一种考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价方法与流程

1.本发明属于水资源利用效率评价领域，具体涉及一种考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价方法。


背景技术：

2.干旱灌区引水灌溉农田作物，大部分会被其直接吸收利用，小部分入渗成为地下水；来自于灌溉入渗补给的地下水可再次被农田作物吸收利用，同时也被非农田植被吸收利用和补给河湖湿地，灌溉除了支撑农作物生产之外，还担负着极其重要的支撑绿洲生态的功能，具有灌溉农田效益和生态效益。然而，目前尚未有考虑灌溉水生态效益的干旱区灌溉用水效率评价指标，现有的灌溉水有效利用系数等评价指标低估了灌溉用水效率，如根据现有的评价指标和方法，西北干旱区的诸多灌溉绿洲还未达到国家灌溉用水效率的要求，需继续提高，但可能会导致绿洲植被死亡、河湖湿地消亡等，威胁绿洲的生态安全。亟需提出兼顾灌溉农田效益和生态效益的灌溉用水效率评价指标，以全面反映干旱区绿洲灌溉用水效率。因此，本发明提出考虑生态耗水的灌溉用水效率指标，将其定义为绿洲灌溉水的高效利用量与灌溉取水量的比值，其中灌溉水的高效利用量用灌溉农田和生态系统消耗的灌溉水量表示，灌溉农田和生态系统消耗的灌溉水量由水循环模型计算获得，并在宁夏引黄灌溉绿洲应用，以期为干旱区水资源开发与生态保护提供理论支撑。


技术实现要素：

3.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价方法解决了现有干旱区绿洲灌溉用水效率计算时忽略灌溉水产生的生态效益的问题。
4.为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价方法，包括以下步骤：
5.s1、获取被测干旱灌区的灌区基础数据，计算灌区的灌溉水量；
6.s2、根据灌区基础数据构建灌区分布式水循环模型，获得农田和生态系统消耗水量；
7.s3、根据农田和生态系统消耗水量，结合各水源水量，获得农田和生态系统消耗的灌溉水量；
8.s4、基于农田和生态系统消耗的灌溉水量，得到考虑生态耗水的灌溉用水效率指标，完成干旱区灌溉用水效率评价。
9.进一步地：所述步骤s1中，灌区基础数据包括旱灌区的空间数据、水文地质数据、气象观测数据、水文观测数据、灌区引排水数据和社会耗水数据。
10.进一步地：所述步骤s1中，计算灌区的灌溉水量w
绿洲
的表达式具体为：
11.w
绿洲
＝et
农田
+wg
农田
+w
排水-w
地下水
+e
渠沟
+wg
渠沟
+t
林草
+e
土壤
+et
河湖湿地
12.式中，et
农田
为田间蒸散发量，wg
农田
为田间渗漏水量，w
排水
为田间排水量，w
地下水
为地下
水流入水量，e
渠沟
为渠沟水面蒸发量，wg
渠沟
为渠沟渗漏水量，t
林草
为植被蒸腾量，e
土壤
为土壤蒸发量，et
河湖湿地
为河湖湿地蒸散发量。
13.进一步地：所述步骤s2具体为：
14.将灌区基础数据输入wacm模型构建灌区分布式水循环模型，获得灌溉农田和生态系统消耗的灌溉水量；其中，得到田间蒸散发量et
农田
和生态系统消耗的灌溉水量et
生态
的表达式具体为：
15.m_et
农田
＝t
作物
+e
农田
16.m_et
生态
＝t
林草
+et
河湖湿地
17.式中，t
作物
为农田作物蒸腾量，e
农田
为农田土壤蒸发量，t
林草
为植被蒸腾量，et
河湖湿地
为河湖湿地蒸散发量。
18.进一步地：所述步骤s3具体为：
19.根据获得的农田和生态系统消耗水量以及各水源水量，获得农田和生态系统消耗的灌溉水量，其中，所述生态系统消耗水量包括河湖湿地蒸散发量、林地蒸散发量和草地蒸散发量；
[0020][0021][0022][0023][0024][0025]
et
生态
＝et
河湖湿地
+et
林地
+et
草地
[0026]
式中，et
生态
为生态系统消耗的灌溉水量，et
农田
为农田消耗的灌溉水量，α为灌区灌溉水量占总水源量的比例，p
绿洲
为绿洲区降水量，w
山前侧渗
为山前侧渗补给灌区水量，w
河流侧渗
为灌区外河流侧渗补给灌区水量，e
农田潜水蒸发
为农田潜水蒸发量，w
当地地表灌溉
为用当地地表水灌溉农田水量，w
当地地下灌溉
为使用当地地下水灌溉农田水量，p
农田
为农田区降水量，w
农田渠系渗漏
为渠系渗漏补给农田水量，m_et
农田
为田间蒸散发量，p
河湖湿地
为河湖湿地区降水量，w
地下水补给
为地下水补给河湖湿地水量，w
人工生态补给
为人工生态补给河湖湿地水量，m_et
河湖湿地
为模型输出的河湖湿地蒸散发量，e
林地潜水蒸发
为林地潜水蒸发量，w
林地渠系渗漏
为渠系渗漏补给林地水量，m_et
林地
为林地蒸散发量，p
林地
为河湖湿地区降水量，e
草地潜水蒸发
为草地潜水蒸发量，w
草地渠系渗漏
为渠系渗漏补给草地水量，p
草地
为河湖湿地区降水量，m_et
草地
为草地蒸散发量。
[0027]
进一步地：所述步骤s3中，计算考虑生态耗水的灌溉用水效率指标η
绿洲
表达式具体为：
[0028][0029]
式中，et
生态
为生态系统消耗的灌溉水量，et
农田
为农田消耗的灌溉水量。
[0030]
本发明的有益效果为：
[0031]
(1)本发明的一种考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价指标及计算方法从水循环过程入手，认识灌溉除了支撑农作物生产之外，还担负着极其重要的支撑绿洲生态的功能，具有灌溉农田效益和生态效益，在灌溉用水效率评价时同时考虑两种效益。
[0032]
(2)本发明的考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价指标兼顾灌溉农田效益和生态效益，可以全面评价干旱区灌溉用水综合效益，解决了现有干旱区绿洲灌溉用水效率计算时忽略灌溉水产生的生态效益的问题。
[0033]
(3)本发明的考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价计算方法根据绿洲分布式水循环模型模拟输出结果，结合绿洲灌溉用水情况，可快速计算出灌溉用水效率，且具有通用性且操作简单易行，可广泛应用于干旱区绿洲灌溉用水效率评价。
附图说明
[0034]
图1为本发明方法的流程图。
[0035]
图2为本发明的水面蒸发模拟效果及统计指标计算结果图。
[0036]
图3为本发明的灌区排水模拟效果及统计指标计算结果图。
[0037]
图4为本发明的绿洲降水量、引水量及其对应的农田耗水量、生态耗水量2008～2017年际变化图。
[0038]
图5为本发明的灌溉用水效率年际变化情况图。
具体实施方式
[0039]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0040]
实施例1：
[0041]
如图1所示，在本发明的一个实施例中，一种考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价方法，包括以下步骤：
[0042]
s1、获取被测干旱灌区的灌区基础数据，计算灌区的灌溉水量；
[0043]
s2、根据灌区基础数据构建灌区分布式水循环模型，获得农田和生态系统消耗水量；
[0044]
s3、根据农田和生态系统消耗水量，结合各水源水量，获得农田和生态系统消耗的灌溉水量；
[0045]
s4、基于农田和生态系统消耗的灌溉水量，得到考虑生态耗水的灌溉用水效率指标，完成干旱区灌溉用水效率评价。
[0046]
所述步骤s1中，灌区基础数据包括旱灌区的空间数据、水文地质数据、气象观测数据、水文观测数据、灌区引排水数据和社会耗水数据。
[0047]
所述步骤s1中，灌区基础数据包括旱灌区的空间数据、水文地质数据、气象观测数据、水文观测数据、灌区引排水数据和社会耗水数据。
[0048]
在本实施例中，收集宁夏引黄灌溉绿洲的空间数据、水文地质数据、气象观测数据、水文观测数据、灌区引排水数据和社会耗水数据的数据内容如表1所示。
[0049][0050]
所述步骤s1中，计算灌区的灌溉水量w
绿洲
的表达式具体为：
[0051]w绿洲
＝et
农田
+wg
农田
+w
排水-w
地下水
+e
渠沟
+wg
渠沟
+t
林草
+e
土壤
+et
河湖湿地
[0052]
式中，et
农田
为田间蒸散发量，wg
农田
为田间渗漏水量，w
排水
为田间排水量，w
地下水
为地下水流入水量，e
渠沟
为渠沟水面蒸发量，wg
渠沟
为渠沟渗漏水量，t
林草
为植被蒸腾量，e
土壤
为土壤蒸发量，et
河湖湿地
为河湖湿地蒸散发量。
[0053]
所述步骤s2具体为：
[0054]
将灌区基础数据输入wacm模型构建灌区分布式水循环模型，获得农田和生态系统消耗水量；其中，得到农田消耗水量m_et
农田
和生态系统消耗水量m_et
生态
的表达式具体为：
[0055]
m_et
农田
＝t
作物
+e
农田
[0056]
m_et
生态
＝t
林草
+et
河湖湿地
[0057]
式中，t
作物
为农田作物蒸腾量，e
农田
为农田土壤蒸发量，t
林草
为植被蒸腾量，et
河湖湿地
为河湖湿地蒸散发量。
[0058]
在本实施例中，采用wacm(water allocation and cycle model)模拟宁夏引黄灌溉绿洲水循环过程，经验证后，将蒸散发量逐月序列按不同土地利用的10712个1km
×
1km的规则网格单元进行统计输出，从而为灌溉用水效率评价提供基础数据序列。为定量验证模型模拟精度，采用相对误差re、相关系数r2和确定性效率系数nse进行定量评价。
[0059]
(1)水面蒸发验证：
[0060]
如图2所示，水面蒸发实测值和模拟值的r2均高于0.9，nse均高于0.8以上，re小于13％，则水面蒸发模拟精度较高。
[0061]
(2)灌区排水验证：
[0062]
如图3所示，三个灌区排水实测值和模拟值的r2达到0.63以上，但nse均较小，re均小于12％，灌区排水模拟能达到精度要求。
[0063]
(3)地下水位验证：
[0064]
模拟的地下水位空间分布基本能反映实际监测的水位空间分布情况，地下水位模拟效果较好。
[0065]
综上所述，wacm模型构建灌区分布式水循环模型模拟宁夏引黄灌溉绿洲水循环过程整体较好，可用于考虑生态耗水的灌溉用水效率指标的计算。
[0066]
宁夏引黄灌溉绿洲的绿洲降水量、引水量及其对应的农田耗水量、生态耗水量2008～2017年际变化如图4所示，根据图4中左图可知，2008～2017年引水量呈现减少的趋势，主要原因是研究区近年来持续节水使引水量持续减小。根据图4中右图可知，2008～2017年总耗水量(农田耗水量+生态耗水量)年际变化较小，略有增加，均值为28.43亿m3，变化范围为27.01～31.47亿m3，农田耗水量与总耗水量年际变化一致，均值为22.53亿m3，变化范围为21.55～25.14亿m3。生态耗水量呈现先减小后增加的趋势，2008～2011年减小趋势主要与林草地生态耗水量减少趋势一致，2012～2017年增加趋势主要与河湖湿地生态耗水量增加趋势一致，但总体维持在一个较稳定的水平，均值为3.30亿m3，变化范围为2.85亿m3～3.62亿m3；生态耗水量占总耗水量的比例在12.2％～13.8％，其中林草地耗水量为1.32～1.69亿m3，河湖湿地耗水量为1.53～2.12亿m3。
[0067]
所述步骤s3具体为：
[0068]
根据获得的农田和生态系统消耗水量以及各水源水量，获得农田和生态系统消耗的灌溉水量，其中，所述生态系统消耗水量包括河湖湿地蒸散发量、林地蒸散发量和草地蒸散发量；
[0069][0070][0071][0072][0073][0074]
et
生态
＝et
河湖湿地
+et
林地
+et
草地
[0075]
式中，et
生态
为生态系统消耗的灌溉水量，et
农田
为农田消耗的灌溉水量，α为灌区灌溉水量占总水源量的比例，p
绿洲
为绿洲区降水量，w
山前侧渗
为山前侧渗补给灌区水量，w
河流侧渗
为灌区外河流侧渗补给灌区水量，e
农田潜水蒸发
为农田潜水蒸发量，w
当地地表灌溉
为用当地地表水灌溉农田水量，w
当地地下灌溉
为使用当地地下水灌溉农田水量，p
农田
为农田区降水量，w
农田渠系渗漏
为渠系渗漏补给农田水量，m_et
农田
为田间蒸散发量，p
河湖湿地
为河湖湿地区降水量，w
地下水补给
为地下水补给河湖湿地水量，w
人工生态补给
为人工生态补给河湖湿地水量，m_et
河湖湿地
为模型输出的河湖湿地蒸散发量，e
林地潜水蒸发
为林地潜水蒸发量，w
林地渠系渗漏
为渠系渗漏补给林地水量，m_et
林地
为林地
蒸散发量，p
林地
为河湖湿地区降水量，e
草地潜水蒸发
为草地潜水蒸发量，w
草地渠系渗漏
为渠系渗漏补给草地水量，p
草地
为河湖湿地区降水量，m_et
草地
为草地蒸散发量。
[0076]
所述步骤s4中，计算考虑生态耗水的灌溉用水效率指标η
绿洲
表达式具体为：
[0077][0078]
式中，et
生态
为生态系统消耗的灌溉水量，et
农田
为农田消耗的灌溉水量。
[0079]
在本实施例中，灌溉用水效率年际变化指标年际变化如图5所示，未考虑生态耗水的灌溉用水效率与灌溉水有效利用系数总体上较为接近但前者略小后者，其原因是传统的首尾测算分析法获得灌溉水利用系数时假设贮存在作物根系层的灌溉水量会全部被作物吸收利用，然而由于存在回归水的重复利用，贮存在作物根系层的灌溉水量不一定能全部被作物吸收利用，会高估灌溉水有效利用系数。由以上结果可知通过模型模拟计算绿洲灌溉水有效利用系数是合理性的，也说明水循环过程模拟结果可靠。2008～2012年未考虑生态耗水的灌溉用水效率变化较小，保持在0.36～0.38范围内，其后呈现显著地上升趋势，在2016年后达到0.47以上，其中在2016年最大为0.49，反映了自1998年以来灌区节水改造工程实施的效果。考虑生态耗水的与未考虑生态耗水的灌溉用水效率的变化规律一致，但是整体偏大0.052～0.074，这一部分偏大值是灌溉水所产生的生态效益，也证实了灌溉水有效利用系数低估了实际的灌溉用水效率。单独观察生态耗水效率发现，2008～2012年基本保持在0.052～0.055，之后呈现上升趋势，从2013年的0.065上升到2017年的0.074，这反映了2012以后自治区政府大力加强生态环境治理产生的积极效果。
[0080]
本发明的有益效果为：本发明的一种考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价指标及计算方法从水循环过程入手，认识灌溉除了支撑农作物生产之外，还担负着极其重要的支撑绿洲生态的功能，具有灌溉农田效益和生态效益，在灌溉用水效率评价时同时考虑两种效益。
[0081]
本发明的考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价指标兼顾灌溉农田效益和生态效益，可以全面评价干旱区灌溉用水综合效益，解决了现有干旱区绿洲灌溉用水效率计算时忽略灌溉水产生的生态效益的问题。
[0082]
本发明的考虑生态耗水的干旱区灌溉用水效率评价计算方法根据绿洲分布式水循环模型模拟输出结果，结合绿洲灌溉用水情况，可快速计算出灌溉用水效率，且具有通用性且操作简单易行，可广泛应用于干旱区绿洲灌溉用水效率评价。
[0083]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。