清华尚松浩团队在水文学权威期刊Journal of Hydrology发文揭示干旱区灌区水循环过程机理及规律
2022-03-29

近期清华大学水利系农业水文水资源研究组尚松浩团队在水文学领域权威期刊Journal of Hydrology发表论文A monthly distributed agro-hydrological model for irrigation district in arid region with shallow groundwater table,文中以内蒙古河套灌区为代表,构建了干旱区灌区水文模型DAHMID,模拟揭示了河套灌区水文循环过程机理及规律。

干旱区土地资源丰富,是保障国家粮食安全的重要基地;但水资源短缺,农业生产严重依赖于灌溉,水土资源合理利用是干旱区农业发展的基础。另一方面,全球现有灌溉土地中约有一半由于灌溉排水运行管理等导致的土壤次生盐渍化,严重威胁了灌区的可持续发展。

由于干旱区降水稀少,降水产流量很小,灌区灌溉用水过程属于典型的人工—自然二元水循环过程,与以产汇流过程为基础的流域水文过程有本质的区别,传统的流域水文模型很难直接应用于干旱区灌区。

课题组以内蒙古河套灌区为代表,综合考虑灌区渠系控制单元、沟道控制单元、土地利用、灌域分布和土质分布等图层,划分灌区的基本水文模拟单元,建立了基于遥感蒸散发的月尺度灌区水文模型DAHMID。该模型基于遥感蒸散发结果,耦合了灌区排水模型、长周期地下水波动模型、冻结期地下水位变化经验模型以及地下水横向交换(内排水)模型,可以实现空间上分单元、时间上分时段、水平方向上分灌溉地和非灌溉地的多角度灌区农业水文过程模拟。该模型在河套灌区实际应用效果良好。

主要研究结论如下: 

(1)灌区沟道排水占灌溉量的10.6%,其中地表退水和地下排水分别占总排水的40.7%和59.3%。地表退水与地下排水的比率在河套灌区西部较大,在东部和北部较小,变化范围在-1.22至1.92之间。地表退水率变化范围在0.6%至22.8%之间,其中灌区中部地区退水率较低,表明其较好的灌溉水利用率;解放闸灌域南部地区退水率最高,需要提升其管理效率。灌区西部和南部的地下排水能力较差,可能是由于稀疏的沟道系统、较深的地下水位以及不良的土壤导水性等原因造成的,需要进一步完善其排水系统。

(2)全灌区的年内排水在5.59-7.13亿m³之间,比沟道排水多34.9%,占灌溉量的12.87%-14.98%。时间上,内排水变化过程与灌溉基本一致,在5月和10月等灌溉较多时期达到峰值;空间上,内排水作用在乌兰布和、义长中南部效果明显,在乌拉特灌域北部效果最差,与灌溉地和非灌溉地的面积比例有直接关系。

(3)灌溉地非冻结期的潜水蒸发显著低于非灌溉地,分别在2.5-6.1亿m³和5.9-8.2亿m³;灌溉地的潜水蒸发受灌溉抑制,与地下水位变化过程不一致;非灌溉地潜水蒸发与地下水位变化过程基本一致。


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干旱区灌区分布式农业水文模型框架


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河套灌区各沟道控制单元排水特性参数:

a)地表退水与地下排水比值RSG;(b)地表退水与灌溉量比值(RFR);(c)地下排水能力GDC


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河套灌区各渠系控制单元灌溉地的年均内排水分布


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河套灌区灌溉地和非灌溉地总潜水蒸发过程与灌溉、地下水埋深变化过程的关系



论文及链接:Wen YQ, Wan HY, Shang SH, Rahman KU. 2022. A monthly distributed agro-hydrological model for irrigation district in arid region with shallow groundwater table. Journal of Hydrology, 609, 127746.

https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2022.127746.