耗?？刹捎蒙钏筛?、秸稈覆蓋、免耕等土壤水調(diào)節(jié)與利用措施。通過(guò)多種水資源的科學(xué)調(diào)配利用，在工程措施方面做到河、井、渠、坑并用，排、灌、蓄、滯結(jié)合，各項(xiàng)工程和措施相互聯(lián)合運(yùn)用，就可達(dá)到最佳水量平衡與可持續(xù)利用。2.4.2節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向與對(duì)策概況1)重視井渠結(jié)合灌溉山西省有許多灌區(qū)采用井渠并用的灌溉方式，但并未合理地利用地表水和地下水。各地應(yīng)根據(jù)不同的水資源分布特點(diǎn)，制定相應(yīng)的井渠結(jié)合灌溉制度。如年度內(nèi)可在河水枯季利用井水灌溉騰空地下庫(kù)容，在汛期則引洪灌溉，補(bǔ)充地下水；在年際間的枯水年份可超采地下水，在豐水年份則需補(bǔ)足超采部分，實(shí)現(xiàn)多年均衡調(diào)節(jié)。2)充分利用天然降水采用平整土地、深翻松土、秸稈還田、增施有機(jī)肥、耙耱保墑、填筑畦埂等農(nóng)業(yè)耕作措施，盡量增大土壤的降雨入滲能力和保水能力。降雨少的地區(qū)，通過(guò)人工集流場(chǎng)，把雨水集蓄于水窖中，作為春播點(diǎn)澆水源，有條件的可配上簡(jiǎn)易微噴、滴灌。3)將先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)與高效農(nóng)業(yè)增產(chǎn)技術(shù)組裝集成山西省長(zhǎng)期以來(lái)偏重于推廣應(yīng)用單一的節(jié)水灌溉工程技術(shù)，強(qiáng)調(diào)了節(jié)水但效益不高。從“八五”以后逐漸開始轉(zhuǎn)入以節(jié)水灌溉工程為中心，農(nóng)、水、土、肥相結(jié)合的綜合農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)研究與應(yīng)用。今后要更加重視配套采用農(nóng)業(yè)綜合技術(shù)，注重各種高新技術(shù)的組合集成，使之成套化和系統(tǒng)化，達(dá)到事半功倍的效果。4)把渠灌區(qū)高效節(jié)水改造作為發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)灌溉水損失總量中的80%以上發(fā)生在從水源到田間的輸水過(guò)程。目前我省全部有效灌溉面積中，純井灌區(qū)僅占總面積的30%，河井雙灌區(qū)17%，利用地面水的渠灌區(qū)占53%，渠灌區(qū)的灌溉水利用效率遠(yuǎn)低于井灌區(qū)。因此在繼續(xù)抓好井灌區(qū)的節(jié)水高效建設(shè)的同時(shí)，應(yīng)將渠灌區(qū)的高效節(jié)水改造作為農(nóng)業(yè)節(jié)水建設(shè)的主戰(zhàn)場(chǎng)，要采取渠道防滲、渠系配水、量水建筑物配套等工程技術(shù)措施。節(jié)水要抓大頭，渠道防滲是減少輸水損失的主要措施。但要因地制宜，例如，有回灌補(bǔ)源任務(wù)的末級(jí)渠道就不能防滲。低壓管道灌溉在井灌區(qū)是行之有效的技術(shù)措施，有條件的渠灌區(qū)應(yīng)推廣應(yīng)用，以減少渠系輸水過(guò)程中的滲漏、蒸發(fā)、跑水、漏水等無(wú)效損失，提高渠系水利用率。5)把改進(jìn)提高地面灌水技術(shù)作為節(jié)水農(nóng)業(yè)田間建設(shè)的主攻方向和噴灌、微灌等灌溉方式相比，傳統(tǒng)的地面灌溉在現(xiàn)在和將來(lái)一段時(shí)期內(nèi)仍將是我省水澆地灌溉的主要形式。目前全省噴微灌面積僅占水澆地面積的12%，其余88%的面積仍為普通的地面灌溉面積，節(jié)水潛力很大。常規(guī)的園田化小畦灌溉、溝灌、隔溝灌、長(zhǎng)畦改短畦、寬畦改窄畦以及水平畦田灌等行之有效的田間灌水技術(shù)仍應(yīng)予以推廣；先進(jìn)的激光平地技術(shù)、間歇灌溉、閘管灌溉等技術(shù)應(yīng)引進(jìn)、試點(diǎn)、推廣。清洪水灌區(qū)及水源不足采用大定額灌溉灌區(qū)的合理田面工程形式及田間灌水技術(shù)應(yīng)認(rèn)真研究。6)噴微灌在現(xiàn)有基礎(chǔ)上有條件地穩(wěn)步發(fā)展首先應(yīng)鞏固現(xiàn)有的噴、微灌工程設(shè)施，使之盡快充分發(fā)揮節(jié)水高效的作用。新發(fā)展該類工程面積應(yīng)按照三優(yōu)先的原則積極穩(wěn)步發(fā)展，即：優(yōu)先選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)力強(qiáng)、技術(shù)水平高、適度經(jīng)營(yíng)、統(tǒng)一種植、統(tǒng)一管理的城市郊區(qū)推廣使用；優(yōu)先選擇經(jīng)濟(jì)作物、蔬菜、果樹等作物在田間或大棚中應(yīng)用；優(yōu)先在有天然水頭落差或?qū)嵤┑孛婀喔扔欣щy的地區(qū)采用。隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、農(nóng)業(yè)種植耕作制度的調(diào)整改變以及噴微灌技術(shù)的進(jìn)步，這些灌溉形式將日益居于重要地位。7)節(jié)水農(nóng)業(yè)在重視工程節(jié)水的同時(shí)，更要重視農(nóng)藝節(jié)水和管理節(jié)水節(jié)水農(nóng)業(yè)只有做到工程節(jié)水、農(nóng)藝節(jié)水、管理節(jié)水三結(jié)合，才能真正達(dá)到高產(chǎn)、節(jié)水、高效。在農(nóng)藝節(jié)水方面要注意調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)、采用節(jié)水耐旱品種、利用秸桿覆蓋地面保墑、培肥改土等措施減少無(wú)效地面蒸發(fā)。在灌溉管理節(jié)水方面，應(yīng)從理念上明確，我省灌溉水源嚴(yán)重不足，農(nóng)田灌溉只能實(shí)行非充分灌溉或調(diào)虧灌溉，要加強(qiáng)土壤墑情監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)，要在灌溉試驗(yàn)和多年灌溉實(shí)踐的基礎(chǔ)上，制定非充分灌溉條件下的優(yōu)化灌溉制度，將有限的灌溉水資源用于農(nóng)作物對(duì)缺水最敏感的生育期，提高灌區(qū)的水分生產(chǎn)率。有條件的地方要采用計(jì)算機(jī)遙感、遙測(cè)技術(shù)，土壤墑情和灌區(qū)用水的監(jiān)、測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，灌區(qū)用水自動(dòng)化管理操作系統(tǒng)。應(yīng)重視田間水管理、加強(qiáng)輸水、配水、量水設(shè)施建設(shè)，并鼓勵(lì)農(nóng)民參與管理。為保證高效用水的執(zhí)行，應(yīng)制定嚴(yán)密的節(jié)水政策法規(guī)，實(shí)行嚴(yán)格的配水定額制和超額用水大幅度加價(jià)的水價(jià)調(diào)控政策。8)倡導(dǎo)用水戶參與灌溉管理并建立和完善兩套指標(biāo)體系用水戶參與灌溉管理是國(guó)際推薦的一個(gè)比較成熟的模式，我省進(jìn)行了一些試點(diǎn)。今后應(yīng)加快推廣，加快組建用水戶協(xié)會(huì)的步伐。協(xié)會(huì)作為一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)體，管理部門把斗渠以下經(jīng)營(yíng)權(quán)轉(zhuǎn)讓給協(xié)會(huì)。同時(shí)，要建立各個(gè)灌區(qū)的宏觀可用水量分配指標(biāo)和不同作物、不同地區(qū)灌溉定額，以此作為控制用水、推行節(jié)水的科學(xué)依據(jù)。2.4.3提高糧食產(chǎn)量途徑概況項(xiàng)目區(qū)所在區(qū)域是晉中市及全省糧、棉、蔬菜及農(nóng)副產(chǎn)品的主要生產(chǎn)基地之一，財(cái)政情況良好，農(nóng)民收入較高，對(duì)于節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用具有較強(qiáng)的意識(shí)和積極性，并具有一定的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)。本項(xiàng)目區(qū)在全省具有一定的代表性。近年來(lái)，雖然在節(jié)水工程建設(shè)和高效農(nóng)業(yè)用水方面有所突破，取得了一定進(jìn)展，但總體來(lái)說(shuō)，尚未形成適合于當(dāng)?shù)氐墓?jié)水農(nóng)業(yè)模式，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還達(dá)不到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。為了進(jìn)一步提高糧食產(chǎn)量、提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平，在以下幾個(gè)方面必須給予足夠的重視：1)解決好水資源不足的問(wèn)題。項(xiàng)目區(qū)所在的瀟河灌區(qū)是一個(gè)井渠結(jié)合灌區(qū)，地表水依賴于瀟河上游河道徑流，由于該灌區(qū)渠首為無(wú)調(diào)蓄低壩引水，而全年降水又幾乎集中在年度的7—8月份，因而地表來(lái)水利用率極低。地下水是目前項(xiàng)目區(qū)的主要灌溉水源，但由于地下水補(bǔ)給量不足，致使地下水位逐年下降，地下水環(huán)境漸趨惡化。許多現(xiàn)有機(jī)井出水量不足，甚至有的機(jī)井逐步報(bào)廢。近年來(lái)，項(xiàng)目區(qū)節(jié)水灌溉工程有了明顯進(jìn)展，低壓管道灌溉、噴灌、滴灌等節(jié)水灌溉技術(shù)逐步應(yīng)用。但節(jié)水效果仍不顯著，水資源不足的問(wèn)題依然存在。因此，只有通過(guò)全方位的采取多種水源的聯(lián)合調(diào)配利用，充分解決好水資源不足問(wèn)題，才能夠從根本上達(dá)到提高糧食產(chǎn)量的目的。項(xiàng)目區(qū)可利用的水資源有瀟河來(lái)水、本區(qū)降水、當(dāng)?shù)貜搅?、地下水以及土壤水，必須在充分分析各種水源的特點(diǎn)和規(guī)律的基礎(chǔ)上，結(jié)合項(xiàng)目區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際，調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，使各種水源的利用率得到最大限度的提高。2)節(jié)水灌溉工程的標(biāo)準(zhǔn)要提高。項(xiàng)目區(qū)通過(guò)多年農(nóng)業(yè)節(jié)水工程建設(shè)，已有70%以上的農(nóng)田實(shí)現(xiàn)了管道灌溉。雖然看起來(lái)節(jié)水灌溉面積比例較大，但實(shí)際節(jié)水灌溉水平還很低。主要原因，第一是管灌面積的實(shí)際管網(wǎng)密度不足3.24m/畝，與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求還有不小的差距，實(shí)際上許多管道只是起著遠(yuǎn)距離輸水的作用；第二是井水灌溉仍沿用大水漫灌的灌溉方式，畦田長(zhǎng)度在180—220m，使得灌溉時(shí)間長(zhǎng)、畝次用水量大、浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重，田間水有效利用率僅為0.4—0.5。因此，進(jìn)一步提高田間管網(wǎng)密度、實(shí)行小畦灌溉，是實(shí)現(xiàn)井水集約灌溉的關(guān)鍵。另外，項(xiàng)目區(qū)為井渠結(jié)合區(qū)，田間工程的布局要滿足洪水灌溉和井水灌溉兩者的需要，通過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)施，認(rèn)真研究解決井渠結(jié)合的田間工程問(wèn)題。3)研究節(jié)水高產(chǎn)灌溉制度。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，研究各種作物的節(jié)水高產(chǎn)灌溉制度，根據(jù)多年降水資料和試驗(yàn)的田間平均耗水量及土壤干旱指標(biāo)，擬定出不同水文年型的節(jié)水高產(chǎn)灌溉模式。同時(shí)，要加強(qiáng)節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)的應(yīng)用，包括蓄水保墑的耕作技術(shù)、適雨種植的作物合理布局、提高作物抗旱能力的栽培技術(shù)、秸稈或地膜覆蓋的保墑技術(shù)、限額灌溉及節(jié)水抗旱作物品種選育等。4)節(jié)水灌溉技術(shù)應(yīng)向綜合方向發(fā)展。目前，在項(xiàng)目區(qū)采用的節(jié)水灌溉技術(shù)主要是低壓管道灌溉、噴灌、滴灌等。因此，節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用基本是單項(xiàng)性的。應(yīng)在單項(xiàng)技術(shù)成熟之后，向綜合方向發(fā)展。如管灌和田間改進(jìn)地面灌水技術(shù)結(jié)合，渠灌、管灌與噴灌的結(jié)合，各種節(jié)水灌溉技術(shù)和農(nóng)藝技術(shù)如耕作技術(shù)、覆蓋技術(shù)等結(jié)合，形成節(jié)水的綜合體系和集成技術(shù)。5)建立農(nóng)業(yè)高效用水管理制度。一般認(rèn)為灌溉節(jié)水的潛力50%在管理方面，只有科學(xué)的管理才能使其它節(jié)水措施得以順利實(shí)施。節(jié)水管理技術(shù)應(yīng)按對(duì)地表水、地下水資源進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一調(diào)配并根據(jù)作物的需水規(guī)律控制、調(diào)配水源，以最大限度地滿足作物對(duì)水分的需求，實(shí)現(xiàn)區(qū)域效益最佳的農(nóng)田水分調(diào)控管理。灌區(qū)用水管理不善,在很大程度上與管理體制有關(guān)，因此，要重視運(yùn)用經(jīng)濟(jì)杠桿和政策實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源的合理分配與有償使用。迫切需要開展農(nóng)業(yè)高效用水投入機(jī)制、政策、法規(guī)及管理服務(wù)體系研究,以節(jié)約灌溉用水,實(shí)現(xiàn)灌區(qū)水資源的合理調(diào)配。第三章項(xiàng)目區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)試驗(yàn)研究3.1節(jié)水抗旱作物新品種的篩選針對(duì)項(xiàng)目區(qū)的主導(dǎo)作物玉米和冬小麥，通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研、小區(qū)試驗(yàn)、產(chǎn)量調(diào)查，對(duì)不同品種的產(chǎn)量、水分利用率進(jìn)行分析，篩選適合于本項(xiàng)目區(qū)的冬小麥、玉米抗旱品種。在調(diào)研的基礎(chǔ)上選取了適合當(dāng)?shù)氐挠衩灼贩N6個(gè)（晉單35號(hào)、晉單42號(hào)、農(nóng)大108、農(nóng)大3138、沈單10號(hào)、沈單16號(hào)），并進(jìn)行了相應(yīng)的灌溉試驗(yàn)。玉米生育期內(nèi)降水較多，灌水相應(yīng)較少，主要試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3-1。最終確定在項(xiàng)目區(qū)推廣的玉米品種為晉單35號(hào)、沈單16號(hào)、晉單42號(hào)及沈單10號(hào)。表3-1不同春玉米品種產(chǎn)量試驗(yàn)結(jié)果Table3-1springmaizevarietiesyieldresults玉米品種灌1水產(chǎn)量(kg/畝)水分生產(chǎn)率（kg/m3）晉單35號(hào)701.92.59沈單16號(hào)6552.54晉單42號(hào)6492.52沈單10號(hào)594.72.22農(nóng)大108551.72.15農(nóng)大3138516.52.10對(duì)于冬小麥品種篩選，在2003~2005年期間，先后試驗(yàn)示范了長(zhǎng)6878、石家莊8號(hào)、晉麥47、西峰20、中旱110、中麥326、中麥190、西農(nóng)2911、西農(nóng)1043、臨豐536、臨豐615、節(jié)優(yōu)218、旱優(yōu)112等18個(gè)小麥抗旱節(jié)水新品種（系），篩選出適合當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)條件的抗旱節(jié)水小麥新品種（系）6個(gè)，推薦選用石家莊8號(hào)和臨豐615。以當(dāng)?shù)噩F(xiàn)行品種京411為對(duì)照，抗旱節(jié)水新品種（系）的增產(chǎn)效果及水分利用效率（WUE）提高幅度如表3-2。表3-2不同春冬小麥品種產(chǎn)量試驗(yàn)結(jié)果Table3-2springandwinterwheatvarietiesyieldresults品種（系）名稱比對(duì)照增產(chǎn)（%）比對(duì)照WUE提高（%）臨豐53614.1-38.334.9-41.1長(zhǎng)687812.7-25.116.4-32.4晉麥4710.2-25.017.5-39.3西農(nóng)291110.8-23.516.9-29.4石家莊8號(hào)12.9-19.86.5-9.2節(jié)優(yōu)21811.7-19.315.1-29.03.2作物水肥耦合關(guān)系及合理灌溉制度研究冬小麥水肥耦合技術(shù)的小區(qū)試驗(yàn)工作，設(shè)置了不同的水、肥組合處理，在30個(gè)小區(qū)（20m23.2.1冬小麥農(nóng)田水量平衡與消耗規(guī)律分析1)農(nóng)田水量平衡模型水量平衡模型是一種概念性模型，根據(jù)一定時(shí)段內(nèi)土壤水分的輸入和輸出來(lái)確定土壤水分的變化。田間水量平衡要素主要包括降雨（P）、灌溉（I）、騰發(fā)（ET）、根系層底部水分交換量（Q，以滲漏為正）、地面徑流（R）等，如圖3-1所示。農(nóng)田水量平衡的基本方程為： (3-1)式中，W1、W2分別時(shí)段始、末的根系層貯水量，ΔW為其變化量。在水量平衡要素中，階段降水量可根據(jù)氣象觀測(cè)得到；灌水量是人工控制與可測(cè)量的；其它各項(xiàng)則需要根據(jù)一定的方法進(jìn)行估算。在半干旱、半濕潤(rùn)地區(qū)徑流量一般比較小，且主要出現(xiàn)在汛期，可以根據(jù)一定的產(chǎn)流機(jī)制來(lái)估算。因此進(jìn)行農(nóng)田水量平衡模擬的關(guān)鍵是估算騰發(fā)量與根系層底部的水分交換量。田間騰發(fā)量取決于大氣蒸發(fā)能力（以參考作物騰發(fā)量表示）、作物類型及生長(zhǎng)狀況（以作物系數(shù)表示）、土壤供水情況（以土壤水分脅迫系數(shù)表示），采用單作物系數(shù)計(jì)算騰發(fā)量的公式為：(3-2)(3-3)式中，為不受水分脅迫時(shí)的農(nóng)田潛在騰發(fā)量。與氣象因素有關(guān)，可根據(jù)FAO推薦的Penman-Monteith公式計(jì)算。對(duì)于一定的作物，與作物生育階段和生長(zhǎng)狀況有關(guān)，為簡(jiǎn)化可將其近似視為生育時(shí)間的函數(shù)，采用下式進(jìn)行估算：(3-4)式中為生育期最大作物系數(shù)，為對(duì)應(yīng)的時(shí)間，為形狀參數(shù)。水分脅迫系數(shù)是計(jì)算作物騰發(fā)量和模擬土壤水分狀況的一個(gè)關(guān)鍵因素。通常認(rèn)為的大小由土壤含水量和一個(gè)介于田間持水量和凋萎含水量之間的臨界含水量決定。當(dāng)時(shí)，，即作物不受水分脅迫；當(dāng)時(shí)，，作物受到一定程度的水分脅迫。通常情況下，被當(dāng)作一個(gè)常數(shù)處理(記作)。這樣，被表達(dá)成、、的函數(shù)，其中一個(gè)常用的指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式為 (3-5)實(shí)際上，作為一個(gè)反映作物所受水分脅迫的綜合性指標(biāo)，其大小是由多方面的因素決定的。不僅與土壤因素(、、)有關(guān)，也與作物因素(種類、生長(zhǎng)階段、長(zhǎng)勢(shì)、根系分布、耐旱抗旱能力)和氣象因素有關(guān)。概括的說(shuō)，同時(shí)決定于兩方面的因素：一方面是土壤供給作物水分的能力，、、正是反映這方面的因素；另一方面是作物潛在騰發(fā)量的大小，作物因素和氣象因素是反映這方面的因素。FAO56認(rèn)為的計(jì)算應(yīng)同時(shí)考慮土壤供水能力的大小和作物潛在騰發(fā)量的大小，并據(jù)此提供了一套具有更為明確的物理意義的計(jì)算公式(以下簡(jiǎn)稱FAO法)。首先建立與、之間的關(guān)系，由于，所以可以表示為兩者的加權(quán)平均，即：(3-6)上式表達(dá)了與土壤因素的關(guān)系。從中可以看出，越小，越大，越接近田間持水量，則作物在土壤水分消退過(guò)程中越容易遭受水分脅迫；反之亦然。其次為了使能夠體現(xiàn)與作物因素及氣象因素的關(guān)系，F(xiàn)AO56提出了通過(guò)作物潛在騰發(fā)量計(jì)算權(quán)系數(shù)的公式：(3-7)式中是一種標(biāo)準(zhǔn)狀況（）時(shí)的值，其值主要由作物種類決定，可查閱FAO56表22。對(duì)于冬小麥，。從式(3-7)可知，作物潛在騰發(fā)量越大，越小，越大，越接近田間持水量，從而作物在土壤水分消退過(guò)程中越容易受到水分脅迫的影響。所以(3-6)、(3-7)兩式全面的表達(dá)了土壤供水能力和作物潛在騰發(fā)量?jī)煞矫娴囊蛩嘏c的關(guān)系。最后建立與之間的關(guān)系。當(dāng)時(shí)，F(xiàn)AO56認(rèn)為和之間是一種線性變化關(guān)系，即： (3-8)將(3-6)、(3-7)兩式代入(3-8)式中，整理得(3-9)式，這就是FAO法計(jì)算作物水分脅迫系數(shù)的最終公式：(3-9)上式右端第1項(xiàng)表示作物因素和氣象因素對(duì)作物水分脅迫的影響，第2項(xiàng)表示土壤供水能力對(duì)作物水分脅迫的影響。根系層底部水分交換量可以采用不同的方法進(jìn)行估計(jì)，如簡(jiǎn)化法（近似認(rèn)為）、零通量面法、經(jīng)驗(yàn)方法等。在水量平衡模型中采用經(jīng)驗(yàn)方法比較合適，模型中采用文獻(xiàn)經(jīng)驗(yàn)方法計(jì)算：(3-10)式中、為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；為根系層田間持水量；為根系層底部水分交換的臨界貯水量，與土壤持水能力、地下水埋深等因素有關(guān)，在地下水位變化不大時(shí)，可近似視為常數(shù)。以上建立的農(nóng)田水量平衡模型中，土壤水分脅迫系數(shù)可以利用式(3-5)或式(3-9)來(lái)確定，相應(yīng)的水量平衡模型分別稱為指數(shù)模型和FAO模型。根據(jù)土壤特性及實(shí)測(cè)的土壤水分動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，可以確定以上公式中的參數(shù)，即可對(duì)冬小麥農(nóng)田水分消耗與轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行分析。2)冬小麥農(nóng)田水量平衡模型參數(shù)的確定和模型檢驗(yàn)在以上農(nóng)田水量平衡模型中，F(xiàn)AO模型有7個(gè)待定參數(shù)，而指數(shù)模型有9個(gè)待定參數(shù)，其取值范圍列在表3-3中。利用瀟河灌溉試驗(yàn)站（位于山西省晉中市榆次區(qū)，112.7°E，37.4°N）冬小麥試驗(yàn)資料對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，得到的參數(shù)見(jiàn)表3-4。表3-3FAO模型和指數(shù)模型的參數(shù)及其取值范圍Table3-3oftheFAOmodelandexponentialmodelparametersandtheirrange模型Wp(mm)Wj(mm)nKcmtm(d)cadWc(mm)FAO模型150~160－－1~1.5200~22040~1000~10~10240~300指數(shù)模型150~160200~3000~11~1.5200~22040~1000~10~10240~300表3-4FAO模型和指數(shù)模型的參數(shù)優(yōu)選結(jié)果Table3-4oftheFAOmodelandtheexponentialmodelparameteroptimizationresults模型Wp(mm)Wj(mm)nKcmtm(d)cadWc(mm)FAO模型150－－1.3209500.031252指數(shù)模型15824811.28210500.031255利用以上模型模型對(duì)不同灌水處理下的土壤水分動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行模擬，土壤1m貯水量實(shí)測(cè)值與模擬值的比較見(jiàn)圖3-2。由圖3-2可以看出，實(shí)測(cè)值與模擬值基本一致，表明以上所建立的兩個(gè)水量平衡模型和參數(shù)是適用的。3)冬小麥農(nóng)田水量平衡模擬結(jié)果分析表3-5給出了不同灌水處理下水量平衡模擬結(jié)果。圖3-3則給出了冬小麥生育期0-1m土壤臨界含水量和潛在騰發(fā)量的動(dòng)態(tài)變化曲線。表3-5兩種模型的田間水量平衡結(jié)果Table3-5Fieldwaterbalanceresultsofthetwomodels模型小區(qū)P(mm)I(mm)ΔW(mm)ET(mm)Q(mm)P/ETI/ETΔW/ET-Q/ETFAO模型16114.8225.079.4378.640.630.3%59.4%21.0%-10.7%6114.8105.068.8301.8-13.338.0%34.8%22.8%4.4%23114.845.0117.3275.41.741.7%16.3%42.6%-0.6%13114.80.094.9236.2-26.548.6%0.0%40.2%11.2%指數(shù)模型16114.8225.080.3389.330.829.5%57.8%20.6%-7.9%6114.8105.068.6309.9-21.537.0%33.9%22.1%7.0%23114.845.0116.2282.1-6.140.7%16.0%41.2%2.2%13114.80.092.3239.6-32.547.9%0.0%38.5%13.6%圖3-2不同灌水處理下土壤水分模擬結(jié)果Figure3-2Thedifferentirrigationtreatmentsundersoilmoisturesimulationresults(a)0-1m深土壤臨界含水量（b）潛在騰發(fā)量圖3-3冬小麥生育期0-1m深土壤臨界含水量和潛在騰發(fā)量變化曲線Figure3-3growthofwinterwheat0-mdeepsoilcriticalmoisturecontentandpotentialevapotranspirationcurve根據(jù)以上模擬結(jié)果，可以得到以下初步結(jié)論：(1)從表3-4可以看出，兩種模型的參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果非常接近，只有、、、存在極小的差異。但FAO模型與指數(shù)模型相比，其優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有、兩個(gè)待定參數(shù)，其尋優(yōu)過(guò)程更加簡(jiǎn)便，結(jié)果更易于收斂。(2)從1m深土壤水分動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果(圖3-2)來(lái)看，返青后有灌水的6#、16#、23#小區(qū)，模擬的精度要高一些，而返青后沒(méi)有灌水的13#小區(qū)則要差一些，后期的觀測(cè)值與模擬值相差較大。但總的來(lái)說(shuō)，兩模型都具有較高的模擬精度，且模擬精度相當(dāng)。考慮到田間試驗(yàn)不可避免的存在一定的誤差，特別是實(shí)測(cè)含水量的誤差，其精度還是比較令人滿意的。(3)無(wú)論是FAO模型還是指數(shù)模型，作物騰發(fā)量都隨灌水量的增加而增加。返青后高灌水處理(225mm)的16#小區(qū)，騰發(fā)量最高，達(dá)到378.6mm(FAO模型)和389.3mm(指數(shù)模型)；無(wú)灌水的13#小區(qū)，騰發(fā)量最低，為236.2mm(FAO模型)和239.6mm(指數(shù)模型)。中等灌水處理(105mm)的6#小區(qū)和低灌水處理的23#小區(qū)的騰發(fā)量則介于16#、13#之間。至于根區(qū)下界面水分交換量，從表3-5可以明顯看出，灌水量較大的16#、6#小區(qū)存在著較大的向下滲漏。而沒(méi)有灌水的13#小區(qū)則受到較大的深層補(bǔ)給。低灌水處理的23#小區(qū)的值則接近于0。將表3-5的結(jié)果與氣候相似地區(qū)的冬小麥需水量資料相比較，其結(jié)果還是比較合理的。所以采用FAO模型進(jìn)行土壤水分動(dòng)態(tài)模擬和田間水量平衡分析是完全可行的。(3)從表3-5還可以看出，對(duì)于相同的小區(qū)，F(xiàn)AO模型計(jì)算的值要比指數(shù)模型偏低，但是差距不是很大，最大不超過(guò)10mm。兩模型計(jì)算的值也比較相近，但沒(méi)有統(tǒng)一的大小關(guān)系。(5)圖3-3(a)表明決定作物水分脅迫的臨界含水量并不是一個(gè)定值，而是在一個(gè)區(qū)間波動(dòng)。在冬小麥的生長(zhǎng)前期，作物潛在騰發(fā)量較小，在一個(gè)較低值的范圍內(nèi)波動(dòng)（最小值為215mm），加之這一時(shí)期土壤含水量較大，作物不易受到水分脅迫。隨后，作物潛在騰發(fā)量不斷增大（圖3-3(b)），在拔節(jié)至灌漿期達(dá)到較大的值，這樣也在一個(gè)較大值的范圍內(nèi)波動(dòng)，如果土壤水分不斷消耗而沒(méi)有得到及時(shí)的補(bǔ)充，作物很容易受到水分脅迫。的最大值出現(xiàn)在4月30日左右，達(dá)到290mm。在冬小麥生長(zhǎng)后期，盡管潛在騰發(fā)量有所降低，但還是較大（在250mm左右）。返青至收獲期間，的平均值為247mm，與經(jīng)驗(yàn)法參數(shù)尋優(yōu)得到的值（248mm）相近。因此，經(jīng)驗(yàn)法計(jì)算得到的值可以認(rèn)為是FAO法計(jì)算得到的的平均值。3.2.2冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)研究1)冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)的Jensen模型Jensen模型是水分生產(chǎn)函數(shù)研究中最常用的模型之一，其形式為：(3-11)式中為作物生育階段數(shù)；為生育階段編號(hào)；、ETmi分別為第階段的實(shí)際騰發(fā)量（mm）、潛在騰發(fā)量（mm）；為實(shí)際騰發(fā)量對(duì)應(yīng)的實(shí)際產(chǎn)量（kg/hm2）；為潛在騰發(fā)量對(duì)應(yīng)的作物潛在產(chǎn)量，即充分供水條件下的作物產(chǎn)量（kg/hm2）；為第生育階段的水分敏感指數(shù)，反映階段缺水對(duì)產(chǎn)量的影響程度。已有的研究成果表明，水分敏感指數(shù)具有一定的累加性，可以用logistic曲線來(lái)描述敏感指數(shù)累積曲線，即：(3-12)式中、、為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。根據(jù)以上累積曲線，可以計(jì)算出時(shí)段～的水分敏感指數(shù)為λ12=z(t2)-z(t1)(3-13)在本研究中，采用以下4種方法來(lái)推求水分敏感指數(shù)：(1)將Jensen模型(3-11)線性化后利用最小二乘法確定水分敏感指數(shù)，記為OLSR；(2)將Jensen模型(3-11)線性化后利用偏最小二乘法確定水分敏感指數(shù)，記為PLSR；(3)利用遺傳算法等非線性優(yōu)化方法直接確定Jensen模型(3-11)中的水分敏感指數(shù)，記為NLR；(4)利用遺傳算法等非線性優(yōu)化方法確定水分敏感指數(shù)累積曲線(3-12)的參數(shù)、、，然后利用式(6-13)計(jì)算出各生育階段的水分敏感指數(shù)，記為CC；水分敏感指數(shù)的擬合結(jié)果見(jiàn)表3-6，其中模型(3-12)的擬合結(jié)果為(3-14)表3-6瀟河試驗(yàn)站冬小麥水分敏感指數(shù)擬合結(jié)果Table3-6XiaoRiverExperimentStationWinterWheat-sensitiveexponentialfittingresults擬合方法播種～越冬越冬～返青返青～拔節(jié)拔節(jié)～抽穗抽穗～灌漿灌漿～收獲OLSR0.02000.04070.16430.41920.25930.1556PLSR0.01980.04420.17130.42420.26740.1582NLR0.03270.02790.17170.43770.23950.1425CC2e-60.01200.21740.42020.25720.1049由表3-6可以看出，以上4種方法得到的水分敏感指數(shù)有一定的差別，但總體變化規(guī)律一致。在6個(gè)生育階段中，后4個(gè)階段水分敏感指數(shù)較大，其中拔節(jié)～抽穗階段的水分敏感指數(shù)最大，其次是抽穗～灌漿階段，最后是返青～拔節(jié)和灌漿～收獲；播種～越冬和越冬～返青兩個(gè)階段的水分敏感指數(shù)最小，與其它階段水分敏感指數(shù)相比，幾乎可以忽略。利用以上水分敏感指數(shù)計(jì)算得到的冬小麥產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量的對(duì)比見(jiàn)圖3-4，數(shù)據(jù)點(diǎn)均位于45°線附近，表明結(jié)果較為合理，可用于產(chǎn)量預(yù)測(cè)。在以上幾種擬合方法中，偏最小二乘回歸方法在解決自變量多重相關(guān)的問(wèn)題上具有明顯的優(yōu)勢(shì)；當(dāng)自變量不存在多重相關(guān)性或多重相關(guān)性較小時(shí)，普通最小二乘回歸、遺傳算法等非線性優(yōu)化方法較偏最小二乘方法優(yōu)越。線性方法較非線性方法更為簡(jiǎn)單、直觀，而非線性方法較線性方法更為靈活、結(jié)果更準(zhǔn)確。(a)OLSR(b)PLSR(c)NLR(d)CC圖3-4Jensen模型計(jì)算產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量比較Figure3-4Jensen,modeloutputandmeasuredoutput2)冬小麥水分生產(chǎn)函數(shù)的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）模型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Artificialneuralnetwork，以下簡(jiǎn)稱ANN）是當(dāng)前非線性科學(xué)中應(yīng)用較為廣泛的一個(gè)分支。ANN中最常用的是基于BP算法的前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)能力和處理非線性問(wèn)題能力，近年來(lái)在有關(guān)工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在本項(xiàng)研究中，利用BP網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述水分對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，取得了較好的效果。BP網(wǎng)絡(luò)是一種前饋型網(wǎng)絡(luò)，由1個(gè)輸入層、若干隱含層和1個(gè)輸出層構(gòu)成，圖3-5為常用的三層BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。如果輸入層、隱含層和輸出層的單元個(gè)數(shù)分別為n、q、m，則該三層網(wǎng)絡(luò)可表示為BP(n,q,m)，利用該網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)n維輸入向量Xn=(x1,…,xn)T到m維輸出向量Ym=(y1,…,ym)T的非線性映射。輸入層和輸出層的單元數(shù)n、m根據(jù)具體問(wèn)題確定，而隱含層單元數(shù)q的確定尚無(wú)成熟的方法，一般可設(shè)定不同的q值根據(jù)訓(xùn)練結(jié)果來(lái)進(jìn)行選擇。圖3-5三層BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Figure3-5Three-layerBPnetworkstructurediagram在BP模型用于描述作物水分生產(chǎn)函數(shù)時(shí)，以各生長(zhǎng)階段的騰發(fā)量為網(wǎng)絡(luò)的輸入，以作物產(chǎn)量作為輸出（如圖3-6所示）。圖中表示輸入層至隱含層的權(quán)值，表示隱含層至輸出層的權(quán)重，和分別是隱含層和輸出層的閾值。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)（權(quán)重和閾值）可以根據(jù)一定數(shù)量的訓(xùn)練樣本利用BP算法與遺傳算法（GA）相結(jié)合對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練得到。ijθiTliθl圖3-6作物水分生產(chǎn)函數(shù)BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Figure3-6cropwaterproductionfunctionofBPnetworkstructurediagram根據(jù)瀟河試驗(yàn)站試驗(yàn)數(shù)據(jù)，ANN設(shè)6個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)，分別代表6個(gè)階段的相對(duì)騰發(fā)量；由于樣本數(shù)量較少，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)設(shè)為2；這樣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為6-2-1。以1990、1992、1993、1995年為訓(xùn)練年，1994年為校準(zhǔn)年，1989年為校核年訓(xùn)練得到的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值見(jiàn)表3-7，計(jì)算產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量的比較見(jiàn)圖3-7?？梢钥闯?，BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)訓(xùn)練樣本、校準(zhǔn)樣本和校核樣本均具有較高的擬合精度，表明BP網(wǎng)絡(luò)用于描述作物——水分關(guān)系是可行的，為作物水分生產(chǎn)函數(shù)的研究提供了一種新的途徑。利用以上BP網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同受旱情況下的小麥產(chǎn)量進(jìn)行模擬，其結(jié)果見(jiàn)圖3-8。從圖中曲線可以看出，①播種～越冬、越冬～返青以及灌漿～收獲階段的水分敏感性很小。返青～拔節(jié)、拔節(jié)～抽穗、抽穗～灌漿階段在水分適度虧缺時(shí)對(duì)產(chǎn)量影響較??；當(dāng)水分虧缺達(dá)到一定程度（相對(duì)騰發(fā)量分別降至0.7，0.8，0.6左右）時(shí)，此3階段的受旱將對(duì)產(chǎn)量造成較大影響?？偟恼f(shuō)來(lái)，拔節(jié)～抽穗階段的水分敏感性最大，返青～拔節(jié)階段的水分敏感性次之，然后是抽穗～灌漿階段，苗期和成熟期的水分敏感性都非常小。②在適宜的水分條件下水的增產(chǎn)效果較為顯著，過(guò)度干旱或過(guò)度濕潤(rùn)的水分條件下水的增產(chǎn)效果不明顯，也即是說(shuō)，適宜水分條件下水分增產(chǎn)的邊際效益較高。③當(dāng)水分虧缺不顯著時(shí)，對(duì)產(chǎn)量的影響不大，只有當(dāng)水分虧缺達(dá)到一定程度后才有明顯的減產(chǎn)。表3-7冬小麥BP模型權(quán)值及閾值Table3-7winterwheatBPmodelweightsandthresholdωijiTlil4.128411.649027.7045-1.391316.9133-2.8428-31.48260.12540.6169-4.5771-6.1045-6.174821.75347.66121.4381-7.18950.1528圖3-7BP網(wǎng)絡(luò)計(jì)算產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量比較圖3-8階段受旱對(duì)產(chǎn)量的影響Figure3-7BPnetworkcomputingyieldFigure3-8stagesofthedrought-hityieldwiththemeasuredyieldANN模型分析得到的階段水分敏感性規(guī)律與Jensen模型分析得到的結(jié)果略有差異，主要是返青～拔節(jié)和抽穗～灌漿階段的水分敏感性大小順序發(fā)生變化，且ANN模型中灌漿～收獲階段的水分敏感性較Jensen模型同階段水分敏感性小。但二者都反映了冬小麥中間生育階段（返青～灌漿）水分敏感性大，而前期和后期水分敏感性小的共同規(guī)律。3.2.3冬小麥水肥耦合關(guān)系分析1)冬小麥水肥耦合試驗(yàn)田間試驗(yàn)采用坑測(cè)法，2002年在瀟河灌溉試驗(yàn)站建成試驗(yàn)測(cè)坑30個(gè)，測(cè)坑面積為20m2(6.67m×3m）。試驗(yàn)中灌水設(shè)計(jì)5個(gè)處理（表3-8），根據(jù)作物生育期的降水情況對(duì)灌溉定額進(jìn)行必要的調(diào)整；底肥、追肥均設(shè)高（H）、中（M）、低（L）和不施肥（Φ）四個(gè)水平，中等施肥量M根據(jù)當(dāng)年具體情況確定，高、低水平的施肥量分別為1.5M、0.5M，底肥與追肥組合設(shè)計(jì)6個(gè)施肥處理；灌水與追肥組合設(shè)計(jì)26個(gè)處理（表3表3-8冬小麥水肥生產(chǎn)函數(shù)試驗(yàn)灌水處理Table3-8winterwheatfertilizerproductionfunctiontestIrrigation（單位：m3/ha）灌水處理各階段灌水定額灌溉定額返青后灌溉定額播前越冬拔節(jié)抽穗灌漿I75075075075075037502250II75075060045025501050III6006004501650450IV450450900450V00表3-9冬小麥水肥生產(chǎn)函數(shù)試驗(yàn)組合處理及試驗(yàn)小區(qū)布置Table3-9winterwheatfertilizerproductionfunctiontestcombinationtreatmentandexperimentalplotlayout施肥水平灌水水平備注IIIIIIIVVH、M、L、Φ分別表示高、中、低及不施肥，排列順序?yàn)榈追省⒆贩?。HH1471013MH1619222528MM2581114MΦ1720232629LL1821242730ΦΦ3691215試驗(yàn)觀測(cè)項(xiàng)目主要包括：氣象、土壤水分（中子儀觀測(cè)深度0～2.0m，每20cm一層；取土烘干，0～1.0m，每20cm一層）、土壤養(yǎng)分、作物生長(zhǎng)狀況、產(chǎn)量及考種等。2)灌水與施肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響圖3-9表示冬小麥返青后灌水量對(duì)產(chǎn)量的影響。由圖中可以發(fā)現(xiàn)，在試驗(yàn)的灌水范圍內(nèi)，冬小麥產(chǎn)量隨灌水量的增加有增加的趨勢(shì)，其關(guān)系可近似用線性來(lái)描述。圖3-9返青后灌水量對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響Figure3-9revivingirrigationonwinterwheatyieldin與灌水量對(duì)產(chǎn)量的影響類似，圖3-10表明冬小麥產(chǎn)量隨底肥和追肥量的增加也都具有增加的趨勢(shì)。因此可以考慮多元回歸模型來(lái)描述灌水與施肥對(duì)產(chǎn)量的組合影響：(3-15)式中為產(chǎn)量，為返青后灌水量，、分別為底肥、追肥量，、、、為回歸系數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行最小二乘回歸，得到回歸方程為：(3-16)根據(jù)上式計(jì)算的產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量的對(duì)比見(jiàn)圖3-11?？梢钥闯?，多元線性回歸模型基本能反映出灌水、施肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響，但部分處理的計(jì)算產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量差別較大。圖3-10底肥和追肥對(duì)冬小麥產(chǎn)量的影響Figure3-10basefertilizerandtopdressingonwinterwheatyield(a)多元回歸模型(b)BP網(wǎng)絡(luò)模型圖3-11模型計(jì)算產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量的比較Figure3-11Modelcalculationofproductionandthemeasuredyield3)冬小麥產(chǎn)量－灌水量－施肥量關(guān)系的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在BP網(wǎng)絡(luò)描述冬小麥產(chǎn)量與灌水量、施肥量間的關(guān)系時(shí)，輸入層單元數(shù)為3，分別表示返青后灌水量、底肥、追肥量；輸出層只有一個(gè)單元，代表產(chǎn)量。利用30個(gè)小區(qū)試驗(yàn)結(jié)果中的25組數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，另外5組用于校核。模型計(jì)算產(chǎn)量與實(shí)測(cè)產(chǎn)量的比較如圖3-11所示。從圖中可以看出，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果要好于多元回歸模型。在以上分析中只考慮了灌水總量及底肥、追肥量對(duì)產(chǎn)量的影響。實(shí)際上，不同階段的灌水對(duì)產(chǎn)量的影響可能是不一樣的，在進(jìn)一步的研究中需要考慮階段灌水量或階段騰發(fā)量對(duì)產(chǎn)量的影響，建立分階段水肥生產(chǎn)函數(shù)模型。3.2.4灌溉水資源優(yōu)化配置中幾個(gè)基本問(wèn)題的探討隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在總用水量中生活用水、工業(yè)用水增加較快，近年來(lái)對(duì)生態(tài)環(huán)境用水也越來(lái)越重視，致使農(nóng)田灌溉可用水量逐漸減少。在有限的灌溉水資源下，農(nóng)業(yè)節(jié)水已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高產(chǎn)、高效的關(guān)鍵。農(nóng)業(yè)節(jié)水可以通過(guò)不同的措施來(lái)實(shí)現(xiàn)，如工程措施、農(nóng)藝措施、管理措施等。通過(guò)灌溉水資源在區(qū)域、時(shí)間上的優(yōu)化配置，可以將有限的灌溉水資源發(fā)揮最大的效益，是一種投資少、見(jiàn)效快的管理節(jié)水措施，在農(nóng)業(yè)節(jié)水中也日益受到重視。對(duì)于灌溉水資源優(yōu)化配置問(wèn)題，已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，取得了一系列的研究成果，但與農(nóng)業(yè)節(jié)水的實(shí)踐還有一定差距。以下簡(jiǎn)要論述了灌溉水資源優(yōu)化配置問(wèn)題的研究現(xiàn)狀與未來(lái)需要加強(qiáng)研究的方向。1)灌溉水資源優(yōu)化配置模型對(duì)于一個(gè)灌區(qū)來(lái)說(shuō)，灌溉水量的時(shí)空優(yōu)化分配是一個(gè)多層次問(wèn)題，包括灌區(qū)內(nèi)各子區(qū)的水量?jī)?yōu)化分配、子區(qū)內(nèi)作