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北方干旱地区土壤墒情预测模型

2019.6.22

墒情预报是农田用水和区域水资源管理的一种基础工作,对于农田灌溉排水的合理实施和提高水资源的利用率等有重要作用。墒情预报主要是田间含水率的预报。以节水为目的的土壤水调节,就是要使灌溉既能满足土壤水向根系活动层及时供应,又不产生深层渗漏造成灌溉水的浪费,还要尽量减少地表无效蒸发和提高土壤水向蒸腾储水及蒸腾耗水的转化效率。

土壤水调节问题实质上是要寻找一种投资少、技术简单,且又能节省用水的灌溉方案,其特点是通过土壤水分监测和预报,严格按照墒情浇关键水,按调蓄原则浇足水,使灌溉水得到有效利用,以达到节水高产的目的。所以,要达到土壤水调节的目的,必须加强田间土壤水分的监测预报。

1 　邢台市土壤墒情监测方法及频率

在建立各地方墒情站和区域站网时,一定要考虑墒情和旱情监测不仅是对水资源的合理利用,同时也是实现对水资源科学管理和抗旱救灾决策的最重要的措施和依据。

1. 1 　土壤墒情监测方法（下面用到的是实验室方法，当然现在还有更简易的方法，即直接用仪器测定，如土壤墒情监测仪或者也可以用多点土壤温湿度记录仪来测定。）

土壤监测采用烘干称重法的方法,将所取的土样进行称重,放入烘干箱中加热到100 ℃～105 ℃持续4 h ,加盖冷却,再进行称重,分别按下式计算出质量含水量和体积含水量。土壤容量又叫土壤的假比重,是指田间自然状态下,每单位体积土壤的干重,通常用g/ cm3 表示。用一定容积的钢制环刀,切割自然状态下的土壤,使土壤恰好充满环刀容积,然后称量并根据土壤自然含水量计算每单位体积的烘干土重即土壤容重。由下式计算土壤容重:

式中:γ─土壤容重(g/ cm3 ) ;W土─为干土重(g) ;V ─环刀容积(cm3 ) 。

土壤容重除用来计算土壤总孔隙度外,还可用于估计土壤的松紧和结构状况。表1 为邢台市不同区域的土壤容重测验结果。

土壤含水量可用质量含水量和体积含水量表示。质量含水量:指单位土壤中水分所占的比例,无量纲,常用θm 表示。在自然条件下,土壤含水量的变化范围较大,为便于比较,常采用烘干土作为基数。质量含水量常用百分数表示,计算公式如下:

式中:θm ─土壤质量含水量( %) ;W水─单位体积中土壤含水量(g) ;W土─单位体积烘干土重量(g) 。

体积含水量:指单位容积土壤水所占的比例,无纲量,常用θv 表示。体积含水量可以表示土壤水占据的土壤,尤其是土壤孔隙的容积比例,克服了质量含水量的不便之处。孔隙体积含水量用百分数表示:

式中:θv ─土壤体积含水量( %) ;γd ─土壤干容重(g/ cm3 ) ;其它符号同前。

1. 2 　土壤墒情监测频率

邢台市从2003 年开始旱情监测,监测内容包括降水量、地下水埋深、土壤墒情等内容。土壤含水量测定,在10 cm、20 cm、50 cm 的三个深度分别取样,测定不同深度的土壤含水量。监测时间为每旬监测一次,每年3 月- 6 月,9 月- 11月监测(从2007 年开始,每旬监测两次) 。在7 月、8 月份,由于降水量较大,大部分时间土壤处于饱和状态,根据具体情况进行加测和抽测。由于北方气候特点,在12 月到次年2 月,土壤表面处于结冰状态。土壤中的冰将减少雨水和融雪水的下渗量,当冰的含水量足够高时,土壤几乎没有透水性。冻土在冬季也储存较多的水分,使其无法排出或蒸发。因此,该时段冻土区域水分含量相对比较稳定,结冻前的土壤含水量对整个冬季都有影响。

2 　土壤墒情预报方法及模型

对作物耕作层土壤水分的增长和消退程度进行预报,是制定合理的灌溉制度、进行适量灌溉、提高土壤水分利用效率的基础和关键。田间土壤水分的变化过程不仅与土壤特性有关,而且还涉及到根系层与环境之间的水分交换(如降水、灌溉、蒸腾蒸发、根系层下边界水分通量等) 。根据该区现有资料情况以及观测技术等方面的原因,采用消退系数法。消退系数法是指根据土壤水垂向变化规律应用水文预报的方法推求逐日土壤消退系数K 值用来预测土壤水的变化情况。

表层土壤含水量随着降水、灌溉、径流、下渗、蒸发等因素的变化而变化。根据降雨产流理论和包气带水运移理论,对于一次降水而言,降水量为P,产流量为R ,初损水量为I ,则三者关系为:

R = P – I (4)

而在降雨初损历时中, 表层土壤与地面的水量平衡关系为:

I = Im - Pa (5)

式中: Im ─流域中的最大亏损,实际上也简介代表土壤最大的蓄水量,一定的区域认为是固定值; Pa ─次降水开始时的前期影响雨量。

影响损失(或产流量) 的最主要因素是前期影响雨量(即前期土壤含水量) ,当ti = 1 天,并且前、后两日连续晴天无雨时,用下式计算:

Pa, t + 1 = K ×Pa, t (6)

如果t 日有降雨,但未产流,则

Pa, t + 1 = K ×( Pa, t + Pt ) (7)

式中: Pa ─前期影响雨量; Pi ─前期降雨量; K ─土壤含水量的日消退系数; ti ─对应于Pi 的前期降雨距本次降雨的时间; Pa, t , Pa, t + 1 ─t 时的和t 时后一日的前期影响雨量; Pt ─t时刻降水量(mm) 。

当Pa, t + Pt ≥Im 时,以Im 值作为Pa 的上限值计算。

考虑灌溉和农作物根系分布特点,其研究的目标层是敏感层(0～0.2 m) 和根系发育层(0～0.5 m) 。依据上述降雨径流预报理论,把表示根系发育层土壤水分的量化指标称为墒情指标,则墒情指标计算公式可表示为 :

θa, t + 1 = Kt (θa, t + Pt + Qt ) (8)

式中:θa, t + 1 、θa, t ─( t + 1) 日和t 日墒情指数(mm) ; Pt ─第t 日的降水量(雨量较小不产流的情况下) ; Qt ─第t 日的灌水量(mm) ; Kt ─第t 日的土壤水分消退系数。

3 　土壤墒情日消退系数K 的确定

土壤水分消退系数K 是墒情预报模型中的重要参数之一,它反映了土壤特性、下垫面、农作物生长阶段和需水、气象等综合因素。根据邢台市22 个墒情监测站3 年监测资料确定土壤墒情日消退系数。选择时段两测次中无降水且退墒较明显的时段,选取不同土深的垂线平均时段初土壤含水率θ1 和时段末土壤含水率θ2 以及时段初与时段末的间隔天数t , 按下式计算消退系数:

式中: K ─土壤日消退系数;θ1 ─时段初不同深度平均土壤含水率;θ2 ─时段末平均深度的土壤含水率; t ─时段间隔天数。在确定资料时,通过分析,对数据异常的资料将不予采用,这是因为在实际观测中,由于采用人工取土,难免会存在误差,还有可能是地面积水等使土壤含水率过大,都会导致资料失真。通过分析筛选后,以达到去伪存真的目的。表2 为邢台市土壤墒情日消退系数每旬取值分析成果。