北方干旱地區(qū)土壤墑情預(yù)測(cè)模型

墑情預(yù)報(bào)是農(nóng)田用水和區(qū)域水資源管理的一種基礎(chǔ)工作,對(duì)于農(nóng)田灌溉排水的合理實(shí)施和提高水資源的利用率等有重要作用。墑情預(yù)報(bào)主要是田間含水率的預(yù)報(bào)。以節(jié)水為目的的土壤水調(diào)節(jié),就是要使灌溉既能滿足土壤水向根系活動(dòng)層及時(shí)供應(yīng),又不產(chǎn)生深層滲漏造成灌溉水的浪費(fèi),還要盡量減少地表無效蒸發(fā)和提高土壤水向蒸騰儲(chǔ)水及蒸騰耗水的轉(zhuǎn)化效率。

土壤水調(diào)節(jié)問題實(shí)質(zhì)上是要尋找一種投資少、技術(shù)簡單,且又能節(jié)省用水的灌溉方案,其特點(diǎn)是通過土壤水分監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),嚴(yán)格按照墑情澆關(guān)鍵水,按調(diào)蓄原則澆足水,使灌溉水得到有效利用,以達(dá)到節(jié)水高產(chǎn)的目的。所以,要達(dá)到土壤水調(diào)節(jié)的目的,必須加強(qiáng)田間土壤水分的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

1 　邢臺(tái)市土壤墑情監(jiān)測(cè)方法及頻率

在建立各地方墑情站和區(qū)域站網(wǎng)時(shí),一定要考慮墑情和旱情監(jiān)測(cè)不僅是對(duì)水資源的合理利用,同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)對(duì)水資源科學(xué)管理和抗旱救災(zāi)決策的最重要的措施和依據(jù)。

1. 1 　土壤墑情監(jiān)測(cè)方法（下面用到的是實(shí)驗(yàn)室方法，當(dāng)然現(xiàn)在還有更簡易的方法，即直接用儀器測(cè)定，如土壤墑情監(jiān)測(cè)儀或者也可以用多點(diǎn)土壤溫濕度記錄儀來測(cè)定。）

土壤監(jiān)測(cè)采用烘干稱重法的方法,將所取的土樣進(jìn)行稱重,放入烘干箱中加熱到100 ℃～105 ℃持續(xù)4 h ,加蓋冷卻,再進(jìn)行稱重,分別按下式計(jì)算出質(zhì)量含水量和體積含水量。土壤容量又叫土壤的假比重,是指田間自然狀態(tài)下,每單位體積土壤的干重,通常用g/ cm3 表示。用一定容積的鋼制環(huán)刀,切割自然狀態(tài)下的土壤,使土壤恰好充滿環(huán)刀容積,然后稱量并根據(jù)土壤自然含水量計(jì)算每單位體積的烘干土重即土壤容重。由下式計(jì)算土壤容重:

式中:γ─土壤容重(g/ cm3 ) ;W土─為干土重(g) ;V ─環(huán)刀容積(cm3 ) 。

土壤容重除用來計(jì)算土壤總孔隙度外,還可用于估計(jì)土壤的松緊和結(jié)構(gòu)狀況。表1 為邢臺(tái)市不同區(qū)域的土壤容重測(cè)驗(yàn)結(jié)果。

土壤含水量可用質(zhì)量含水量和體積含水量表示。質(zhì)量含水量:指單位土壤中水分所占的比例,無量綱,常用θm 表示。在自然條件下,土壤含水量的變化范圍較大,為便于比較,常采用烘干土作為基數(shù)。質(zhì)量含水量常用百分?jǐn)?shù)表示,計(jì)算公式如下:

式中:θm ─土壤質(zhì)量含水量( %) ;W水─單位體積中土壤含水量(g) ;W土─單位體積烘干土重量(g) 。

體積含水量:指單位容積土壤水所占的比例,無綱量,常用θv 表示。體積含水量可以表示土壤水占據(jù)的土壤,尤其是土壤孔隙的容積比例,克服了質(zhì)量含水量的不便之處�？紫扼w積含水量用百分?jǐn)?shù)表示:

式中:θv ─土壤體積含水量( %) ;γd ─土壤干容重(g/ cm3 ) ;其它符號(hào)同前。

1. 2 　土壤墑情監(jiān)測(cè)頻率

邢臺(tái)市從2003 年開始旱情監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括降水量、地下水埋深、土壤墑情等內(nèi)容。土壤含水量測(cè)定,在10 cm、20 cm、50 cm 的三個(gè)深度分別取樣,測(cè)定不同深度的土壤含水量。監(jiān)測(cè)時(shí)間為每旬監(jiān)測(cè)一次,每年3 月- 6 月,9 月- 11月監(jiān)測(cè)(從2007 年開始,每旬監(jiān)測(cè)兩次) 。在7 月、8 月份,由于降水量較大,大部分時(shí)間土壤處于飽和狀態(tài),根據(jù)具體情況進(jìn)行加測(cè)和抽測(cè)。由于北方氣候特點(diǎn),在12 月到次年2 月,土壤表面處于結(jié)冰狀態(tài)。土壤中的冰將減少雨水和融雪水的下滲量,當(dāng)冰的含水量足夠高時(shí),土壤幾乎沒有透水性。凍土在冬季也儲(chǔ)存較多的水分,使其無法排出或蒸發(fā)。因此,該時(shí)段凍土區(qū)域水分含量相對(duì)比較穩(wěn)定,結(jié)凍前的土壤含水量對(duì)整個(gè)冬季都有影響。

2 　土壤墑情預(yù)報(bào)方法及模型

對(duì)作物耕作層土壤水分的增長和消退程度進(jìn)行預(yù)報(bào),是制定合理的灌溉制度、進(jìn)行適量灌溉、提高土壤水分利用效率的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。田間土壤水分的變化過程不僅與土壤特性有關(guān),而且還涉及到根系層與環(huán)境之間的水分交換(如降水、灌溉、蒸騰蒸發(fā)、根系層下邊界水分通量等) 。根據(jù)該區(qū)現(xiàn)有資料情況以及觀測(cè)技術(shù)等方面的原因,采用消退系數(shù)法。消退系數(shù)法是指根據(jù)土壤水垂向變化規(guī)律應(yīng)用水文預(yù)報(bào)的方法推求逐日土壤消退系數(shù)K 值用來預(yù)測(cè)土壤水的變化情況。

表層土壤含水量隨著降水、灌溉、徑流、下滲、蒸發(fā)等因素的變化而變化。根據(jù)降雨產(chǎn)流理論和包氣帶水運(yùn)移理論,對(duì)于一次降水而言,降水量為P,產(chǎn)流量為R ,初損水量為I ,則三者關(guān)系為:

R = P – I       (4)

而在降雨初損歷時(shí)中, 表層土壤與地面的水量平衡關(guān)系為:

I = Im - Pa      (5)

式中: Im ─流域中的最大虧損,實(shí)際上也簡介代表土壤最大的蓄水量,一定的區(qū)域認(rèn)為是固定值; Pa ─次降水開始時(shí)的前期影響雨量。

影響損失(或產(chǎn)流量) 的最主要因素是前期影響雨量(即前期土壤含水量) ,當(dāng)ti = 1 天,并且前、后兩日連續(xù)晴天無雨時(shí),用下式計(jì)算:

Pa, t + 1 = K ×Pa, t         (6)

如果t 日有降雨,但未產(chǎn)流,則

Pa, t + 1 = K ×( Pa, t + Pt )    (7)

式中: Pa ─前期影響雨量; Pi ─前期降雨量; K ─土壤含水量的日消退系數(shù); ti ─對(duì)應(yīng)于Pi 的前期降雨距本次降雨的時(shí)間; Pa, t , Pa, t + 1 ─t 時(shí)的和t 時(shí)后一日的前期影響雨量; Pt ─t時(shí)刻降水量(mm) 。

當(dāng)Pa, t + Pt ≥Im 時(shí),以Im 值作為Pa 的上限值計(jì)算。

考慮灌溉和農(nóng)作物根系分布特點(diǎn),其研究的目標(biāo)層是敏感層(0～0.2 m) 和根系發(fā)育層(0～0.5 m) 。依據(jù)上述降雨徑流預(yù)報(bào)理論,把表示根系發(fā)育層土壤水分的量化指標(biāo)稱為墑情指標(biāo),則墑情指標(biāo)計(jì)算公式可表示為 :

θa, t + 1 = Kt (θa, t + Pt + Qt )      (8)

式中:θa, t + 1 、θa, t ─( t + 1) 日和t 日墑情指數(shù)(mm) ; Pt ─第t 日的降水量(雨量較小不產(chǎn)流的情況下) ; Qt ─第t 日的灌水量(mm) ; Kt ─第t 日的土壤水分消退系數(shù)。

3 　土壤墑情日消退系數(shù)K 的確定

土壤水分消退系數(shù)K 是墑情預(yù)報(bào)模型中的重要參數(shù)之一,它反映了土壤特性、下墊面、農(nóng)作物生長階段和需水、氣象等綜合因素。根據(jù)邢臺(tái)市22 個(gè)墑情監(jiān)測(cè)站3 年監(jiān)測(cè)資料確定土壤墑情日消退系數(shù)。選擇時(shí)段兩測(cè)次中無降水且退墑?shì)^明顯的時(shí)段,選取不同土深的垂線平均時(shí)段初土壤含水率θ1 和時(shí)段末土壤含水率θ2 以及時(shí)段初與時(shí)段末的間隔天數(shù)t , 按下式計(jì)算消退系數(shù):

式中: K ─土壤日消退系數(shù);θ1 ─時(shí)段初不同深度平均土壤含水率;θ2 ─時(shí)段末平均深度的土壤含水率; t ─時(shí)段間隔天數(shù)。在確定資料時(shí),通過分析,對(duì)數(shù)據(jù)異常的資料將不予采用,這是因?yàn)樵趯?shí)際觀測(cè)中,由于采用人工取土,難免會(huì)存在誤差,還有可能是地面積水等使土壤含水率過大,都會(huì)導(dǎo)致資料失真。通過分析篩選后,以達(dá)到去偽存真的目的。表2 為邢臺(tái)市土壤墑情日消退系數(shù)每旬取值分析成果。

4 　土壤墑情實(shí)施預(yù)報(bào)

墑情預(yù)報(bào)是對(duì)作物根系層土壤水分增長和消退過程進(jìn)行預(yù)報(bào),是進(jìn)行適時(shí)適量灌水的基礎(chǔ)。影響土壤水分狀況的因素很多,有氣象、土壤、作物和田間用水管理等。本模型從土壤含水量、灌溉時(shí)間、灌溉定額等3 個(gè)方面進(jìn)行預(yù)報(bào)。

4. 1 　土壤含水率預(yù)報(bào)模型

根據(jù)每旬的土壤墑情日消退系數(shù),可以利用公式(8) ,由t日的土壤含水量,預(yù)測(cè)( t + n) 日的土壤含水量。計(jì)算公式為:

θa, t + n = Knt (θa, t + Pt + Qt )      (10)

式中:θa, t ─第t 日墑情指數(shù)計(jì)算值, mm;θa, t + n ─第( t + n) 日墑情指數(shù)計(jì)算值,mm; Pt ─預(yù)測(cè)t 日的降水量,mm; Qt ─t 日的灌溉水量,mm; Kt ─t 日的消退系數(shù),根據(jù)不同時(shí)段取不同的K 值。

如果預(yù)測(cè)時(shí)段跨旬,說明K 值不同,則要根據(jù)不同天數(shù)進(jìn)行計(jì)算。如,根據(jù)3 月18 日土壤墑情指數(shù),預(yù)測(cè)3 月22 日的墑情指數(shù),時(shí)間在3 月中旬和下旬兩個(gè)時(shí)段,則計(jì)算公式為:

θa, t + 5 = K31×K22×θa, t        (11)

在預(yù)測(cè)時(shí)段內(nèi),遇到降水(或灌溉) ,則要對(duì)降水前后段分開計(jì)算。如,根據(jù)5 月11 日土壤墑情指標(biāo),預(yù)測(cè)5 月18 日土壤含水量;在5 月15 日發(fā)生降水,則計(jì)算方法為,先計(jì)算5 月15 日降水前5 天的土壤含水量,然后根據(jù)該時(shí)期的土壤含水量和降水量計(jì)算,計(jì)算5 月18 日的土壤含水量。

θa, t + 5 = K₁⁵×θa, t                     (12)

θa, t + 8 = K₂³×(θa, _{t + 5} + P_{t + 5} )             (13)

選擇2007 各監(jiān)測(cè)站墑情監(jiān)測(cè)資料,對(duì)各站不同月份實(shí)測(cè)土壤墑情資料和預(yù)測(cè)土壤墑情資料進(jìn)行對(duì)比分析。選擇該時(shí)段無降水過程,5 天后監(jiān)測(cè)土壤墑情和預(yù)測(cè)計(jì)算的土壤墑情進(jìn)行誤差評(píng)定。評(píng)價(jià)結(jié)果見表3 。通過對(duì)22 個(gè)站隨機(jī)抽查評(píng)價(jià)結(jié)果分析,誤差不超過±5 %的有20 站,占評(píng)價(jià)總數(shù)的90.9 %。

4. 2 　灌水時(shí)間預(yù)測(cè)模型

用灌水時(shí)間模型預(yù)測(cè)旱情發(fā)生的時(shí)間,以便實(shí)施灌溉。根據(jù)t 日的土壤含水量θa, t和作物生長需要的最低土壤含水量θa, t + n ,如果土壤含水量低于θa, _{t + n}時(shí), 就要及時(shí)灌溉, 預(yù)測(cè)期間的實(shí)際天數(shù)(即灌水時(shí)間) 。計(jì)算公式為:

式中:θa, t ─第t 日墑情指數(shù)( %) ;θa, t + n ─保持作物生長的土壤墑情指數(shù)( %) ; Kt ─土壤含水量日消退系數(shù); Pt ─第t 日的降水量產(chǎn)生的土壤體積含水量( %) 。

為計(jì)算方便,把降水量單位毫米換算成體積含水量,用百分?jǐn)?shù)表示。計(jì)算土層厚度用h 表示,則降雨量的土壤體積含水量計(jì)算公式為:

式中: P ─降水量(mm) ; h ─計(jì)算土層厚度(mm) 。

如土層厚度500 mm 計(jì),時(shí)段降水量為6 mm ,則該降水量產(chǎn)生的土壤體積含水量為1.2 %。

舉例:2007 年4 月16 日測(cè)得魏家寨土壤體積含水量為22 % ,作物生長期,要求土壤含水量不低于21 % ,預(yù)測(cè)需要幾天后進(jìn)行灌溉?

實(shí)測(cè)土壤體積含水量22 % ,5 月中旬的土壤日消退系數(shù)為0.989 ,預(yù)測(cè)土壤體積含水量下降到21 %時(shí)的時(shí)間,帶入(14) 式:

n = (lg0. 21 - lg0. 22) / lg0. 989 = 4 (d)

要保持土壤體積含水量不低于21 % ,4 d 后需要對(duì)農(nóng)田進(jìn)行灌溉。