长喉槽是一种经济、稳定、水头损失较小的量水设施，为优化其体型设计，并为其应用于含沙水流渠道量水提供参考，采用三维流体力学计算软件对不同收缩形式长喉槽内部的水流与泥沙特性进行了模拟计算。在验证数值模型可靠性的前提下，由弗汝德数、渠道超高分析确定了收缩率取值区间：仅有侧收缩形式0.36~0.40、仅有底收缩形式0.40~0.72、既有侧收缩又有底收缩形式0.36~0.73；水流含沙时，模拟结果表明泥沙主要淤积在长喉槽上游行近渠段，并且泥沙淤积厚度：仅有侧收缩形式<既有侧收缩又有底收缩形式<仅有底收缩形式。研究表明3种收缩形式长喉槽中，既有侧收缩又有底收缩形式结构设计灵活度高，从泥沙淤积角度考虑，仅有侧收缩形式最优，结论可为我国多沙河流灌区的长喉槽量水设计提供技术依据。

为研究花江石漠化区雨季人工林和天然林土壤水分和土壤温度状况，运用原位监测方法和一般统计学方法分析顶坛花椒(Zanthoxylum bungeanum.)、复羽叶栾树(Koelreuteria bipinnata)和构树(Broussonetia papyrifera)的土壤水分和土壤温度动态变化及两者关系。结果表明：①土壤水分含量均值呈顶坛花椒(34.7%)>复羽叶栾树(33.8%)>构树(33.4%)，土壤温度均值呈构树(29.3 ℃)>复羽叶栾树(27.9 ℃)>顶坛花椒(27.3 ℃)；顶坛花椒、复羽叶栾树、构树土壤水分含量变异系数分别是：0.13、0.15、0.13，土壤温度变异系数分别是0.04、0.04、0.07。②顶坛花椒、复羽叶栾树、构树各层土壤水分与土壤温度的皮尔逊相关系数如下，0～5 cm：0.275、0.468、0.441，5～10 cm： 0.307、0.474、0.462，10～20 cm：0.165、0.450、0.398，20～40 cm：0.181、0.405、0.520；除顶坛花椒10～20 cm和20～40 cm负相关不显著，其他都具有显著负相关(P<0.01)。顶坛花椒土壤水分含量较复羽叶栾树和构树高，时间变异小，受土壤温度影响最小，具有较好的水分保持效益，可继续作为石漠化治理的优选树种加以培育和管理。

目前缺乏对射流脉冲喷头流道结构的整体优化和基于喷洒特点的驱动结构设计与研究。为解决这一问题，推动该型国产喷头产业化进程与后续系列喷头开发，对射流脉冲喷头进行了整体结构优化设计，并针对影响射流脉冲喷头转动和水量分布较大的驱动板结构进行了首创设计与试验研究，解决了驱动机构复杂，弹簧易腐蚀老化的缺陷。同时驱动板结构是影响射流脉冲喷头水力性能的关键因素之一，而当前缺少基于喷洒特点的驱动结构设计与研究，因此，采用四因素三水平水力性能试验与验证相结合的方法，提出“爪形”驱动板结构。正交试验结果表明：“爪形”驱动板各结构因素对射流脉冲喷头喷灌均匀度影响主次顺序为三角形挡板底宽、驱动板长度、驱动板倾角、驱动板宽度；最优结构为三角形挡板底宽7 mm、驱动板长度18 mm、驱动板倾角14°、驱动板宽度11 mm。

为探明土壤水分和养分在井式节水灌溉方式下的分布特征，以8 a生苹果为试验材料，采用井式节水灌溉方法进行大田试验，设置3个灌水梯度：低水[W₁，99 m³/（hm²·次）]、中水[W₂，148.5 m³/（hm²·次）]、高水[W₃，198 m³/（hm²·次）]和3个施肥梯度：高肥[F₃，225 kg/（hm²·次）]、中肥[F₂，150 kg（hm²·次）]、低肥[F₁，75 kg（hm²·次）]，设置灌溉量为W₃的不施肥对照处理（CK），分析井式灌溉施肥条件下苹果园土壤水分和养分空间分布特征。结果表明：井式灌溉方式下，土壤水分主要分布在表层0~60 cm，以水平移动为主，移动距离随灌溉量的增加而不断扩大，W₁处理水平80 cm水分难以到达，W₃处理水分含量最大，分布范围最广。土壤养分水平分布在竖井管附近较小，随着水平距离的增加养分含量在40~80 cm达到最大值；垂直方向上，养分主要聚集在土壤表层，随着深度的增加而不断减少，速效磷主要分布在0~40 cm表层，而速效钾可运移至80 cm。通过对比土壤丰缺分级标准，苹果园上层土壤0~40 cm范围内养分含量较丰富，养分随灌溉量和施肥量的增加而增大，F₃W₂养分较丰富，其他处理养分丰缺处于中等水平。井式灌溉施肥与传统滴灌相比，能有效增加土壤水分和养分运移距离；井式灌溉技术能够保证果树正常水肥需求，可作为新的节水技术进行推广；F₃W₂处理养分含量最高，可作为灌水和施肥参考。

近年来我国大力推广节水灌溉工程，但尚未完全达到高效节水的要求。在“节水优先”的新时代背景下，水源地（水库）的防蒸发将成为干旱区与半干旱区的节水研究方向之一。目前关于PE浮球蒸发抑制效果的研究已经比较全面，但在偏远山区布置时成本较高。为了寻找一种更经济的防蒸发材料，主要研究EPS浮球对小型水体蒸发的抑制效果，选用10 mm、40 mm、80 mm、120 mm、150 mm共5种不同直径的EPS实心浮球，在新疆吐鲁番地区开展室外蒸发器试验，共使用6个圆柱体蒸发器，统计各蒸发器非冰冻月的蒸发量，计算不同直径的EPS浮球在年内非冰冻月（3-10月）的蒸发抑制率。5种直径中40 mm浮球的蒸发抑制率最高，为76.31%；10 mm浮球蒸发抑制率最低，为59.57%。浮球直径与蒸发抑制率并非呈一次函数关系。通过分析蒸发器中表层水体温度、空间体湿度对蒸发量的影响，发现在EPS浮球覆盖下，静水水面蒸发量对空间体的相对湿度更加敏感。经过12个月的户外试验，选用的EPS浮球在浸泡、暴晒等条件下的耐久性、吸水性以及抗冻、抗侵蚀等性能满足长期使用的要求，且在经济性上较PE浮球更具优势。试验进一步完善了防蒸发浮球直径选择方案，在小型水体、人工池塘和所在地区不易受大风侵袭的小型水库宜采用直径为40 mm左右的EPS实心浮球以减少水体蒸发。

为了探究平原圩区稻田氮磷流失机制，以江西省芳溪湖流域作为典型研究区，开展不同尺度稻田排水氮磷浓度时空变化特征研究。结果表明：在时间尺度上，排水总氮、氨氮平均浓度最高值出现在5月和7月；硝氮变化趋势为先降低后升高，最低浓度出现在8月份；总磷浓度变化趋势为先上升后下降，最高值出现于8月；排水中氨氮/硝氮比例随时间总体表现出先升高后降低的特征，最大比例出现在8月份。在空间尺度上，排水总氮、氨氮和总磷浓度的中位值表现为干沟尺度＞田间尺度＞流域尺度＞斗沟尺度。农田排水氮磷浓度的时空变化过程复杂，在水稻不同生育阶段和不同空间尺度上存在较大差异，施肥和降雨过程对流域氮磷浓度有较大影响，因此需要在种植过程中加强田间养分和水分管理，合理控制排水时间，建议在施肥16 d后排水；降雨过程整体呈现“降-升-降”的变化趋势，建议稻田涝水在2~4 d内排出。

为探究灌区考虑水质水量耦合模拟优化的水资源优化配置模型与方法，基于FloPy和Pymoo构建了水量水质耦合的多目标模拟优化模型。采用地下水数值模拟模型MODFLOW和溶质输移模型MT3D模拟了灌溉引起的地下水位变化和污染物的扩散过程，考虑灌溉收益、作物水分生产率、地下水位变幅和污染扩散4个目标，分别采用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ和NSGA-Ⅲ对该问题进行求解，并对比分析了两种方法的实际应用效果。采用多准则分析评价方法TOPSIS（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution），推荐了灌溉方案。推荐灌溉方案在平水年和枯水年分别可以最大减少地下水位变幅56%和43%，最大减少污染扩散面积54%和40%。

为研究宽浅式梯形明渠流速分布规律，简化渠道流量测量过程、提高测流精度、促进灌区工作效率提升，利用声学多普勒剖面流速仪进行流速、流量、断面面积的测定；通过正交距离回归算法对相对流速和相对水深与二次抛物线函数拟合，得到垂向流速分布规律，根据横向流速分布规律结合测量数据，利用线性拟合分析得到横向流速分布影响系数，最终通过待定系数法得到断面平均流速与中垂线表面流速的系数值。结果表明：测点实际流速与平均流速之比作为相对流速，拟合得到的宽浅式梯形渠道断面流速分布规律R ²均在0.937以上，拥有较好的相关性；宽浅式梯形渠道测线平均流速横向流速分布符合乘幂函数分布形式，并对横向流速流速分布公式进行流速验证，在横向相对位置0.2<(B-2 d)/B<1区间内误差均小于5%；推导出了宽浅式梯形渠道中垂线表面流速与断面平均流速关系，对AB两地宽浅式梯形渠道干渠进行断面流量验证，实测流量与计算流量的误差小于5%，符合量水规范的要求，可实际用于灌区量水。

针对北方灌区斗、农渠数量多、底坡缓且灌溉水流泥沙多的现状，提出了一种扭矩式明渠测流方法。为了探索在矩形明渠水流冲击作用下测流圆杆对固定点的扭矩、水深与流量之间的理论关系，应用圆柱绕流原理对圆杆测流模型进行理论分析，并结合流速面积法，得出扭矩、水深与流量之间的半经验关系式，并在室内矩形明渠中进行标定。试验结果表明，扭矩式明渠测流方法具有较高的测流精度，计算流量与实测流量之间平均相对误差为1.212%，最大相对误差为3.18%，相对误差均小于5%，满足灌区量水要求。该测流方法水头损失小、成本低廉，测流精度较高，为灌区量水提供一种新的测流方法。

在灌区用水管理中，灌溉面积及其空间分布信息非常重要。传统的灌溉面积提取手段耗费大量的人力物力和时间，已经不能满足灌区的现代化管理。自遥感技术应用于灌溉面积提取以来，经过几十年的发展，已经有很多的研究成果。但现今在应用于灌溉面积提取的遥感技术中，前沿的方法多数采用多个传感器数据或长时间序列的数据，且往往针对某一特定的区域，很难具体的应用在实际的灌区工作中。为了在灌区管理的实际应用中准确高效地提取灌溉面积和分布，开展了一种基于光学卫星多时相差值数据的神经网络算法的灌溉面积提取技术研究。以山东省淄博市桓台县的试验田为研究区域，首先利用随机森林对Sentinel-2卫星数据的所有波段以及一些与土壤水含量以及植被相关的指数进行重要性排序，不同地区的地情下重要性排序结果也不同，所以利用重要性排序可以快速的获取适合此地区的波段以及指数的组合。选取重要性较高的波段或指数作为神经网络模型输入层进行灌溉面积提取。然后根据实际样本田的数据对提取结果进行检验，所得到的总体灌溉面积提取精度达到了76.7%。Kappa系数为0.74。此外，对研究区域进行植被覆盖度分级，并分析了在不同植被覆盖度下的灌溉面积提取结果精度变化。其中，在中等和较高的植被覆盖度地区具有更高的精度。研究区大部分地区为农业地区，作物以冬小麦和夏玉米为主，使用数据为3月中下旬卫星影像，研究区此时期植被覆盖度较高，符合在此地情下进行灌溉面积提取在中等和较高植被覆盖度地区具有更高精度的结果。基于神经网络的多时相光学卫星数据差值提取灌溉面积研究可以在不同地区的地情下通过重要性排序获取适合该研究区波段的组合，得到更高的灌溉面积提取结果精度。

农业用水短缺和用水粗放共存，水资源利用率亟待提高。灌溉管道网络是节水灌溉的重要发展趋势，但灌溉管网系统在设计时存在诸多难点。因此，对灌溉工程进行科学合理的规划设计，在满足灌溉需水量和各种液压条件下寻求管网总投资最小的方案，是提高灌溉效率和农业水资源利用率的重要手段。在轮灌方式下的管网布局优化问题中，轮灌组划分方式从根本上决定管网中的流量分布，从而影响管网布置、管网设计和管网总成本。考虑轮灌组容量限制、管道流量流速、工作压力水头等约束，以灌溉系统管道成本和电力成本之和最小作为目标函数，建立了同时考虑灌溉管道网络布置和管网设计的数学模型，并根据模型特点设计一种基于迭代邻域搜索的混合启发式算法进行求解。对一个实际灌溉工程进行优化，设置120、150和190 m³/h三种不同轮灌组容量上限。结果表明，在工作方式方面，由于轮灌组的划分，导致灌溉网络系统工作时的总流量减少，降低管道管径和水源处泵站扬程，从而降低管道成本和电力成本；对于同一算例，灌溉管网的成本也会因轮灌组容量限制不同而存在差异；灌溉系统管道成本和电力成本之间存在效益背反。在管网设计时，需要根据灌区地形和节点分布特点，合理设定轮灌组容量上限和轮灌组划分方式，选择最为经济的管网设计方案。

采用昌吉地区10个气象站1961-2020年降水量资料，计算昌吉地区年、季尺度标准化降水指数（SPI-12、SPI-3），并对SPI指数评价实际干旱的能力进行验证。运用趋势分析法、M-K突变检验法、小波分析法等方法，探究昌吉地区气象干旱变化特征；在此基础上分析年、季尺度上的干旱频率、干旱强度和干旱覆盖面积的变化趋势。结果表明：SPI指数可以表征昌吉地区的干旱特征；1961-2020年昌吉地区年SPI值呈明显的阶段性特征，年代变化趋势呈变干-变湿-变干的变化波动，进入21世纪以来，变干趋势较为明显；昌吉地区春、夏、秋季SPI呈不显著的湿润化态势，但进入21世纪以后，春、夏季逐年变干旱化，冬季呈显著的湿润化态势；干旱强度在全区范围内主要为轻旱和中旱等级，2010年以来春、夏、秋季干旱强度明显增大；1961-2000年干旱发生面积有轻微减少，进入21世纪以来干旱范围向扩大趋势发展，全域性和区域性干旱发生较为频繁；在周期性变化方面，存在着3～5 a、8～18 a、20～30 a的多重周期振荡，且随时间尺度降低，表现的“干-湿”交替渐趋频繁，但不同时间尺度表现出不同的干湿震荡规律。

针对河西灌青贮玉米发展面临的水资源紧缺、灌溉水利用率低等生产实际问题。以中国科学院上海应用物理研究所研发的保水剂（新型生态保水剂）为材料，研究滴灌下新型生态保水剂施用量（CK：0 kg/hm²，B3：45 kg/hm²，B5：75 kg/hm²，B7：105 kg/hm²）对耕层土壤水分及青贮玉米光合特性、产量和品质的影响。结果表明：①玉米整个生育期0~40 cm土层土壤体积含水量，随保水剂施用量的增加而增加，B5和B7处理间差异不显著，B5和B7处理青贮玉米生育期土壤体积含水量较CK处理分别提高11.27%和12.15%；②施用保水剂能显著提高青贮玉米叶片光合性能，B5处理青贮玉米叶片叶绿素含量、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和叶片水分利用效率较CK处理分别提高7.67%、58.32%、32.94%、35.22%和17.63%；B5和B7处理间差异不显著；③施用保水剂能显著提高青贮玉米鲜草产量、经济效益和改善饲草品质，与CK处理相比，B5处理青贮玉米产量、粗蛋白、粗脂肪、可溶性碳水化合物含量分别提高27.22%、19.16%、24.24%、24.22%，酸性洗涤纤维和中性洗涤纤维含量降低12.14%和、7.73%。因此，在河西地区青贮玉米覆膜滴灌种植中新型生态保水剂的最佳施用量为75 kg/hm²。

水土资源是粮食生产的基础资源，而农业产值是促进粮食生产的驱动力，在此基础上探究沿海地区粮食产量的主要影响因素，明确粮食产量与各影响因素的协调发展程度对评价区域粮食产量发展现状，保障粮食产量持续稳定增长具有重要意义。通过粮食产量、农业水土资源及农业产值等数据，构建了粮食产量恒等式模型，利用LMDI指数分解法探究了江苏沿海地区粮食产量的主要影响因素，利用耦合协调度模型探究粮食产量与各影响因素的均衡性。结果表明：①2009-2015年江苏沿海地区粮食产量呈稳定增长趋势，2016年和2017年有所跌落，2018年恢复增长状态，2009-2020年期间共增产119.31 万t。②2009-2020年间，影响沿海地区粮食生产的主要因素依次是农业产值、农业产值耗水量、粮食复种指数、农业水土资源和粮食单产水平。各因素年际变化表现为正负波动变化，且区域间各时间段粮食产量影响因素差异显著。③自2009年到2020年，粮食产量与各影响因素的耦合协调度由严重不协调状态（D∈(0.0,0.3])逐渐稳定在基本协调状态（D∈(0.5,0.8]）和高级协调状态（D∈(0.8,1.0]）。因此政府在粮食增产计划中，要因地制宜，突出农业产值和农业用水效率的重要性，以农业产值的正向效应促进粮食种植面积的稳定增长，以节水技术实施和中低产田改造项目促进作物种植结构的良性调整，实现粮食产量、水土资源和农业产值的协调、可持续增长。

针对当前接触式流速仪测流难度大的问题，提出了一种非接触式流量计算方法。由于渠道水流中垂线平均流速与断面平均流速近似相同，垂线平均流速与垂线水面处流速的比值为恒定值，因此可以通过该恒定值与中垂线水面流速、断面面积三组参数实现对明渠断面流量的计算。以东深供水工程某段矩形明渠为研究对象，对不同垂线上实测流速进行积分计算垂线平均流速，通过实测流速拟合抛物线函数流速分布公式计算垂线水面处流速，同时将垂线平均流速与垂线水面处流速的比值作为流量系数。结果发现，基于该流量系数的计算流量与实测流量十分接近，表明本文提出的水面一点法保证测流精度的同时能有效降低测流难度。提出的基于水面一点法的明渠流量计算方法具有较高精度，可为东深供水工程渠道流量实时监测及其他灌区快速测流提供理论依据。

为解决滨海盐碱地结构性差，肥力低下的问题，探究有机硅复合肥对滨海盐碱地土壤物理特性及夏玉米产量的影响，于2020年6月-2020年10月，在河北省沧州海兴县开展夏玉米大田试验。试验共设置5个处理，分别为：施用当地化肥二铵600 kg/hm²（T1），有机硅复合肥375 kg/hm²（T2）、750 kg/hm²（T3）、1 125 kg/hm²（T4），以及仅施底肥空白对照组（CK）。试验通过测定夏玉米0～40 cm土层的土壤物理特性指标及玉米产量，量化分析有机硅复合肥对滨海盐碱土的改良效果，进一步分析土壤物理特性指标与玉米产量之间的相关性。结果表明：不同处理间，0～40 cm各土层的土壤物理特性指标及玉米产量呈显著性差异，随着有机硅复合肥施用量的增加，土壤容重随之减少，土壤孔隙度，田间持水量、饱和含水量和土壤累积吸水量随之增加，产量随之增加；土壤改良和增产效果表现为T4>T3>T1>T2；容重、孔隙度、田间持水量和饱和含水量两两之间具有极显著相关性，表层土壤物理特性指标与产量呈极显著与显著相关，下部土壤的相关性不显著，随着土层深度的增加，相关性降低。对滨海盐碱地施用有机硅复合肥，可有效改善土壤结构，增强土壤通气性和保水能力，降低盐分对玉米生长的影响，从而提高玉米产量。