河南省三义寨灌区主要农作物需水量动态预报

分类：论文范文 发表时间：2021-12-18 10:19

　　摘要：根据三义寨灌区惠北水利科学试验站2000—2014年作物需水量试验资料及气象观测资料，结合灌区土壤墒情、地下水埋深、作物种植结构等资料，以灌区主要农作物小麦、棉花和玉米为主要研究对象，分析了灌区内主要农作物需水量与气象因子的相关关系，借助Origin8.1软件建立了冬小麦、夏棉花、夏玉米日尺度的灌溉需水量经验模型，分析计算了三义寨灌区的作物需水量，并实现了对主要农作物需水量趋势分析。

　　关键词：三义寨灌区；作物需水量；影响因子；经验模型

　　引言

　　河南省水资源短缺，水资源供需矛盾突出。农业是第一用水大户，同时，河南是全国产粮大省，研究灌区农作物需水量，节约灌溉用水是粮食核心区建设的必然要求。三义寨引黄灌区是河南省内的38个大型灌区之一，新三义寨工程总干渠设计引水能力107m3/s，设计灌溉面积21.73万hm2，涉及开封、商丘2市的9个县（区）。该区域是河南粮食生产核心区，主要农作物为小麦、玉米和棉花。灌区范围内的惠北水利科学试验站拥有从1982年以来的气象观测资料、试验测坑测量资料和农作物需水量观测资料。作物需水量相关的研究，一直受到国内外学者的重视和关注，从作物需水量计算的理论方法到需水规律的研究，从宏观的水量平衡到植株生理生态需水研究，从单纯的水分运动到水盐运移规律的研究[1]，从单一作物需水规律到区域尺度的多种作物组合对水分需求的耦合机制研究，都进行了大量的工作，取得了丰硕的成果。但对灌区需水过程的研究大都集中在作物生育期内，且以灌溉制度以及作物需水量与变化研究为主，从时间尺度上整体研究灌区需水过程的还相对较少[2-3]。因此，将从时间尺度上针对三义寨灌区农作物需水量进行分析，构建了受天气气候变化的灌区需水量经验模型，实现了对灌区内农作物需水量的预测。

　　1灌区气象因子与主要作物灌溉需水量的相关性分析

　　1.1相关分析考虑的主要气象因子

　　灌区作物灌溉需水量对气象因子的响应性较强，气象因子的变化会引起需水量变化。而分析气象因子与作物需水量的关系，对灌区作物灌溉水规划和管理至关重要[4-5]。在此相关性分析中，考虑的主要气象因子是有效降雨量（Pe）、蒸发量(E)、日照时间(SD)、最大温度(Tmax)、最小温度(Tmin)、平均温度(Tmean)、相对湿度(RH)、2m高处风速(u2)、饱和水汽压差(VPD)和净辐射(Rn)。

　　2灌区主要农作物灌溉需水量模型建立

　　根据气象因子的相关性，利用部分实测数据，借助Orgin8.1软件建立灌区主要作物灌溉需水量的经验模型，并采用剩余数据对经验模型进行检验，以期为三义寨灌区主要作物灌溉需水量的模拟提供参考。

　　2.1日尺度条件下小麦净灌溉需水量经验模型的建立

　　根据表1，利用2000年10月—2001年5月、2002年10月—2003年5月、2004年10月—2005年5月、2006年10月—2007年5月、2008年10月—2009年5月、2010年10月—2011年5月和2012年10月—2013年5月惠北水利科学试验站观测的气象因子建立经验模型，其经验模型为：

　　IR=ìí???ET0+ET0?e?è???-0.5((Tα-RH)Tm)÷in2ET0>PeET0-PeET0<Pe,（1）式中：IR为小麦生育期内灌区内净灌溉需水量；Pe为小麦生育期内有效降雨量；RH为小麦生育期内相对湿度，不以百分数表示；Tα为小麦生育期内的积温，以日平均温度计；Tmin为小麦生育期内日最小温度；ET0为参考作物需水量。

　　2.2日尺度条件下夏棉花净灌溉需水量经验模型的建立

　　根据日尺度气象因子与棉花灌溉需水量的相关性分析，利用2001、2003、2005、2007、2009、2011年和2013年4—10月的气象观测因子建立经验模型，其经验模型为：IR=-1.0142Pe+1.3889。

　　3灌区主要农作物灌溉需水量模型检验

　　以决定系数（R2）、拟合指数（W）、置性指数（C）、平均偏离差（MBE）、平均离差（MAE）为评价指标，其计算式为：R2=∑i=1n(Ei-A)2∑i=1n(Oi-A)2，

　　3.1日尺度冬小麦灌溉需水量模型检验

　　为检验日尺度下冬小麦灌溉需水量模型的准确性，采用2001年10月—2002年5月、2003年10月—2004年5月、2005年10月—2006年5月、2007年10月—2008年5月、2009年10月—2010年5月、2011年10月—2012年5月和2013年10月—2014年5月的气象因子和小麦灌溉需水量，并以R2、W、C、MBE、MAE为评价指标。

　　根据式（4）—式（8）计算评价指标值，结果见表2。从表2可以看出，估计值与实测值的回归线均在1∶1线上，建立的经验模型估计的净灌溉需水量高于实际净灌溉需水量。MBE均为正值，也表现出了同样结果。此外，所建立的模型均能准确地估测净灌溉需水量（W变化范围0.94～0.99，R2变化范围0.87～0.98，C变化范围0.88～0.98）。

　　3.2日尺度夏棉花灌溉需水量模型检验

　　为检验模型的准确性，采用2002、2004、2006、2008、2010、2012年和2014年4—10月的气象因子和小麦灌溉需水量，并以R2、W、C、MBE、MAE为评价指标，见表2。从表2可以看出，估计值与实测值的回归线均在1∶1线附近，建立的经验模型估计的净灌溉需水量接近实际净灌溉需水量。MBE为负值，表明模型预测结果低于实际的棉花净灌溉需水量。此外，所建立的模型均能准确地估测净灌溉需水量（W为0.94，R2为0.78，C为0.83）。

　　3.3日尺度夏玉米灌溉需水量模型检验为检验模型的准确性，采用2001、2003、2005、2007、2010、2012年和2014年6—9月的气象因子和玉米的灌溉需水量，并以R2、W、C、MBE、MAE为评价指标，见表2。从表2可以看出，估计值与实测值的回归线均在1∶1线附近，这说明建立的经验模型估计的净灌溉需水量接近实际净灌溉需水量。MBE为负值，表明模型预测结果低于实际的棉花净灌溉需水量。此外，所建立的模型均能准确地估测净灌溉需水量（W为0.96，R2为0.86，C为0.89）。

　　4结论

　　1）小麦、棉花、玉米不同时间尺度灌溉需水量与降雨量、蒸发量、平均温度、最大温度、最小温度、相对湿度、日照时间、2m高处风速、饱和水汽压差和净辐射相关分析表明，气象因子随尺度的增加而减少。日尺度上，小麦灌溉需水量与有效降雨量Pe和相对湿度RH显著性负相关（P<0.01），与其他气象因子均正相关。棉花和玉米灌溉需水量玉米灌溉需水量与有效降雨量Pe、相对湿度RH显著性负相关（P<0.01），与其他气象因子均正相关。

　　2）利用日尺度上的部分气象因子建立小麦、玉米、棉花在日尺度上的灌溉需水量经验模型，采用剩余数据并借助R2、W、C、MBE、MAE判断模型的准确性，结果表明，所建立的经验模型均能准确地预测作物的灌溉需水量。

　　参考文献：

　　[1]任洪艺.灌区信息监测与优化调度系统研究[D].杨凌：西北农林科技大学,2010.

　　[2]王军涛，景明，程献国，等.基于GIS的引黄灌区用水需求预报系统研究[J].节水灌溉，2015（3）：66-68，75.

　　[3]胡玮，严昌荣，李迎春，等.气候变化对华北冬小麦生育期和灌溉需水量的影响[J].生态学报，2014，34(9)：2367-2377

　　[4]TSANISIK,NAOUMS.Theeffectofspatiallydistributedmeteorologicalparametersonirrigationwaterdemandassessmen[J].AdvancesinWaterResources,2003,26(3):311–324.

　　[5]马林，杨艳敏，杨永辉，等.华北平原灌溉需水量时空分布及驱动因素[J].遥感学报，2011，15(2)：324-339.

　　[6]MINACAPILLIM,IOVINOM,D’URSOG.Adistributedagro-hydrologicalmodelforirrigationwaterdemandassessment[J].AgriculturalWaterManagement,2008,95(2):123-132.

　　宋德海1，冯跃华2，高志永3

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