灌区多水源复合系统灌溉水利用效率尺度效应及转化机理研究—以黑龙江省为例

Aiming at unperfect connotation, simple calculating methods and obscure scale conversion relationship of Irrigation water use efficiency and leading to the findings having bad usefulness and instability, the joint use of irrigation area multi-water resources can be seen as a complex system by applying the system engineering idea and the scale effect and transformation mechanism of irrigation water use efficiency can be analyzed from complexity point. Firstly, the irrigation water use efficiency index system which is scientific and reasonably can be built and the complex feature can be analyzed. Then, the connotation and driving mechanism of irrigation water use efficiency can be revealed. Secondly, through field experiment, the appropriate calculating method and time-space structure variation function can be put forward. The spatial-temporal variation feature, point-surface function and each factors' response mechanism of irrigation water use efficiency can be dissected. The scale effect and transformation mechanism of irrigation water use efficiency can be revealed; Finally, Based on the scale effect, the laws of improving irrigation water use efficiency and efficient use water management model can be presented. The results have great theoretical and practical significance for perfecting irrigation water use efficiency relating theory, solving some problems that restrict agricultural development in Heilongjiang Province like low irrigation water use efficiency and realizing the new breakthrough of grain productivity in Heilongjiang province.

针对以往研究中灌溉水利用效率内涵不完善、测算方法针对性不强、尺度转化关系不清晰，导致研究成果实用性差、不稳定等问题，运用系统工程思想，将灌区多水源联合运用视为一个复合系统，从复杂性的视角研究灌溉水利用效率的尺度效应及转化机理。构建科学合理的灌溉水有效利用程度识别指标体系，确定其复杂性特征，揭示灌区多水源复合系统灌溉水利用效率内涵和驱动机制；通过大田试验，提出适宜的测算定量公式和时空变异结构函数，确定其时空尺度结构性、方向性和自相关性，建立时空尺度效应下灌溉水利用效率点面转化函数关系，以及不同影响因素对其内在的响应机制，揭示灌溉水利用效率的时空尺度效应和定量转化关系；基于时空尺度效应，提出灌区灌溉水利用效率提高潜力策略和高效用水管理模式。研究成果对于丰富和完善灌溉水利用效率相关理论，解决黑龙江省灌区灌溉水利用率低下等诸多制约农业发展问题和实现黑龙江省粮食产能的新突破具有重大的理论和实践意义。

本项目针对黑龙江省灌区用水效率低、水资源浪费严重、用水不均等问题，将灌区多水源看作一个复合系统，运用系统工程的思想，针对灌区多水源复合系统灌溉水利用效率的内涵、驱动机制、定量测算、时空转化、综合评价等内容进行了研究。建立了灌区多水源复合系统灌溉用水效率指标体系框架，提出了灌溉水有效利用程度识别指标体系，分析了不同用水过程灌溉水有效利用程度识别指标体系的复杂性特征，揭示了灌区多水源复合系统灌溉水利用效率内涵；定性分析了灌区多水源复合系统灌溉水利用效率影响因素，提出了主要影响因素的空间分布和自相关特征，建立了复杂性视角下灌溉水利用效率与其影响因素间的联系方程，揭示了灌区多水源复合系统灌溉水利用效率的驱动机制；阐述了灌溉水利用效率不同测算方法的优缺点，修正了典型灌区井灌区域和渠灌区域的灌溉水利用效率测算方法；分析了灌区多水源复合系统灌溉水利用效率指标体系的空间自相关性和空间格局，建立了灌溉水利用效率尺度效应研究框架和尺度点面转化函数关系，揭示了灌溉水利用效率时空尺度转化机理；建立了不同边界条件下渠道土壤水分入渗过程模型，模拟了不同条件对渠道水流入渗过程的影响及交叉效应，提出了不同边界条件下渠道水分入渗过程简化经验计算公式；评价了灌区多水源复合系统的灌溉水利用效率，计算了不同条件下灌溉节水潜力，建立了多水源灌区水资源优化配置模型，提出了灌溉水利用效率提高潜力策略和灌区多水源复合系统高效用水管理模式。此外，本课题还进行了拓展研究，提出了黑龙江省粮食作物水分生产率时空分布规律，识别了各水分生产率指标的主要影响因素，绘制了水足迹空间分布图，揭示了黑龙江省粮食水足迹时空分布特征。研究成果对于解决黑龙江省灌区水资源紧缺等诸多制约农业发展问题，促进“千亿斤粮食产能巩固工程”和“两大平原”农业综合开发试验区建设具有重要的理论和实践意义。