气候变化条件下黄河流域的作物灌溉需水量

发布时间：2020-11-14 03:20

　　 受全球气候变化的影响,极端天气事件频发,水资源安全遭遇巨大挑战,尤其是农业灌溉方面,因此有必要研究气候变化条件下的作物灌溉需水量,这对于保障粮食安全、制定区域农业水资源规划具有重要意义。本文以黄河流域的主要粮食作物为研究对象,构建基于双作物系数法的水量平衡灌溉模型,计算黄河流域历史时期的作物灌溉需水量,并分析作物灌溉需水量的敏感性。基于Delta降尺度方法,对未来气候情景下黄河流域的气象因子进行预估,研究气候变化条件下的黄河流域作物灌溉需水量。论文的主要研究内容和成果如下:(1)构建基于双作物系数法的水量平衡灌溉模型,对黄河流域不同作物种植区域内主要站点的作物灌溉需水量进行模拟,并采用相对误差法验证模型的模拟结果。黄河流域不同作物灌溉需水量的模拟值与研究值有所差异。利用试错法将站点的|Re|控制在10%以内,使该模型在黄河流域具有一定的适用性。(2)基于率定的灌溉模型,计算黄河流域历史时期不同作物的灌溉需水量。结果表明,冬小麦的灌溉需水量为显著下降趋势,空间上从北部向南部减小;春小麦的灌溉需水量呈下降趋势,空间上从东北向西南方向减少;春玉米的灌溉需水量则为不明显的下降趋势,空间上从东南向西北方向减少;夏玉米的灌溉需水量为不明显的减少趋势,其年均需水量值较小,空间上从西部向东部减少。(3)采用敏感性系数法以及构建多种气象因子组合方案,探究作物灌溉需水量对气象因子的敏感性程度。不同灌溉典型年的作物灌溉需水量与降水量成反比、与潜在蒸发量成正比,且作物灌溉需水量对潜在蒸发量的敏感性更高。当降水量和潜在蒸发量单一变化或共同变化时,不同灌溉典型年下不同作物灌溉需水量的敏感性有所差异,且夏玉米的灌溉需水量对降水量和潜在蒸发量的变化更为敏感。就太阳辐射、平均风速和实际水汽压来说,灌溉需水量对其的敏感性大小为,实际水汽压平均风速太阳辐射,夏玉米的灌溉需水量对实际水气压和平均风速更敏感,春玉米的灌溉需水量则对太阳辐射更敏感。(4)基于Delta降尺度方法并结合未来气候条件下的全球气候模式情景,对黄河流域未来时期的降水量、最高气温和最低气温进行预估。结果表明:黄河流域未来时期的降水量呈现缓慢减小趋势,突变时间为2018年和2030年,最低气温为不显著增加趋势,突变时间为2046年,最高气温为减小趋势,突变时间为2053年,且降水量和气温存在20～30a的周期性变化规律。在空间范围内,降水量和气温均具有较强的空间自相关性。与基准期(1966-2010)相比,未来时期的降水量和气温有所增加。(5)以未来气候情景的预估因子作为灌溉模型的输入数据,计算黄河流域未来时期的作物灌溉需水量,探究气候变化条件下作物灌溉需水量的变化情况。相较于历史时期来说,冬小麦、春小麦、夏玉米和春玉米种植区域内各站点的灌溉需水量的变化幅度分别介于-25%～27%、-27%～30%、-30%～25%和-51%～34%之间。
【学位单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：S274
【部分图文】：

青海省的有效灌溉面积为 13.8 万 hm2、甘肃为 43.8 万 hm2、宁夏为 412、内蒙古为 91.4 万 hm2、陕西为 89.9 万 hm2、山西为 67.5 万 hm2、河南为 612、山东为 28.2 万 hm2，其中灌溉面积较大的是内蒙古、陕西、山西、河南等省（区数据资料收集 气象资料本文选取黄河流域 82 个气象站点 1966-2010 年的逐日降水量、日最高气温、日最、日平均风速、日照时数、日相对湿度为计算资料，其中部分气象站点的日值数缺测现象，采用趋势预测法对其进行插补。数据主要来源于中国气象数据共享网象站点分布状况如图 2-1 所示。采用算术平均值法和加权平均值（泰森多边形）同作物种植区域的气象资料。本文选择全球气候模式提供的第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)中北京气候候系统模式数据(BCC-CSM1.1)，通过降尺度处理，预估 RCP8.5 情景下黄河流~2055 年的降水和气温数据。

图 3-2 土壤根系活动层水分迁移示意图igure 3-2 Schematic diagram of water migration in the active layer of soil ro水量计算获得根系层日水量平衡方程，计算公式如下所示： r , i 1 r , i i i c ,i iiD D P RO I CR ET DP 第i天末土壤根系活动层的耗水量(mm)；Dr，i-1为前一天末土壤；Pi为第i天的降水量(mm)；ROi为第i天的地表径流量(mm)；IiCRi为第i天地下水毛管上升水量(mm)；ETc，i为第i天的作物需水系深层渗漏损失水量(mm)，假设初始灌溉水量为0。水量平衡方程之前，应估算出初始消耗水量Dr，i-1。确定初始消下所示：, 1 11000( ) r i FC i rD Z有效根系活动层的平均含水率。当遇到强降雨或灌溉事件时，率已接近田间持水率，即Dr，i-1≈0。流采用美国土壤保持局的径流曲线法（USDA-SCS），计算公式

渗漏损失量DPi可由以下公式计算： , , 1max{ ,0}i i c i r iiDP P RO I ET D (3若根系活动层的消耗水量大于 RAW，则对作物进行灌水，且灌水量为根系活动水量，否则灌水量为零。2 主要作物的空间分布格局黄河流域幅员辽阔，地形差异显著，作物种类不尽相同。搜集相关书籍、文献资料，绘制流域内主要作物的空间分布格局图，如图 3-3 所示。小麦是黄河流域的粮食作物，分布范围最为广泛。依据播种季节，小麦可分为冬小麦和春小麦。游源区、宁蒙河套平原主要种植春小麦，播种面积占总面积的 50%~70%[88]，具在流域西北部的内蒙古、宁夏、甘肃和青海等内陆地区。中游汾渭盆地、关中平下游的沿黄平原、伊洛沁河、大汶河等地主要种植冬小麦，播种面积占总面积%~70%[86]，具体分布在山东、河南、山西和陕西四个省份。玉米是黄河流域仅次的粮食作物，生育期较短，且较为高产，在流域内广泛种植，玉米一般也分为春。夏玉米的分布区域和冬小麦略相似，面积稍小于冬小麦范围。春玉米主要集中的中游丘陵区，包括内蒙古、宁夏、陕西、甘肃和山西等省区。
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本文编号：2883010