北方干旱地區土壤墑情預測模型

墑情預報是農田用水和區域水資源管理的一種基礎工作,對于農田灌溉排水的合理實施和提高水資源的利用率等有重要作用。墑情預報主要是田間含水率的預報。以節水為目的的土壤水調節,就是要使灌溉既能滿足土壤水向根系活動層及時供應,又不產生深層滲漏造成灌溉水的浪費,還要盡量減少地表無效蒸發和提高土壤水向蒸騰儲水及蒸騰耗水的轉化效率。

土壤水調節問題實質上是要尋找一種投資少、技術簡單,且又能節省用水的灌溉方案,其特點是通過土壤水分監測和預報,嚴格按照墑情澆關鍵水,按調蓄原則澆足水,使灌溉水得到有效利用,以達到節水高產的目的。所以,要達到土壤水調節的目的,必須加強田間土壤水分的監測預報。

1 　邢臺市土壤墑情監測方法及頻率

在建立各地方墑情站和區域站網時,一定要考慮墑情和旱情監測不僅是對水資源的合理利用,同時也是實現對水資源科學管理和抗旱救災決策的最重要的措施和依據。

1. 1 　土壤墑情監測方法（下面用到的是實驗室方法，當然現在還有更簡易的方法，即直接用儀器測定，如土壤墑情監測儀或者也可以用多點土壤溫濕度記錄儀來測定。）

土壤監測采用烘干稱重法的方法,將所取的土樣進行稱重,放入烘干箱中加熱到100 ℃～105 ℃持續4 h ,加蓋冷卻,再進行稱重,分別按下式計算出質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刀,切割自然狀態下的土壤,使土壤恰好充滿環刀容積,然后稱量并根據土壤自然含水量計算每單位體積的烘干土重即土壤容重。由下式計算土壤容重:

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

土壤容重除用來計算土壤總孔隙度外,還可用于估計土壤的松緊和結構狀況。表1 為邢臺市不同區域的土壤容重測驗結果。

土壤含水量可用質量含水量和體積含水量表示。質量含水量: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。質量含水量常用百分數表示,計算公式如下:

式中:θm ─土壤質量含水量( %) ;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的土壤,尤其是土壤孔隙的容積比例,克服了質量含水量的不便之處。孔隙體積含水量用百分數表示:

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

1. 2 　土壤墑情監測頻率

邢臺市從2003 年開始旱情監測,監測內容包括降水量、地下水埋深、土壤墑情等內容。土壤含水量測定,在10 cm、20 cm、50 cm 的三個深度分別取樣,測定不同深度的土壤含水量。監測時間為每旬監測一次,每年3 月- 6 月,9 月- 11月監測(從2007 年開始,每旬監測兩次) 。在7 月、8 月份,由于降水量較大,大部分時間土壤處于飽和狀態,根據具體情況進行加測和抽測。由于北方氣候特點,在12 月到次年2 月,土壤表面處于結冰狀態。土壤中的冰將減少雨水和融雪水的下滲量,當冰的含水量足夠高時,土壤幾乎沒有透水性。凍土在冬季也儲存較多的水分,使其無法排出或蒸發。因此,該時段凍土區域水分含量相對比較穩定,結凍前的土壤含水量對整個冬季都有影響。

2 　土壤墑情預報方法及模型

對作物耕作層土壤水分的增長和消退程度進行預報,是制定合理的灌溉制度、進行適量灌溉、提高土壤水分利用效率的基礎和關鍵。田間土壤水分的變化過程不僅與土壤特性有關,而且還涉及到根系層與環境之間的水分交換(如降水、灌溉、蒸騰蒸發、根系層下邊界水分通量等) 。根據該區現有資料情況以及觀測技術等方面的原因,采用消退系數法。消退系數法是指根據土壤水垂向變化規律應用水文預報的方法推求逐日土壤消退系數K 值用來預測土壤水的變化情況。

表層土壤含水量隨著降水、灌溉、徑流、下滲、蒸發等因素的變化而變化。根據降雨產流理論和包氣帶水運移理論,對于一次降水而言,降水量為P,產流量為R ,初損水量為I ,則三者關系為:

R = P – I       (4)

而在降雨初損歷時中, 表層土壤與地面的水量平衡關系為:

I = Im - Pa      (5)

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

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

Pa, t + 1 = K ×Pa, t         (6)

如果t 日有降雨,但未產流,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; ti ─對應于Pi 的前期降雨距本次降雨的時間; Pa, t , Pa, t + 1 ─t 時的和t 時后一日的前期影響雨量; Pt ─t時刻降水量(mm) 。

當Pa, t + Pt ≥Im 時,以Im 值作為Pa 的上限值計算。

考慮灌溉和農作物根系分布特點,其研究的目標層是敏感層(0～0.2 m) 和根系發育層(0～0.5 m) 。依據上述降雨徑流預報理論,把表示根系發育層土壤水分的量化指標稱為墑情指標,則墑情指標計算公式可表示為 :

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(mm) ; Pt ─第t 日的降水量(雨量較小不產流的情況下) ; Qt ─第t 日的灌水量(mm) ; Kt ─第t 日的土壤水分消退系數。

3 　土壤墑情日消退系數K 的確定

土壤水分消退系數K 是墑情預報模型中的重要參數之一,它反映了土壤特性、下墊面、農作物生長階段和需水、氣象等綜合因素。根據邢臺市22 個墑情監測站3 年監測資料確定土壤墑情日消退系數。選擇時段兩測次中無降水且退墑較明顯的時段,選取不同土深的垂線平均時段初土壤含水率θ1 和時段末土壤含水率θ2 以及時段初與時段末的間隔天數t , 按下式計算消退系數:

式中: K ─土壤日消退系數;θ1 ─時段初不同深度平均土壤含水率;θ2 ─時段末平均深度的土壤含水率; t ─時段間隔天數。在確定資料時,通過分析,對數據異常的資料將不予采用,這是因為在實際觀測中,由于采用人工取土,難免會存在誤差,還有可能是地面積水等使土壤含水率過大,都會導致資料失真。通過分析篩選后,以達到去偽存真的目的。表2 為邢臺市土壤墑情日消退系數每旬取值分析成果。

4 　土壤墑情實施預報

墑情預報是對作物根系層土壤水分增長和消退過程進行預報,是進行適時適量灌水的基礎。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、灌溉時間、灌溉定額等3 個方面進行預報。

4. 1 　土壤含水率預報模型

根據每旬的土壤墑情日消退系數,可以利用公式(8) ,由t日的土壤含水量,預測( t + n) 日的土壤含水量。計算公式為:

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

式中:θa, t ─第t 日墑情指數計算值, mm;θa, t + n ─第( t + n) 日墑情指數計算值,mm; Pt ─預測t 日的降水量,mm; Qt ─t 日的灌溉水量,mm; Kt ─t 日的消退系數,根據不同時段取不同的K 值。

如果預測時段跨旬,說明K 值不同,則要根據不同天數進行計算。如,根據3 月18 日土壤墑情指數,預測3 月22 日的墑情指數,時間在3 月中旬和下旬兩個時段,則計算公式為:

θa, t + 5 = K31×K22×θa, t        (11)

在預測時段內,遇到降水(或灌溉) ,則要對降水前后段分開計算。如,根據5 月11 日土壤墑情指標,預測5 月18 日土壤含水量;在5 月15 日發生降水,則計算方法為,先計算5 月15 日降水前5 天的土壤含水量,然后根據該時期的土壤含水量和降水量計算,計算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 各監測站墑情監測資料,對各站不同月份實測土壤墑情資料和預測土壤墑情資料進行對比分析。選擇該時段無降水過程,5 天后監測土壤墑情和預測計算的土壤墑情進行誤差評定。評價結果見表3 。通過對22 個站隨機抽查評價結果分析,誤差不超過±5 %的有20 站,占評價總數的90.9 %。

4. 2 　灌水時間預測模型

用灌水時間模型預測旱情發生的時間,以便實施灌溉。根據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, 就要及時灌溉, 預測期間的實際天數(即灌水時間) 。計算公式為:

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

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

式中: P ─降水量(mm) ; h ─計算土層厚度(mm) 。

如土層厚度500 mm 計,時段降水量為6 mm ,則該降水量產生的土壤體積含水量為1.2 %。

舉例:2007 年4 月16 日測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 % ,預測需要幾天后進行灌溉?

實測土壤體積含水量22 % ,5 月中旬的土壤日消退系數為0.989 ,預測土壤體積含水量下降到21 %時的時間,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 后需要對農田進行灌溉。