基于STELLA和气候变化情景的灌区农业供需水量模拟.docx
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1、第 31 卷 第 6 期 农 业 工 程 学 报 Vol.31 No.6 122 2015 年 3 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Mar. 2015 农业水土工程 基于 STELLA 和气候变化情景的灌区农业供需水量模拟 冯东溥,魏晓妹 ,降亚楠,李 萍 (西北农林科技大学水利与建筑工程学院,杨凌 712100) 摘 要: 为了评估气候变化对灌区农业供需水量的影响,基于系统动力学软件 STELLA( structure thinking experimental learning labora
2、tory with animation)建立了宝鸡峡灌区供需水量计算模型,结合灌区气象水文数据,利用非一致性水文频 率计算原理,预估了未来可供水量和气候变化情景,模拟了气候变化情景下不同规划水平年灌区农业供需水状况。结果 表明:灌区主要水源渭河径流在 1989 年发生跳跃变化,跃幅为 14.25 亿 m3,各典型年预估径流量( 1989 2030 年)比 原序列( 1954 2010 年)对应值减少 40% 55%,导致农业可供水量锐减;在 =0.05 的显著水平上, 1981 2010 年灌 区降水下降不显著,平均气温、最高气温显著上升而相对湿度和风速显著下降,其他因子无明显趋势;灌区未来各
3、典型 年农业需水量 2030 年比 2010 年增加 1.08 2.19 亿 m3,水资源供需平衡指数上升 9.06% 14.46%,说明灌区农业供需水 平衡状况受气候变化影响显著,必须在规划、设计和管理中予以考虑并采取积极的应对措施。研究结果为气候变化条件 下灌区农业水资源合理配置提供了参考。 关键词: 模型;气候变化;农业;供需水量;宝鸡峡灌区; STELLA doi: 10.3969/j.issn.1002-6819.2015.06.017 中图分类号: S271; S162 文献标志码: A 文章编号: 1002-6819(2015)-06-122-07 冯东溥,魏晓妹,降亚楠,等 .
4、 基于 STELLA 和气候变化情景的灌区农业供需水量模拟 J. 农业工程学报, 2015, 31(6): 122 128. Feng Dongpu, Wei Xiaomei, Jiang Yanan, et al. Simulation of agricultural water supply and demand at irrigation district under climate change using STELLAJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of
5、the CSAE), 2015, 31(6): 122 128. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 在全球气候变化影响下中国农业水资源日趋短缺。据 预测,中国农业灌溉需水量高峰将出现在 2030 年左右 1, 届时中国农业用水将面临严峻的挑战,而灌区作为粮食 主要产区对粮食安全举足轻重,因此研究气候变 化对灌 区农业供需水量的影响具有重要意义。 气候变化对农业水资源方面的研究方法主要有: 1) 统计分析法,选取气候及农业水资源相关数据统计分析 得出结论。如 Sophocleous2根据全球水资源供需数据, 探讨了气候变化对水资源供需平衡的影响。吴
6、普特等 3 采用相关分析法以 Palmer 干旱指数表征气候变化,得出 1949 1990 年气候变化对中国灌溉用水量起主导作用。 2)假定气候情景,如设定未来温度增量 4或参考气候评 价报告设定气候情景 5,然后采用农业需水相关方法估算 未来农业需水量。 3)模型模拟法,也是目前应用最广泛 的方法,一般以气候模型产生的情景直接或经过处理后 收稿日期: 2015-01-28 修订日期: 2015-03-04 基金项目:陕西水利科技计划项目( 2011-07);水利部公益性行业科研专项 ( 201301016) 作者简介:冯东溥,男,满族,宁夏海原人,博士生,主要从事气候变化对 农业水资源影响的
7、研究。杨凌 西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 712100。 Email: 通信作者:魏晓妹,女,汉族,甘肃甘谷人,教授,博士,主要从事水量 转化理论与调控技术研究。杨凌 西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 712100。 Email: W 作为作物模 型、 水文模型或其他模型的输入来研究未来 农业水资源状况。如丛振涛等 6以大气环流模式 HadCM3 的气候情景作为 CERES 模型的输入分析了冬小麦需水量 和产量变化;王卫光等 7-8将该模式降尺度处理后作为水 稻模型 ORYZA2000 的输入,对水稻需水量、产量及水分 利用效率等进行了一系列研究。 Saadi 等 9用区域气候模
8、 式 ENSEMBLES 生成的气候数据和地理信息系统( GIS), 预测了未来情景下地中海地区小麦和番茄的需水量变 化。 Mehta 等 10采用气候模型 GFDL 降尺度得到的情景 驱动 WEAP 模型模拟了加州 Yolo 县未来的农业供需水状 况。 Wang 等 11将区域气候模式的数据输入系统动力学模 型模拟了未来情景下灌区农业水资源状况。 虽然 气候变化对农业水资源影响的研究已有较 大进 展,但仍有一些不足 。 首先考虑作物需水量的较多,综 合考虑农业供需水量的较少;再者大多数研究的气候情 景由大气环流模式( GCMs)或假定情景产生,存在一定 的不确定性 12和主观性 13。同时灌
9、区和水利部门长期使 用的典型年法缺乏气候变化条件下的相应研究,为应对 气候变化的水资源管理、规划和设计带来了困难。 鉴 于 系 统 动 力 学 建 模 软 件 ( structure thinking experimental learning laboratory with animation, STELLA) 具有处理动态性、非线性和高阶次复杂问题的功能 14-15, 运用该软件能够综合考虑灌区气候与农业供需水系统之 间的作用;而非一致水文序列频率计算原理 16可为气候 变化下可供水量的估算提供理论依据和可行途径 。 因此 本文以陕西省宝鸡峡灌区为研究区,运用 STELLA 构建 第 6
10、期 冯东溥等:基于 STELLA 和气候变化情景的灌区农业供需水量模拟 123 灌区供需水量模型,并利用非一致性水文频率计算方法, 结合灌区水文资料预估未来气候变化条件下水文典型年 的情景,通过系统模拟研究气候变化对农业供需水量的 影响,为气候变化条件下灌区农业水资源合理配置提供 科学依据。 1 灌区农业供需水系统分析 1.1 研究区域概况 宝 鸡 峡 灌 区 位 于 陕 西 关 中 平 原 西 部 ( 10651 10848E, 349 3444N),西起渭河峡谷,东至泾河 右岸,南临渭水,北抵渭北高原腹地,总面积 2 355 km2, 灌溉面积 19.43 万 hm2(图 1)。该区为温带
11、大陆性季风 气候,年平均温度 13.10 ,无霜期 220 d,土壤以中壤、 轻壤为主,年平均降水量 561.72 mm,年内分布不均,约 一半降水集中在 7 月 -9 月份,属半湿润易旱区。灌区粮 食总产量和商品粮供应量分别占全省的 1/7 和 1/4,是陕 西最大的国有灌区,全国十大灌区之一。近 30 多年来, 由于气候变化及渭河径流量减少,灌区水资源供需矛盾 日趋突出。 图 1 宝鸡峡灌区示意图 Fig.1 Sketch map of Baojixia irrigation district 1.2 农业供需水系统概化 在灌区供需水系统中,气候变化导致农业需水量变 化,而气象水文因素又影
12、响着地表径流量和地下水的补 给及排泄,使农业可供水量发生变化,进而影响到灌区 的供需水量平衡。 灌区 供水系统由地表水和地下水组成,其中地 表水 可供水量包括渭河径流通过林家村渠首按比例分配给灌 区的农业可供水量和 4 库(王家崖水库、信义沟水库、 大北沟水库及泔河水库)可供水量两部分,地下水农业 可供水量为机井开采水量(不超过地下水可开采量)扣 除人畜供水后得到。 需水 系统主要包括农田灌溉需水和林牧渔业需 水。 灌 区畜牧和渔业需水极小,因此主要考虑农田灌溉需水 和果树需水。根据灌区种植结构调查,冬小麦、夏玉米、 油菜和棉花为主要种植作物,种植面积占优势的苹果为 主要种植果树。 2 基于
13、STELLA 的灌区供需水量模型 2.1 建模方法及原理 STELLA 是一款可视化的系统动力学建模软件,它 以能处理非线性复杂问题而被广泛应用,成为水利 、 农 业和生态学科的研究工具 17-19。在利用 STELLA 初步构 建了灌区农业供需水系统的基础上 20,本文经过对模型 结构和功能模块方面的改进(图 2),使模型物理意义更 加明确 、 系统更趋完善,能够模拟外部因素对系统输出 的影响及其变化趋势;同时在气候情景预估中采用了更 为成熟可靠的理论及方法 。建 模时先将模型参数 、 自变 量、因变量及辅助变量对应的图标元件布置在 Model 页 面,然后用箭头联系各元件来建立函数关系,最
14、后切换 到 Equation 界面来输入函数表达式 21,模型数据及结果 可以通过 Excel 存储或读取。 注:图中前缀为 “ PA” 的表示某作物的种植面积, “ Pe” 表示有效降水量, “ Kc” 表示作物系数, “ WD” 为需水量, “ AP” 为辅助参数, “ In” 和 “ Out” 表示需水量在一个步长内的增量和减少量,缩写 NIWD 为净需水量, WSDBI 为水资源供需平衡指数。 Note: Prefix PA means plant area, Pe means effective precipitation, Kc means crop coefficient, WD
15、 means water demand, AP means auxiliary parameter, In and Out mean income and outcome of water demand in a time step; Abbreviation NIWD is net irrigation water demand, WSDBI is water supply-demand balance index. 图 2 基于 STELLA 的灌区农业供需水量模型图 Fig.2 Diagram of irrigation water supply and demand model bas
16、ed on STELLA 某作物需水量在单位步长内的增量 /108m3 (参考作物需水量 作物系数 30.42有效降水量) 灌区农业净需水量在 t 步长的总量 /10 m Result module 供需平衡指数 WSDBI 农业需水量 农业可供水量 Xt St ,t t0 St Yt ,t t0 1 1 n 1 Xt t t 1 nt Xt St 124 2.2 供需水量模型 农业工程学报 2015 年 ( IWDM),气候变化情景模块( CCSM),农业可供水 基于 宝鸡峡灌区农业供需水系统分析,运用系 统动 力学原理及 STELLA 建立灌区农业供需水量计算模型如 量模块( IWSM)和
17、结果模块即水资源供需平衡指数 ( WSDBI),模型所用参数的含义及来源见表 1。 图 2 所示 。模 型包括 4 个 功能模块,灌区需水量模块 表 1 基于 STELLA 的灌区供需水量模型参数及变量表 Table 1 Parameters and variables of irrigation water demand and supply model based on STELLA 系统模块 Module 参数及变量 Parameters and variables 来源 Sources 灌区需水模块 Irrigation water demand module (IWDM) 小麦、棉花
18、、油菜、玉米、苹果的作物系数 参照文献 23、 24 小麦、棉花、油菜、玉米、苹果的种植面积 /hm2 统计数据 小麦、棉花、油菜、玉米、苹果的有效降水量 /mm 降水量 降水有效利用系数 种植面积 /107 某作物需水量在 t 步长内的总量 /108m3 ( t1)时刻的作物需水量 +第 t 步长内的增量 农业净需水量在单位步长内的增量 /108m3 单位步长的小麦、棉花、油菜、玉米与苹果的增量之和 8 3 ( t1)时刻的农业净需水量 +第 t 步长内的增量 灌区供水模块 Irrigation water supply module (IWSM) 气候变化模块 Climate change
19、 scenario module (CCSM) 灌溉水利用系数 0.548,为统计数据 灌区农业需水量 /108m3 农业净需水量 灌溉水利用系数 渭河径流 /108m3 统计资料 径流分配比例 资料估算为 0.3 水库可供水量 /108m3 资料统计 地下水可供水量 /108m3 统计资料 地表水可供水量 /108m3 径流 分水比例 +水库可供水量 灌溉可供水量 /108m3 地表水可供水量 +地下水可供水量 降水量 /mm 由历史资料及预估得到 最高温度 / ,最低温度 / ,平均温度 / , 同上 日照时数 /h,风速 /(ms-1),相对湿度 /% 同上 参考作物需水量 由 Penm
20、an-Monteith 公式 22 计算 结果模块 模型 中农业需水量的计算过程如下:首先以气 候因 子为输入采用 FAO Penman-Monteith 公式 22计算参考作 物需水量,再根据作物系数和农田水量平衡方程计算作 物灌溉需水量,最后依据灌区作物种植面积及灌溉水利 用系数得到农业需水量;农业供水量由地下水可供水量 和地表水可供水量组成,其中地表水可供水量由径流量 和分水比例以及水库可供水量确定。 根据 灌区气候资料及供需水量计算要求,确定 模型 的计算时间步长为月;建模及校验所涉及的农业及灌溉 资料来自灌区年报( 2001 2010 年)、陕西省作物需 水量及分区灌溉模式等 23-
21、24;气象数据来自陕西省气 由确定性成分 Yt 及随机性成分 St 构成。若序列在 t0 点发 生变化,则该点前后受变化环境影响序列物理成因不同 , 序列可以表示为 16: ( 1) 先计 算确定性成分 。根据序列统 计数据,当变 化类 型为趋势型时,可拟合确定 Yt;当突变类型为跳跃型时 根据式( 2),以突变点 t0 将序列分为两部分,计算突变 前后的序列的平均值,其差值即为跳跃成分 Yt;则序列 随机性成分 St 可以由式( 3)得出: 象局,序列长度为 1981 2010 年。 3 灌区供需水量模拟情景预估 3.1 非一致水文序列频率计算原理 宝鸡 峡灌区地表水可供水量的大小与渭河径流
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