在实现区域资源可持续发展方面，水-能源-粮食（WEF）系统耦合协调研究具有重要意义。选取24个国家，构建WEF系统的耦合协调度评价指标体系和耦合协调度模型，分析其在2008-2020年的综合评价指数和耦合协调度的时空变化特征，并引入莫兰指数剖析系统耦合协调度的空间演变特征，在此基础上采用空间杜宾模型对耦合协调度的影响因素进行探讨。结果表明：从时间序列看，系统综合评价指数整体呈现先降后升态势，耦合协调度波动变化明显，但是有向好发展趋势；从空间分布看，耦合协调度的高值区与粮食综合评价指数的高值区大致吻合，整体上呈现“东西高中部低”的空间分布特征；耦合协调度的空间聚集虽然明显，但出现了集聚或异常值，空间分布格局处于变动状态；空间杜宾模型结果显示农业用水量、工业用水量、人均能源生产量、单位面积粮食年产量和农业用地面积对耦合协调度的影响显著，而第二产业能源消耗量和食品进口值占商品出口总额的影响不显著。

探索新型生态保水剂施量对兰州新区土壤微环境和马铃薯产量效益的影响，明确新型生态保水剂施用效果和筛选最佳施量。以新型生态保水剂为材料（中国科学院上海应用物理研究所研发），采用大田试验方法，按保水剂施量设4个处理（CK：0，B3：45 kg/hm²，B5：75 kg/hm²，B7：105 kg/hm²）研究滴灌模式下保水剂施量对兰州新区土壤水分、土壤酶活性、土壤呼吸速率的动态变化规律和马铃薯产量效益的影响。结果表明：与CK相比，施新型生态保水剂处理组显著提高了马铃薯生育期0~40 cm土层土壤体积含水量（5.24%~11.41%）；随新型生态保水剂施量递增，0~40 cm土层土壤体积含水量逐渐增加后趋于稳定，B5、B7处理间差异不显著。土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性及土壤呼吸速率均随马铃薯生育时期推进呈“单峰”曲线变化，块茎膨大期达峰值；与CK比较，施用新型生态保水剂处理组0~40 cm土层土壤脲酶、蔗糖酶、过氧化氢酶活性分别提高10.40%~24.35%、3.98%~10.06%、3.15%~8.11%，呼吸速率增强23.32%~25.51%，B5、B7处理间差异不显著。施用保水剂能够显著提高马铃薯产量和商品薯率，降低小薯率；与CK比较，B5、B7处理马铃薯增产9.53%~10.15%，总产值提高15.23%~15.66%。综合不同施量新型生态保水剂在兰州新区马铃薯生产实际中的应用效果，认为生态保水剂施量75 kg/hm²可以达到灌溉水资源利用效率、土壤微环境和马铃薯产量效益的多重提升。

定量评价河北省水资源可持续利用状况及其影响因素，为该省水资源利用的可持续发展提供数据支撑。利用水资源利用与经济社会发展匹配度模型、水资源生态足迹模型和对数平均迪氏指数法（LMDI），核算了2004-2021年河北省水资源生态足迹与生态承载力。在此基础上，定量分解了影响河北省水资源生态足迹变化的因素。结果表明：①河北省人均GDP呈增长趋势，人均用水量在经历短暂的增长期后呈波动下降趋势，2者匹配度呈增长后下降趋势；②在研究期内，水资源均处于亏损状态，且亏损较严重，水资源利用压力过大，处于不可持续利用的局面，亟需采取积极的措施来扭转这一局面；③在水资源生态足迹变化过程中，经济效应对其促进作用最大，人口效应次之，技术效应起了抑制作用，结构效应在研究期不同年份下对其表现为促进或抑制作用。

为帮助地方政府和相关机构做出合理有效的决策，促进水土资源的可持续利用和区域的可持续发展，以黑龙江省克山县为研究区，基于DPSIR模型和主成分分析法构建寒地黑土区水土资源可持续利用评价指标体系，利用TOPSIS方法测算2013-2021年克山县水土资源可持续利用水平。结果显示：①各子系统在2013-2021年间呈不同波动上升趋势，其中响应子系统对克山县水土资源可持续利用水平的贡献率最高。②克山县水土资源可持续利用水平在2013-2021年间呈波动上升趋势，可持续状态由弱可持续转为可持续。③制约克山县水土资源可持续利用水平的障碍因子主要为除涝面积、旱田耕地面积、水利支出、农村用电量和耕地保护面积。响应子系统对提升水土资源可持续利用水平有重要作用，地方政府可以增加水利支出，优化除涝设施，调整旱田耕地的管理方式以及加强耕地保护力度，从而进一步提升水土资源的可持续利用水平。

银北灌区面临引黄水量锐减挑战的同时，也存在水资源利用效率低，灌溉用水不科学合理，水资源浪费严重等问题。寻求适宜的灌溉模式是减少黄河水依赖、提高水资源利用率以及保证作物产量的重要途径。采用大田试验种植水稻，设置6种不同的灌溉模式，分别为回归水漫灌（T1）、黄河水灌溉（T2）、适量回归水灌溉（T3）、黄河水回归水交替灌溉（T4）、退水再灌（T5）、常规灌溉（T6），研究不同灌溉模式对稻田土壤盐分分布和水稻生长及产量的影响。不同灌溉模式对稻田盐分分布影响显著。全生育期不同灌溉模式都存在表层土壤脱盐，底层土壤积盐的现象，T1处理脱盐深度最大，使盐分累积在土壤60 cm以下，其余处理累积在土壤40 cm以下。土壤脱盐率最大在T1处理，较初始土壤含盐量降低9.58%；根区脱盐率最大出现在T2处理，为27.36%；根区盐分变化量最大为T1处理，水稻生育期内，盐分向下迁移量为4.82 t/hm²。回归水漫灌处理下水稻产量最大，为10 029.42 kg/hm²。T3处理生产单位重量的水稻可节省黄河水0.56 m³/kg，生产一季水稻单位面积可节省黄河水5 003.41 m³/hm²。综上所述，针对宁夏银北灌区，采用适量的回归水进行灌溉，可以在保证作物产量的同时，降低对于引用黄河水灌溉的需求程度。

为研究水位变化幅度和周期对土壤CO₂排放速率的影响，采集黄河小北干流区原状土样进行为期1 161 h的室内水位控制监测试验，分高水位波动（a）、低水位波动（b）、干旱胁迫（c）和参照组（d）4组进行对比，分析5个阶段的CO₂排放速率、DOC（可溶性有机碳）和DOC/DON（可溶性有机氮）数据。在监测全过程中CO₂排放速率平均值分别为0.23、0.22、0.16、0.22 μmol/（cm²·h），水位变化整体造成0.35倍、-0.18倍、-0.11倍、-0.24倍的改变。相较于监测过程的平均值，水位变化造成a、b、c、d 4组-0.72~2.48倍、-0.86~1.18倍、-0.97~1.44倍、-0.85~0.70倍的过程性波动，CO₂排放速率表现出“上升—衰弱—恢复”的特征。相较于前一阶段平均值数据，水位下降后（阶段Ⅰ）a、b、c 3组发生2.48、1.18、1.44倍的上升，持续时间91.5 h后又发生0.18、0.43和0.27倍的下降（阶段Ⅰf）；监测279.9 h时的水位上升造成a、b、c 3组较前一阶段明显上升（阶段Ⅱ），48.5 h后a、b、c 3组排放速率下降（阶段Ⅱf）；664 h时的水位上升（阶段Ⅲ、Ⅲf）造成的影响类似于前一阶段，在监测最后的240 h内（阶段Ⅳ），4组较Ⅲf阶段都有不同程度的回升。0~5 cm和5~10 cm土壤DOC含量和DOC/DON值受水位变化影响明显，出现初期上升和后期下降的趋势。水位变化对湿地土壤CO₂排放表现出大幅度、长时间的影响，水位变化对湿地土壤CO₂排放速率影响显著且具有阶段性特征。

作物长势和田间水分预测对于农业精准管理至关重要。为准确模拟宁夏玉米产量，利用2019-2020年田间观测数据，整合SWAP（soil-water-atmosphere-plant）模型和迭代集成平滑算法（iterative ensemble smoother，IES）构建了适用于宁夏干旱地区玉米的SWAP-IES作物同化模型。比较了同化叶面积指数（leaf area index，LAI）、土壤含水率（soil water content，SW）及其组合对宁夏干旱地区玉米种植区土壤含水率模拟和产量估算的影响。研究结果表明，当同时同化LAI和SW数据时，土壤含水率模拟的决定系数（R2）显著提升，从初始时的-0.07增加到0.71。这表明，将LAI和SW数据同时纳入模型显著增强了模型预测土壤含水率的准确性。而同时同化LAI和SW相比仅同化LAI或SW能更好的模拟土壤含水率，这表明2个观测变量之间并不是孤立的，二者的耦合能更好地提升模型的模拟精度。同时同化LAI和SW时估产精度最高，RMSE降低到914.113 kg/hm²，显著低于其他情景。说明所构建的SWAP-IES玉米同化模型，在同时同化LAI和SW的情况下，可以准确模拟土壤含水率变化过程和玉米产量，为干旱地区农田灌溉优化和玉米估产提供参考。

为提高APSIM-Maize模型在西北干旱条件下对春玉米产量模拟的精准性，以甘肃省石羊河流域春玉米适宜种植区（永昌县、民勤县、凉州区、古浪县）为研究区域，通过查阅与研究地区春玉米相关的49篇大田试验文献获得2009-2022年共115对观测数据，基于APSIM-Maize模型，采用敏感性指数SI法和修正的Morris法对水分利用率、光周期斜率等21个模型参数进行敏感性分析，针对4个适宜种植区分别对筛选的敏感参数进行优化验证。结果表明：①对春玉米产量较敏感的模型参数有5个，敏感大小分别为蒸腾效率系数＞出苗到拔节结束积温＞光合作用与辐射利用效率＞开花至开始灌浆积温＞茎向籽粒转移的生物量；②针对不同适宜种植区，参数优化效果有所差异，其中永昌县、凉州区及古浪县效果较好，民勤县的优化效果次之；③春玉米适宜种植区参数优化后的产量实测值与模拟值之间的相关系数分别由0.566提高到0.978、0.341提高到0.809、0.455提高到0.953、0.537提高到0.936，均方根误差分别由1 837.10 ~3 088.72 kg/hm²减小到341.64 ~996.64 kg/hm²，优化后的参数有效的提高了模型模拟产量的精度。

为提高土壤含水率预测精度，筛选出不同数量的预测因子，分别采用基于改进粒子群的双向长短期记忆网络（IPSO-BiLSTM）和支持向量机（SVM）对土壤含水率进行预测。以石津灌区典型地块为例，用前15 d的数据分别预测未来1~5 d的土壤含水率。结果表明：①IPSO-BiLSTM模型预测精度整体高于SVM模型，在验证集和测试数据上前者预测1~5 d的RMSE平均减小了5.50%，MAPE减小了5.77%，MAE减小了6.56%，决定系数R ²提高了2.96%；②预测不同时长时最优模型所需要的预测因子数目不同，IPSO-BiLSTM模型预测1~3 d时1个预测因子最优，预测4 d时2个预测因子最优；预测5 d时4个预测因子最优。③运行时间上，IPSO-BiLSTM模型的运行时间与预测因子数无明显关系，而SVM的运行时间随预测因子数增多而加长；同样大小的数据集，IPSO-BiLSTM占用CPU比SVM高约20%。研究为灌区精准灌溉和农业水资源高效利用提供了理论和技术支持。

智慧灌溉是以现代灌溉科技为基础，以高产优质节水型农业生产为目标，实现农田灌溉需水量数字化感知、供水量智能化决策、灌水量精准化控制和灌溉全过程智慧化管理的新的农田灌溉管理模式。为推动智慧灌溉技术应用，建立合适的智慧灌溉技术推广效应评价体系至关重要。通过理论分析与实证研究相结合，构建了智慧灌溉技术推广效应评价体系，包含田间水利用效率、经济效应、智能化和生态环境效益4个方面的3级评价指标体系，通过信息熵理论的综合赋权法计算各级指标的权重；以大曹庄智慧喷灌项目和金堂县智慧滴灌项目为例进行了评价分析，验证了本评价体系的准确性和可推广性。构建的评价体系将有助于推动智慧灌溉技术应用推广。

离心泵在启动时一般为关阀启动，即为零流量工况。立式离心泵在长距离调水和大型灌溉工程中应用日益广泛。为探究立式离心泵零流量工况下振动特性，在水泵底座布置了1个三向振动传感器，在水泵进、出口法兰盘顶部各布置1个轴向振动传感器以及在水泵出口管道顶部布置1个压力脉动传感器，测试了零流量工况下额定转速（1.0 nr）以及1.2 nr、0.8 nr、0.6 nr、0.4 nr等5个不同转速下的水泵振动和压力脉动。结果表明：零流量工况下立式离心泵进口轴向、出口轴向和底座轴向上的振动均较大；升速至1.2倍额定转速，底座轴向上的振动强度增至额定转速振动强度的1.6倍，降速至0.8倍额定转速，振动强度降至额定转速振动强度的1/4倍，降低转速启动，能大幅度降低水泵的振动强度；叶片频率是水泵进口、出口和底座轴向方向振动的主要频率，压力脉动是零流量工况下立式离心泵振动的一个重要激励源。研究结果可为同类大型立式离心泵的设计以及泵站建成后的运行管理提供参考。

在输水建筑物运行中，及时发现和预警渠隧系统中的异常数据以及其相应的事故工况可以为渠隧系统的安全运行提供重要保障。研究目的在于探索出输水渠隧系统在典型事故工况下的水力响应特征，为灌区管理人员提供事故水力响应特征。基于HEC-RAS软件针对渠隧系统常见的事故工况提出了概化模型，并根据其水力响应特征检验了其有效性。研究表明：①洪水入渠事故发生时，会出现上下游水位上升，上游流量先下降后稳定到原流量的趋势，其中最大漫溢水头为0.14 m。②结构破坏事故发生时，渠道上、下游水位以及下游流量逐步下降，上游流量先上升后下降至原流量的趋势，其中最大泄漏流量为9.95 m³/s。③隧洞局部垮塌事故发生时，渠道上游水位雍高，上游流量，下游水位以及流量均呈现先下降再逐渐恢复至原水位流量的趋势，其中最大雍高水位为0.460 m。该事故概化模型能够较好地反应事故工况下的输水建筑物动态变化情况。本研究得出的水力响应特性可为事故应急预案的制定及应急调度提供借鉴和参考，对发展长距离输水建筑物安全化建设具有一定的推进意义。

针对不同灌水下限对棉花叶片光合参数及产量影响的问题，通过大田试验，以当地常规滴灌作为对照（CK）分别在蕾期设置两种灌水下限：60%~65%田间持水量（θ _田）、70%~75% θ _田，花铃期设置3种灌水下限：55%~60% θ _田、60%~65% θ _田、70%~75% θ _田，共设计6种不同灌水下限处理，分析其对棉花不同生育阶段的光合特性和产量的影响，并探究了土壤重量含水率与光合参数之间的相关关系。研究结果表明，土壤重量含水率与棉花的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度呈显著正相关，与叶片水分利用效率呈负相关。综合考虑棉花灌水量、光合特性和产量的差异，运用TOPSIS熵权法进行综合效益评价，建议蕾期和花铃期灌水下限均设置为70%~75% θ _田，此时全生育期灌溉定额较CK降低26.32%，产量为6 946.65 kg/hm²，较CK处理提高26.46%，实现了棉花灌溉定额的大幅度降低和产量的显著提高（P<0.05）。

农业用水预测是区域水资源规划中的关键环节，对于实现水资源合理开发，保障粮食安全具有重要的指导意义。然而，现有农业用水预测模型普遍存在输入参数冗余、模型精度不够等问题，不利于有效地进行水资源管理和优化决策。因此，选择内蒙河套灌区作为研究对象，首先对灌区农业用水量相关驱动因子进行主成分分析（Principal Components Analysis，简称PCA），筛选出影响灌区农业用水量的关键因子；其次构建多种基于机器学习的农业用水预测模型；最后，利用Shapley加法解释方法(SHapley Additive exPlanations，SHAP)验证最优模型应用的合理性，并深入挖掘各特征值对农业用水量的贡献影响。结果表明：多层感知器神经网络(MLP)机器学习模型可以有效的预测农业用水量，其R ²评价指标为0.84，相较于其他五种不同机器学习模型（最小绝对收缩和选择算子回归Lasso、岭回归Ridge、决策树DT、随机森林RF、极限梯度提升XGboost），该模型预测结果较好。采用SHAP值法对MLP机器学习模型中的输入参数进行量化分析，发现第一产业总产值与粮食产量有较高的绝对平均SHAP值，而在不同灌域中SHAP值贡献大小略有差异。构建农业用水量预测筛选模型可以准确预测农业用水量，从而实现灌区农业精准灌溉并提高水资源利用效率，对于缓解未来河套灌区水资源供需矛盾具有重要的实际意义。

Hargreaves公式为气象资料不足时提供了计算参考作物蒸散量（ET ₀）的有效方法，但不同气候地区适用性及偏差有待评价。为探明Hargreaves公式在湖南洞庭湖区适用性，利用安乡县2001-2017年气象资料，以Penman-Monteith计算结果为参考标准，从年、月、日时间尺度对比分析两种方法计算结果偏差及原因，并调整Hargreaves公式月尺度经验系数。结果表明，两种方法计算结果变化趋势一致。Hargreaves公式年ET ₀偏大，多年平均绝对偏差和相对偏差分别为79 mm和8%；月时间尺度上偏差明显，除7、8月略偏小，其他月份明显偏大，月ET ₀多年平均相对偏差范围为9%至16%，日照时数偏低和相对湿度偏高是造成偏差的主要原因；逐日相对偏差波动显著，冬季偏差大于夏季，约44%以上日数相对偏差大于20%。逐月系数调整后，多年年平均绝对偏差为28 mm，年最大偏差为68 mm，多年年平均相对偏差均值为3%，最大年相对偏差为7%。调整后的月多年平均绝对偏差均值在5 mm以内，相对偏差均值在10%以内。说明调整后的Hargreaves公式可在月尺度上应用于湖南洞庭湖区ET ₀计算。