張志斌

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

當(dāng)前我國主要通過建立作物需水量與土壤含水量之間的關(guān)系來實(shí)現(xiàn)土壤墑情預(yù)測(cè)，通過分析土壤含水量對(duì)作物正常生長的影響程度來分析受干旱的影響損失[1]。土壤墑情的預(yù)測(cè)主要是分析農(nóng)作物正常生長需水是否能得到有效滿足[2]。土壤墑情的預(yù)報(bào)一般是對(duì)單站進(jìn)行預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多站綜合分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)區(qū)域的墑情預(yù)測(cè)[3]。受降水以及農(nóng)業(yè)灌溉影響土壤含水量呈現(xiàn)增長變化，而受區(qū)域蒸發(fā)以及農(nóng)作物蒸騰作用影響土壤含水量逐步減少，對(duì)于土壤墑情預(yù)測(cè)需要對(duì)墑情增加和減少的同步預(yù)測(cè)[4]。當(dāng)前，用于土壤墑情增墑和退墑研究取得一定成果[5- 15]，但大都從增墑和退墑的原理和理論展開研究，可操作程度不高，遼寧地區(qū)屬于干旱區(qū)域，土壤墑情預(yù)報(bào)對(duì)于農(nóng)業(yè)種植十分重要，為此本文結(jié)合遼寧省土壤墑情的特點(diǎn)建立土壤增墑和退墑模型，并以遼寧地區(qū)業(yè)主溝和黃臘坨兩個(gè)土壤墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)為實(shí)例，對(duì)增墑退墑?lì)A(yù)報(bào)方案構(gòu)建的步驟進(jìn)行介紹，并結(jié)合墑情站點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)構(gòu)建模型進(jìn)行了驗(yàn)證，研究成果可為各級(jí)政府防旱減災(zāi)決策提供參考。

1 增墑退墑模型的建立

1.1 退墑曲線原理

在無有效降雨條件下土壤含水量逐步消耗于土壤蒸發(fā)，其蒸發(fā)量和土壤含水量呈現(xiàn)線性變化，符合土壤前期影響雨量的計(jì)算方法，計(jì)算方程為：

θt+n=(αt+1αt+2Lαt+n)θt

(1)

式中，θt、θt+n—第t天和t+n天的土壤含水率，%；αt+1～αt+n—不同時(shí)段的土壤墑情衰減比例，本文假定不同土壤含水率監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間內(nèi)的衰減系數(shù)是一致的，因此可以將方程(1)進(jìn)行簡化計(jì)算：

θt+n=αnθt

(2)

式中，α—t+1～t+n天的衰減系數(shù)均值。

1.2 土壤含水量增值方程

土壤墑情增加的主要兩個(gè)因素分別為降水和農(nóng)業(yè)灌溉水量，在不考慮土壤包氣帶水分側(cè)向擴(kuò)散的前提下，結(jié)合水量平衡方程，對(duì)土壤墑情的增加量進(jìn)行計(jì)算。

ΔWs=F-f-E+Vg

(3)

F=P-Is-R

(4)

將式(3)和(4)進(jìn)行耦合：

ΔWs=P-Is-R-f-E+Vg

(5)

式中，ΔWs—土壤墑情的增量，mm；F—土壤水下滲總量量，mm；f—底層土壤的下滲到深層的水量,mm；E—土壤墑情增量間隔時(shí)間內(nèi)土壤表層水量的蒸發(fā)量；Is—植物冠層截留的水量,mm；R—降雨產(chǎn)生的直接徑流水量,mm；Vg—補(bǔ)給地下水的徑流量,mm。

2 增墑及退墑?lì)A(yù)報(bào)的建立

2.1 增墑?lì)A(yù)報(bào)方案的建立

當(dāng)?shù)乇韽搅骷爸参锕趯咏亓羲枯^小，且地下水埋深較大時(shí)，滲透水量很難補(bǔ)充作物根系需水要求，土壤包氣帶受毛管水補(bǔ)充量較低，或者地下水埋深變化較小且農(nóng)業(yè)灌溉水量缺少條件下，大氣降水可視為土壤水分增加的唯一來源。ΔWs受降雨和土壤蒸發(fā)影響，土壤蒸發(fā)與前期土壤含水量具有較好的相關(guān)度，因此可以構(gòu)建P-Ws，0-ΔWs三個(gè)參數(shù)的增墑?lì)A(yù)報(bào)模型。

建立增墑?lì)A(yù)報(bào)方案步驟

(1)結(jié)合墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的土壤含水量、蒸發(fā)皿蒸發(fā)、降水量、地下水位等觀測(cè)數(shù)據(jù)，以蒸發(fā)量E(mm)、地下水水位h(m)、不同土壤分層深度下的含水量觀測(cè)值、降水量作為縱坐標(biāo)，以觀測(cè)時(shí)間為橫坐標(biāo)繪制土壤墑情的變化過程。

(2)在土壤墑情變化過程圖上選擇場次降水量超過15mm且降水過后土壤墑情增加較為顯著的時(shí)間段，選取場次降水量P、降水前期的土壤含水率Ws，0以及土壤含水量的增量ΔWs，以Ws，0作為參數(shù)建立P-Ws，0-ΔWs的三參數(shù)土壤增墑?lì)A(yù)報(bào)方案。

P-Ws，0-ΔWs三參數(shù)各相關(guān)線均為指數(shù)型曲線，因此在繪制各墑情站點(diǎn)的三參數(shù)相關(guān)圖后，可將各曲線的P和ΔWs對(duì)應(yīng)值點(diǎn)繪在相關(guān)圖上，采用圖解方法對(duì)各曲線的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行推求，建立單站的土壤墑情增墑?lì)A(yù)報(bào)經(jīng)驗(yàn)方程，方程的具體表達(dá)式為：

P=aebΔWs

(6)

將式(6)轉(zhuǎn)換成

ΔWs=ln(P/a)/b

(7)

在已知某土壤墑情監(jiān)測(cè)站點(diǎn)土壤含水量日值和降雨實(shí)測(cè)值時(shí)，可采用查圖方式或采用經(jīng)驗(yàn)相關(guān)方程對(duì)場次降水后的土壤含量，即可以進(jìn)行土壤增墑的預(yù)報(bào)作業(yè)。

2.2 退墑?lì)A(yù)報(bào)方案的建立

退墑?lì)A(yù)報(bào)主要是進(jìn)行土壤含水率衰減系數(shù)的計(jì)算，其計(jì)算主要步驟為;

(1)選取歷史上干旱典型的年份，對(duì)連續(xù)無有效降水(P≤5mm)時(shí)段進(jìn)行摘錄。

(2)結(jié)合相鄰?fù)寥篮咳斯び^測(cè)的時(shí)間，進(jìn)行間隔天數(shù)的計(jì)算。

在衰減系數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)上，繪制土壤退墑曲線，具體步驟為：

(1)將計(jì)算的衰減系數(shù)系列值按照春秋、夏、冬不同季節(jié)進(jìn)行分組；

(2)將各組衰減系數(shù)及其對(duì)應(yīng)的土壤含水率進(jìn)行散點(diǎn)圖的繪制，并通過點(diǎn)群中心繪制相關(guān)線，得到計(jì)算站點(diǎn)的退墑曲線。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 區(qū)域旱情概況

本文選取的兩個(gè)站點(diǎn)分別位于遼寧省東中部，區(qū)域發(fā)生干旱的頻率較高，根據(jù)研究區(qū)春季降雨量分析，三月份降水量是春季各月份降水偏少的月份，春季干旱影響最為主要的玉米，若遭遇連續(xù)旱情，則可導(dǎo)致播種的不及時(shí)，對(duì)玉米的產(chǎn)量產(chǎn)生較大程度的影響。地區(qū)主要土壤類型為棕壤，土壤含水量季節(jié)性變化較為顯著，春季土壤含水率一般在15%左右，夏季由于降水量增加，土壤含水量可穩(wěn)定在60%～70%之間。冬季由于降水量較少，土壤含水量一般低于5%。為降低區(qū)域春季干旱對(duì)農(nóng)作物的影響，需要對(duì)區(qū)域土壤墑情進(jìn)行預(yù)報(bào)，從而為區(qū)域抗旱措施決策提供重要的依據(jù)。

3.2 增墑?lì)A(yù)報(bào)方案

收集整理業(yè)主溝、黃臘坨兩個(gè)土壤墑情觀測(cè)站點(diǎn)2010—2018年的土壤含水量、降水量、蒸發(fā)量、地下水觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)本溪地區(qū)的土壤增墑曲線進(jìn)行分析。

3月4日有降水，3月1日、11日有土壤墑情實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，則將3月1日觀測(cè)的土壤墑情數(shù)據(jù)采用退墑曲線計(jì)算得到3月3日的土壤含水率，結(jié)合3月11日土壤含水率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用退墑曲線分析得到3月5日的土壤含水率。

(1)對(duì)分析數(shù)據(jù)進(jìn)行合理性分析，對(duì)不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除。

(2)按照降雨前期土壤含水率的大小對(duì)摘錄數(shù)據(jù)進(jìn)行排序并分組。

(3)將不同分組單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)線分析，得到不同分組的P-ΔWs指數(shù)型式。

(4)將不同分組趨勢(shì)線進(jìn)行綜合分析，得到單個(gè)墑情站點(diǎn)或整個(gè)區(qū)域的P-Ws，0-ΔWs趨勢(shì)線(如圖1所示)和趨勢(shì)線參數(shù)，見表1—2。

從圖1中可看出，隨著降水量的增加，土壤含水量未達(dá)到飽和含水量之前，土壤墑情的增量逐步遞增，當(dāng)土壤含水量低于田間持水量，且降水量較小時(shí)，土壤墑情增量等于有效降水量，各增墑曲線下端區(qū)域于45°線平行線，無效降水量為其縱軸截距，且大于等于植物冠層截留的水量。當(dāng)土壤含水量達(dá)到田間持水量后，土壤水飽和，隨著降水量的增加，土壤墑情增量不再變化，為常數(shù)，產(chǎn)生地面徑流和地下徑流。因此，增墑曲線上部的坡度越來越大，逐步趨于與縱軸相平行。在同一降水條件下，土壤墑情增量ΔWs與雨前土壤含水量Ws，0呈負(fù)相關(guān)，前期土壤含水率越高則土壤水的增量越小。

圖1 各墑情站點(diǎn)土壤含水量增長曲線

表1 業(yè)主溝站不同雨前含水率對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)線參數(shù)

表2 黃臘坨不同雨前含水率對(duì)應(yīng)的趨勢(shì)線參數(shù)

3.3 退墑?lì)A(yù)報(bào)方案實(shí)例

以黃臘坨、業(yè)主溝兩站2016年3月1日至5月6日期間實(shí)測(cè)含水率為例說明退墑模型計(jì)算過程。見表3—4。

(1)對(duì)連續(xù)無效降水的時(shí)段進(jìn)行摘錄，計(jì)算間隔時(shí)段(天)。

(3)按此方法對(duì)相鄰時(shí)段的衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表5—6。

表3 南甸站2016年3—5月含水率

表4 業(yè)主溝站2016年3—5月含水率

表5 黃臘坨衰減系數(shù)計(jì)算結(jié)果

表6 業(yè)主溝站衰減系數(shù)計(jì)算結(jié)果

(4)根據(jù)含水率和衰減系數(shù)畫出散點(diǎn)圖，點(diǎn)出趨勢(shì)線和擬合公式，如圖2所示。

圖2 各站點(diǎn)退墑曲線

研究地區(qū)土壤退墑具有明顯的季節(jié)變化特征，夏季由于濕度較低，蒸發(fā)量較大，使得作物需水增多，土壤墑情消退速率較大。而冬季蒸發(fā)較小，作物需水較低，土壤墑情消退速率最低。春、秋季的土壤墑情消退速率介于兩個(gè)季節(jié)之間。從圖2中兩個(gè)站點(diǎn)的退墑曲線可看出，各站點(diǎn)土壤墑情的衰減系數(shù)隨著土壤含水率的增加而遞減，當(dāng)土壤含水率初始值較大時(shí)，土壤含水量的補(bǔ)給較為充分，土壤含水率消退速率較大，衰減系數(shù)較低；反之，衰減系數(shù)較大。當(dāng)土壤含水量初始值小于凋萎含水量時(shí)，土壤墑情消退速率趨近與于0，衰減系數(shù)接近于1.0。

4 模型驗(yàn)證

4.1 增墑?lì)A(yù)報(bào)驗(yàn)證

選取研究地區(qū)3月31日—4月1日的土壤含水率和降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)土壤增墑模型進(jìn)行驗(yàn)證，各站點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果見表7—8，從驗(yàn)證結(jié)果可看出，計(jì)算的土壤含水率和實(shí)測(cè)含水率之間的誤差均在10%以內(nèi)，滿足增墑?lì)A(yù)報(bào)的精度需求。

4.2 退墑?lì)A(yù)報(bào)驗(yàn)證

選取未參與率定的無降雨時(shí)段，2014年3月12—14日、4月19—23日對(duì)退墑模型進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)合不同時(shí)段土壤含水率初值、衰減系數(shù)對(duì)日含水率進(jìn)行計(jì)算，并與實(shí)測(cè)含水率進(jìn)行對(duì)比分析，如圖3所示。對(duì)圖中6個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，實(shí)測(cè)值和計(jì)算值之間的絕對(duì)誤差的平均值為0.67%，符合土壤墑情監(jiān)測(cè)誤差在2%以內(nèi)的規(guī)范要求，可在實(shí)際的工作中進(jìn)行應(yīng)用。

5 結(jié)語

(1)在構(gòu)建區(qū)域增墑和退墑?lì)A(yù)報(bào)方案時(shí)，需要對(duì)墑情監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性和合理性分析，對(duì)于異常數(shù)據(jù)需要進(jìn)行篩選，將不合理的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，從而保證增墑和退墑方案的預(yù)報(bào)精度。

表7 業(yè)主溝站墑情預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)結(jié)果

表8 黃臘坨站墑情預(yù)報(bào)模型預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 各站點(diǎn)退墑曲線

(2)通過土壤墑情預(yù)報(bào)模型對(duì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的過濾，使得自動(dòng)墑情數(shù)據(jù)能夠滿足生產(chǎn)需要，充分發(fā)揮了國家防汛抗旱指揮系統(tǒng)建設(shè)一期的墑情自動(dòng)監(jiān)測(cè)的作用，減少了干旱期間人工加密監(jiān)測(cè)的頻次，節(jié)省了大量的人力物力。