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雨水就地利用及蓄水农用保障性机制

作　者: 张卫华
导　师: 魏朝富；谢德体
学　校: 西南大学
专　业: 土壤学
关键词: 雨水就地利用 干旱 农业 土壤水分 蓄水工程
分类号: S273.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要


随着世界人口的日益增长,雨养农业在为人类提供粮食和生计方面起着不可替代的作用,并且这个作用将持续下去,因此,如何提高雨水的就地利用以降低农业风险是当前的急迫任务之一。很久以前,雨水的收集利用就在世界上许多国家得到了应用实践,尤其是在干旱半干旱地区,如中国的黄土高原地区,北美的西部地区,中东,撒哈拉大沙漠的干旱地区。但是,在湿润地区这方面的研究甚少,尤其是西南丘陵山地,几乎没有系统的雨水收集利用体系。另外,目前仅有的一些研究雨水收集利用体系,主要集中在农村生活和家庭用水方面,少有农业方面的应用,比如传统的格田,非洲的利用小型坑洼的耕作方式等；几乎很少研究是利用土壤的蓄水能力,并结合当地的地形特点及特殊的水文过程来对雨水资源进行利用从而减缓季节性干旱的。在西南丘陵山地的重庆地区,尽管年降雨量较丰富,但是由于其时空分布极不均匀,季节性和区域性干旱时有发生,给当地农业带来了巨大损失。因此,分析土壤水分的特性并重点利用土壤蓄水能力对雨水进行就地利用,在土壤水分无法满足作物需求情况下利用蓄水设施蓄积多余径流进行补充灌溉,对保障农业用水以及减低季节性干旱带来的损失具有重要的科学和现实意义。通过利用实地监测的土壤数据及采集的土壤样品,分析了土壤的物理特性,尤其是那些影响雨水就地利用如下渗和蒸发特性及其影响因素、土壤水分随时间的变化特性等。然后结合GIS,基于SCS-CN的水文模型,对研究区的降雨径流过程进行了模拟,以此来获取径流收集潜力的相关信息。最后,根据不同的土地利用情况,计算作物需水,并与来水进行平衡计算,从而计算出收集径流的蓄水池尺寸来应对季节性干旱时进行补充灌溉。主要研究结果如下：(1)根据重庆近100年来的年降水量分析,以降水的距平百分比判断,2006年是干旱少雨年份,而2007年被认为是正常年份。对土壤水分的年际变异,如果按照变异系数CV<10%为弱变异,10%<CV<30%为中等变异,以及CV>30%为强变异来划分,2006年的0-10cm,10-20cm,20-40cm三个土层的土壤水分变异均为中等程度变异。而对于正常年的2007年,0-10cm土层为中等程度变异,另外两个土层为弱变异。因此,对于湿润地区,干旱年份土壤水分的年际变异较大,而湿润年份相对较小。对月际变化,土壤水分在2006年的总体趋势处于下降趋势,尽管在5月至6月份之间有稍微的恢复。这主要是因为高温、蒸发以及作物生长旺盛,降雨稀少不能有效补充土壤水分导致的。而在2007年,土壤水分变化像“W”型波动,从3月到5月,由于作物生长旺盛,土壤水分快速递减,从5月份到7月份,尽管作物生长依旧旺盛,但是随着降雨增多,土壤水分含量升高。从7月份起,水分又开始降低。总之,土壤水分的月际变化可以分为两个阶段：3月-5月作物耗水少雨阶段,以及6月到9月的波动阶段。对于旬际变化,无论是干旱年份还是正常年份,土壤水分变化都比较剧烈,但是由于2006年干旱的影响,该年的变化要远远比2007年大。对于土壤水分的概率分布,无论是干旱年份还是正常年份,都出现单峰形状,只是峰值出现的位置及峰的阔度不同年份、不同土层有所不同。(2)在土壤水分收支平衡的诸多影响因素中,砾石的出现改变了土壤物理性质如可利用土壤水分、土壤下渗、蒸发过程,而这些又是控制利用土壤水分的重要因素。本研究在实验室测定了研究区土壤的这些水力性质,不同砾石含量对三种不同紫色土的影响,尤其是砾石含量对土壤水分的补充和耗散参数,即下渗和蒸发的影响。结果表明：对于下渗率,无论是垂直下渗还是水平扩散,均是灰棕紫泥>红棕紫泥>棕紫泥；另外,随着砾石含量的增加,累计下渗量递减,而下渗时间先减后增。下渗率也随着距离变化,在0-5cm范围内,初始下渗率随着砾石含量的增加而升高,在5-10cm范围,下渗曲线的斜率随着砾石含量的增加而增大。然而,随着距离的增加,斜率逐渐递减直到最后达到稳定值。砾石的出现也降低了土壤水分含量,最小值出现在当砾石在土柱的表层时；当砾石和土壤混合时,土壤水分含量随着砾石的增加而减少。在保持恒定温度情况下,当砾石覆盖在土壤表层时,累积蒸发量和蒸发率在最小；对其他样品,累积蒸发量随着砾石含量的增加而减少,而蒸发率在前四天随着砾石含量的增加而增加。(3)本研究中利用GIS和SCS-CN耦合的水文模型来计算研究区子流域中的径流量。CN值是通过土壤类型,土地利用等信息用权重平均方法计算出来的,降雨是利用的2000-2005年的月平均降雨数据。计算结果表明：研究区径流集中在4月至10月份,这7个月的径流量占了全年径流量的90%以上,然而7月和8月的径流量只占了全年径流量的很小一部分,可能是和此间的蒸发、下渗和蒸腾有关。径流年内分配不均匀系数分别是0.97,1.25,1.15,1.10,1.24和0.97。而由六年平均月降雨计算出来的年内分配不均匀系数为0.9.明显低于任一年的值,这表明了每年的径流年内变化是不同的,2000年和2005年相对较小,而2001年和2004年相对较大。六年的平均径流系数是0.49,变差系数是0.27.较大的径流系数和南方湿润地区的产流规律吻合,然而,和重庆地区经常引用的0.51的径流系数相比,实际情况还是有所差异的,比如这六年中,最小的2001年的径流系数只有0.4,最大的2004年为0.54。因此对于要求较高的径流计算,需要比较详细的模拟降雨径流过程。对丘陵区农业而言,局地径流调控和收集是一个关键问题。坡改梯工程可以提高雨水在土壤表面的停留时间从而增加下渗量。本研究中,通过降低三个不同范围的坡度,土层厚度增加了20cm至30cm。雨水停留时间也分别增加了2秒到60秒不等。土壤蓄水量也增加了168m3/hm2至245m3/hm2,这极大程度的帮助了降雨的就地利用程度。此外,根据现有的水库和蓄水设施,结合坡改梯工程,径流收集潜力分析和作物需水量,利用水量平衡法需要增加的蓄水设施来进行补充灌溉。(4)为减轻干旱带来的影响,本研究从气象干旱和土壤干旱两个方面进行了分析,对不同程度的干旱概率进行了计算,结果表明春旱和伏旱的概率都超过了60%。对于不同土地利用方式和坡度来说,作物需水量和土地利用方式和坡度密切相关。由于土壤是作物需水的天然水库,因此对不同坡度、坡位的土壤水分特性和土壤水库容量进行了分析。通过对供水(如降雨、干旱特性、土壤水库)、需水(作物蒸散发)的分析,进行了水量平衡的研究。研究结果表明,对于荣昌县大坝村的旱地农业来讲,需要27个蓄水池来规避季节性干旱,其中8个容积为100立方米,19个为50立方米。对于稻田,需要修建5.05hm2的囤水田来蓄积1.57*104m3水量来进行补充灌溉。这些囤水田的布局应根据稻田分布情况及地形情况分散布局,以方便灌溉。总之,雨水的就地利用是减轻季节性干旱的有效途径,可以提高农业用水的可靠性。降雨和径流的收集利用在干旱半干旱地区应用甚广,然而,近年来,在湿润地区也开始应用,即使是在有较好的灌排体系的地区。在重庆丘陵山地,季节性干旱频繁发生,并且农业供水设施不足。因此,对土壤水分动态及其影响因素的了解可以很好的帮助雨水的就地利用。降雨径流过程可以帮助计算径流收集潜力,坡改梯可以提高土壤蓄水能力和增加雨水下渗,从而提高雨水利用效率。除了下渗和蒸发外的降雨径流可以被收集于小型蓄水设施里用来短期干旱时的补充灌溉,这样就可以降低雨养农业由于缺水而导致的风险。

全文目录


摘要  6-9
Abstract  9-17
Chapter 1 Literature Review  17-31
  1.1 RAINFED AGRICULTURE AND RAINWATER HARVESTING(RWH)  17-20
    1.1.1 The need of rainfed agriculture  17-19
    1.1.2 Rainwater Harvesting(RWH)  19-20
  1.2 SOIL HYDRAULIC PROPERTIES  20-23
    1.2.1 Measurement of soil hydrological properties  21-22
    1.2.2 Temporal variation of soil water content  22-23
  1.3 GIS AND ITS APPLICATION IN WATER RESOURCES MANAGEMENT  23-26
    1.3.1 GIS and hydrological modeling  23-25
    1.3.2 RWH potential analysis integrated with GIS  25-26
  1.4 CROP WATER REQUIREMENT AND SUPPLEMENTARY IRRIGATION  26-28
    1.4.1 Crop water requirement and calculation  26-27
    1.4.2 Supplementary irrigation  27-28
  1.5 SUMMARY  28-31
Chapter 2 Introduction  31-35
  2.1 PROBLEM STATEMENT  31-32
  2.2 OBJECTIVES  32
  2.3 CONTENTS AND TECHNICAL ROUTES  32-35
Chapter 3 Temporal variation of soil water content and its impacting factors  35-51
  3.1 INTRODUCTION  35-36
  3.2 MATERIALS AND METHODS  36-38
    3.2.1 Description of the study area  36
    3.2.2 Soil sampling and monitoring  36-37
    3.2.3 Measurements and analysis  37-38
  3.3 RESULTS  38-46
    3.3.1 Temporal variation of soil water  38-45
    3.3.2 Characteristics of stochastic distribution of soil moisture  45-46
  3.4 DISCUSSION  46-51
    3.4.1 Soil water dynamics with time  46-48
    3.4.2 Components influencing soil water dynamics with time  48-51
Chapter 4 Characteristics of Infiltration and Evaporation in Hilly Purple Soils ofChongqing  51-77
  4.1 INTRODUCTION  51-52
  4.2 MATERIALS AND METHODS  52-57
    4.2.1 Description of the study area and sampling  52-55
    4.2.2 Measurements of the vertical and horizontal diffusion and evaporation of the soil samples  55-57
  4.3 RESULTS  57-73
    4.3.1 Vertical infiltration of purple soil  57-63
    4.3.2 Horizontal diffusion of purple soil  63-67
    4.3.3 Evaporation of the purple soil  67-73
  4.4 DISCUSSION  73-77
    4.4.1 Infiltration process and its impact on soil water characteristics  73-74
    4.4.2 Evaporation process and its impact on soil water characteristics  74-77
Chapter 5 Runoff simulation and harvesting  77-105
  5.1 INTRODUCTION  77
  5.2 MATERIALS AND METHODS  77-85
    5.2.1 Description of the study area  77-79
    5.2.2 Construction of DEM  79-80
    5.2.3 Generation of stream network  80-81
    5.2.4 Delineation of Catchments  81-83
    5.2.5 SCS Model  83-85
  5.3 RESULTS  85-101
    5.3.1 Feature of Sloping Land Flow  85-95
    5.3.2 Runoff harvesting and engineering storage design  95-101
  5.4 DISCUSSION  101-105
    5.4.1 Rainfall runoff relationship and modeling  101-102
    5.4.2 Rainfall runoff harvesting  102-105
Chapter 6 Optimal Allocation of Water Resources in Hilly Purple Soils ofChongqing  105-131
  6.1 INTRODUCTION  105-107
  6.2 MATERIALS AND METHODS  107-108
    6.2.1 Description of the study area  107
    6.2.2 Analysis of drought characteristics  107
    6.2.3 Evapotranspiration under different land use and slope  107-108
    6.2.4 Water balance and runoff harvesting  108
  6.3 RESULTS  108-127
    6.3.1 Characteristics of seasonal drought  108-115
    6.3.2 Land use pattern and its impact on evapotranspiration  115-119
    6.3.3 Soil water reservoir and its impacting factors  119-123
    6.3.4 Agricultural water allocation at the local scale  123-127
  6.4 DISCUSSION  127-131
    6.4.1 Drought and crop water needs  127-129
    6.4.2 Water balance on local scale  129-131
Chapter 7 Conclusions and recommendations  131-135
  7.1 CONCLUSIONS  131-133
  7.2 INNOVATIONS  133-134
  7.3 RECOMMENDATIONS  134-135
Reference  135-151
Acknowledgements  151-153
Paper Published and Projects Attended  153

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中图分类: > 农业科学 > 农业工程 > 农田水利 > 水源 > 地面水的利用
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