华北地区是我国冬小麦主产区,冬小麦生育期降水很难满足其需水要求,作物生长对灌溉严重依赖,地面灌溉仍是该区域冬小麦主要的灌溉方式。当前,水资源总量不足和地面灌溉水分利用效率偏低是华北地区农业生产面临的两大主要问题。基于华北地区节水压采策略,如何在用水总量控制条件下,通过优化作物灌溉制度和改进地面灌溉用水管理来提高水分生产效率,以保障农户利益不受损,是当前水务管理部门急需解决的问题。为此,本论文将田间试验与数值模拟相结合,采用作物生长模型和地面灌溉模拟模型,在分别对模型参数进行率定和适用性评价的基础上,确定研究区冬小麦受试作物品种参数和地面灌溉技术约束下的最小灌水定额。基于作物生长模型参数,以研究区灌溉定额控制指标为上限,地面灌溉技术约束下的最小灌水定额为下限,结合不同降水水平年、作物生育期、畦灌布置方案,确定灌溉制度模拟情景方案,应用作物生长模型进行模拟。基于模拟结果,构建灌溉制度评价及筛选的指标体系和评价模型,优化提出用水总量和地面灌溉技术约束下的适宜灌溉制度方案。本文主要研究成果和创新点如下:(1)采用作物生长模型DSSAT,基于田间试验数据,率定了模型参数并评价其适用性,优选出一套受试作物模型参数。本研究设置多区域试验田,进行统一种植品种及模式下的作物品种遗传参数的率定,通过4种不同交叉验证方案率定了受试作物模型参数。采用模型对作物土壤水分变化进行模拟时,以充分灌水处理数据进行校准和验证下,模拟精度较高,且土层深度越大模拟精度越高;根据参数率定方案及模型交叉验证结果,受试作物物候期及单粒重模拟精度较高,作物产量观测值与模拟值的误差稍大,总体而言,参数率定后,模型模拟结果具有较好的收敛性和准确性,可用于研究区作物优化灌溉制度模拟下的物候期、作物水分利用情况、产量及产量构成因素的预测。(2)采用地面灌溉水流运动模拟模型SISM,基于田间试验数据验证了模型适用性,对不同技术要素组合下的灌水过程进行模拟,获得相应的畦灌性能指标值,确定了华北地区不同畦灌技术要素组合下最小灌水定额。基于不同典型区域、冬小麦不同生长阶段的田间灌溉试验数据,优化反求每次灌溉事件土壤入渗参数,结合华北地区畦灌现状,考虑畦田长度、坡度、田面平整精度及微地形空间分布差异,和入畦单宽流量等要素,共计53088种畦灌技术要素组合,以地面灌溉水流覆盖整个田块,及最小灌水深度Zmin>0为控制条件,采用SISM模型,对不同技术要素组合下的灌水过程进行模拟,分析畦灌技术要素和灌水性能指标值的对应关系,结合畦灌数值模拟试验结果和地面灌溉相关规程规范,提出50m,100m,150m三个代表性畦田长度下,田面平整精度Sd、坡度Sp、单宽流量q等畦灌要素的建议范围,及相应的最小灌水定额。(3)分析了冬小麦生育期耗水规律,制定灌溉制度情景模拟方案,采用率定后的作物生长模型参数进行模拟,基于模拟结果分析作物生育期及不同生育阶段灌水定额、灌溉定额及降水年型等因素对产量和蒸发蒸腾量的影响。对应不同水平年,在冬小麦4个生育阶段中,随着灌水定额的增加,作物蒸腾量均有不同程度的增加,土壤蒸发量变化幅度较小,作物产量对水分供给的敏感性强弱为:拔节水>返青水>越冬水>灌浆水,不同水平年型下的增产潜力幅度为:枯水年>平水年>丰水年,3种代表性性畦长下上述影响因素的变化规律及变化幅度较为一致,返青-拔节及拔节-抽穗两个生育阶段的灌水对于作物增产有显著作用,是作物的需水关键期。(4)基于灌溉制度情景模拟结果,分别从产量与水分利用效率,和种植净收益与投入产出比两个层面,对灌溉制度方案进行优化,从而获得不同水平年、不同代表性畦长下最优的灌溉制度方案。在两个评价指标体系下,研究区最优的地面灌溉畦灌布置方案均为50m畦长,对应丰、平、枯三个降水水平年,水分利用效率最高的灌溉制度分别为:0+55+55+0(mm),0+75+55+0(mm)及0+75+55+0(mm),即均灌2水(返青水、拔节水);投入产出比最大的灌溉制度分别为:0+75+55+0(mm),55+75+5 5+0(mm)及55+75+5 5+0(mm),即丰水年灌2水(返青水、拔节水),平、枯水年灌3水(越冬水、返青水、拔节水)。对于地面灌溉畦灌要素的优化,建议采用50m左右的短畦,可取得较好的灌水效果。上述研究成果可为生产者提供具有较强可操作性的畦田布置及灌溉制度应用模式,论文研究成果具有较强的实用性和推广价值,对于从整体上缓解灌溉水资源短缺的矛盾,促进华北地区现代农业的可持续发展,具有重要的现实意义。