灌区节水效果尺度效应的产生机制及其耦合方法

Water saving reconstruction has been widely booming across China, while it is difficult to judge whether to achieve the intended target for water saving. Water saving effect (WSE) shows the scale dependence because of nonlinear characteristics of the water cycle in an irrigation district, thus an essential mechanism investigation should be carried out for the correct assessment of WSE.In this study, scale problems in WSE assessment will be addressed. A (semi-)distributed model will be constructed to depict the water movement in the irrigation scheme under different water saving scenarios. Based on the water budget simulated by the model, a new method for WSE assessment considering the reuse of the return flow will be employed and compared with the classical approach, and then water saving strategies for the whole irrigation system will be proposed. Further more, it will be analyzed that dynamic process of relation chain for water saving-response of water cycle as well as the return flow-scale effect of WSE, so that the mechanism of scale effect could be revealed. In addition, WSE scaling function will be deduce and establish based on the integration of dimensional analysis method and the fractal theory. The results of this study would offer the theoretic basis and technical support for the reasonable proposal of water saving, as well as the correct assessment of effectiveness of water saving measures.

我国大规模的灌区节水改造正在持续开展，但这些措施是否能够达到预期节水目标，还难以准确判断。由于灌区水循环系统的非线性特征，节水效果表现出尺度差异性，如果没有充分揭示这一现象的产生机理，就会影响节水效果的科学评估。本研究将针对节水效果的尺度问题开展研究，在构建的灌区（半）分布式水循环模型基础上，比较传统节水效果评估方法与考虑回归水重复利用的评估方法在灌区尺度上的差异，提出灌区尺度节水策略；分析节水扰动—不同尺度水循环和回归水及重复利用量的响应—节水效果的尺度效应这一关系流的动态传递过程，提出节水效果尺度效应产生机理；联合量纲分析方法和分形理论推导节水效果尺度转换方程。研究成果将为合理制定节水灌溉策略、科学评价节水灌溉技术有效性提供理论依据和技术支撑。

传统节水效果评估思路是先分项计算各节水措施所带来的田间灌溉节水量，再将各分项措施计算的节水量之和作为综合节水量。由于各分项措施对水循环的影响会相互叠加，加之灌溉总量中有一部分由回归水重复利用量贡献，导致大尺度的节水效果并非小尺度的简单叠加。要正确评估多种措施综合作用下的节水效果，必须分析节水—水循环和回归水及其重复利用量-节水效果尺度效应关系链的作用过程，揭示节水尺度效应产生的机理。. 本研究针对三江平原水稻灌区水循环特点，构建了一个半分布式模型用于模拟多尺度的水循环要素并利用实测数据对模型进行了检验。从节水率和用水效率提升幅度两方面分析了回归水重复利用量对灌区尺度节水效果的影响，分析了节水措施对水循环要素、不同尺度用水效率、节水效果以及回归水重复利用量评价指标的影响，揭示了节水的尺度效应及其产生机理。提出了基于研究区地下水位、净供水效率和经济成本等多目标的灌区节水措施和水资源调控方案。针对节水效果尺度转换，计算了腾发量、作物产量、水分生产率的尺度分形特征，揭示了上述要素的空间变异特征。融合了量纲分析和空间变异性构建了供水水分生产率的尺度转换方程，提出了空间变异和重复利用量对节水效果尺度效应影响权重的分析方法，分析了节灌制度、渠道衬砌、回归水再利用和多水源调度等不同措施实施后各个尺度的节水效果的连续定量关系。. 通过节水尺度效应和不同尺度节水灌溉策略分析，扩宽了灌溉用水效率和节水效果评估思路，改变了传统农田用水管理理念，对于区域水资源高效利用为目标的新节水观念的形成，以及合理制定节水灌溉策略、达到真实节水目标有着积极的促进作用。