衡水市土壤墑情變化規(guī)律及預(yù)報(bào)分析

陳 曉，趙悅?cè)A，安國慶

（河北省衡水水文水資源勘測(cè)局，河北 衡水053000）

1 試驗(yàn)站概況

1.1 區(qū)域概況

衡水水文實(shí)驗(yàn)站位于衡水市區(qū)趙家圈鎮(zhèn)，成立于1983年，占地3.06hm2，東經(jīng)115°30′，北緯37°45′，海拔25m，屬華北沖積平原。周圍為農(nóng)作物區(qū)，以小麥、玉米、棉花、谷類為主，植物覆蓋率70%，土壤為輕壤土。衡水水文實(shí)驗(yàn)站已經(jīng)升級(jí)為國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)站，主要研究降水、地表水、土壤水及地下水，為水資源計(jì)算評(píng)價(jià)提供重要參數(shù)，為防汛抗旱提供科學(xué)指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)成果在農(nóng)業(yè)、水利、能源、交通、教學(xué)、科研等部門得到了廣泛的借鑒和應(yīng)用。

1.2 設(shè)立目的及觀測(cè)項(xiàng)目

該實(shí)驗(yàn)站設(shè)立目的是研究降水、地表水、土壤水及地下水4種水轉(zhuǎn)換規(guī)律。站內(nèi)設(shè)有氣象觀測(cè)場(chǎng)、水面蒸發(fā)場(chǎng)和土壤蒸發(fā)場(chǎng)、排鹽實(shí)驗(yàn)區(qū)和灌排實(shí)驗(yàn)區(qū)，配有各種氣象觀測(cè)儀器、水面蒸發(fā)儀器及土壤蒸發(fā)儀器；同時(shí)還設(shè)有地下水埋深及土壤含水率等觀測(cè)項(xiàng)目。

2 土壤墑情監(jiān)測(cè)

2.1 土壤含水率觀測(cè)

實(shí)驗(yàn)站實(shí)行全年觀測(cè)，封凍期停測(cè)。監(jiān)測(cè)期每5d觀測(cè)1次，即每月1，6，11，16，21，26日固定取樣觀測(cè)。為了準(zhǔn)確掌握土壤增墑情況，當(dāng)氣象預(yù)報(bào)某日達(dá)到大雨（日雨量25mm）以上時(shí)，應(yīng)在雨前加測(cè)1次。汛期（6～9月）日雨量超過50mm時(shí)，每日8：00觀測(cè)1次，直至墑情變化穩(wěn)定為止。日雨量在25～50mm時(shí)，每隔1日8：00觀測(cè)1次，直至墑情變化穩(wěn)定為止。日雨量在25mm以下時(shí)，一般可不進(jìn)行變化過程的觀測(cè)。非汛期（10～5月）日雨量超過10mm時(shí)，再進(jìn)行土壤含水率變化過程直至穩(wěn)定。灌溉前加測(cè)1次，灌溉后測(cè)土壤含水率變化過程，即自該日起每日8：00觀測(cè)1次，直至墑情變化穩(wěn)定為止。土壤含水率的觀測(cè)深度分別為0.1，0.2，0.5，0.8m，土壤含水率的測(cè)定方法采用烘干法，是當(dāng)前測(cè)定土壤含水率最常用的一種方法。

2.2 測(cè)定土壤含水率步驟

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地取土點(diǎn)按要求深度取土樣，裝入鋁盒中并進(jìn)行編號(hào)記錄，用1/100精度天平稱重，將稱得的濕土加盒重G1記入記載表內(nèi)，然后放入烘箱，保持溫度在105 ℃～110 ℃之間4h；烘干后取出鋁盒，立即放在干燥器內(nèi)，待冷卻后稱得盒加干土重G2，以克為單位記至小數(shù)1位［1］。

計(jì)算土壤含水率公式：

式中 θ為土壤含水率（%）；G1為盒加濕土重（g）；G2為盒加干土重（g）；G0為盒重（g）。

2.3 土壤含水量各種系數(shù)的確定

各層土壤田間持水率，根據(jù)測(cè)定的土壤容重及土質(zhì)（該站為輕壤土），參照華北平原不同土質(zhì)的容重和田間持水量統(tǒng)計(jì)表，分析確定各土深的土壤田間持水率詳如表1。

表1 實(shí)驗(yàn)站土壤含水率系數(shù)

2.4 降水量

該站安裝自記雨量計(jì)和普通雨量器，按規(guī)定每年5月1日至10月1日用自記雨量計(jì)觀測(cè)，其他時(shí)間用普通雨量器量測(cè)。

3 墑情變化規(guī)律

3.1 退墑變化規(guī)律

3.1.1 退墑的物理過程及影響因素

降水或灌溉結(jié)束后，土壤含水率持續(xù)降低的現(xiàn)象稱為土壤退墑。土壤退墑的過程可分為3個(gè)階段：第1階段土壤濕潤，水分供給十分充足，此時(shí)土壤蒸發(fā)速度穩(wěn)定且蒸發(fā)量較大，退墑變化較明顯；當(dāng)土壤含水率低于土壤田間持水率時(shí)，進(jìn)入第2階段，土壤蒸發(fā)速度開始減小，此時(shí)對(duì)蒸發(fā)起作用的因素主要是土壤濕度；隨著水分的不斷消耗，土壤表層開始形成干化硬殼，毛管水上升達(dá)不到表層，此時(shí)進(jìn)入第3階段。土壤蒸發(fā)發(fā)生在土壤的內(nèi)部較深的土層中，蒸發(fā)的發(fā)生是由下層土壤水分或地下水上升所致，蒸發(fā)速度變得緩慢，直至達(dá)到枯萎含水量，土壤蒸發(fā)基本停止。

影響土壤退墑的主要因素是土壤蒸發(fā)和植物蒸散發(fā)。而土壤蒸發(fā)和植物蒸散發(fā)均與土壤含水量有著非常密切的關(guān)系，同時(shí)也與土壤的特征、作物生長狀況及氣象因素有關(guān)。對(duì)同一監(jiān)測(cè)站點(diǎn)而言，氣象因素、作物生長周期甚至土壤含水量都呈明顯性周期變化，其變化周期為一年。如作物何時(shí)播種、何時(shí)收割在每年中的日期都基本固定。而在一年中的不同季節(jié)，土壤含水量的消退程度有很大差異。為此，對(duì)土壤含水量的消退規(guī)律按不同的月份進(jìn)行分析研究，探討土壤退墑隨季節(jié)的變化規(guī)律，根據(jù)前期含水率、后期含水率及相隔天數(shù)計(jì)算出期間土壤含水量消退系數(shù)，并按不同的月份統(tǒng)計(jì)出逐月平均消退系數(shù)，以便運(yùn)用這些消退系數(shù)對(duì)土壤的消退過程進(jìn)行推演。

3.1.2 土壤含水率消退系數(shù)

土壤消退系數(shù)K是表示土壤含水率消退程度的參數(shù)，其計(jì)算公式為：

式中 K為土壤含水率消退系數(shù)；θt為t日后土壤含水率（%）；θ0為時(shí)段初土壤含水率（%）；t為間隔日數(shù)（d）；

在無降水和灌溉的情況下，土壤含水率會(huì)隨時(shí)間的推移而逐步減小，即θt應(yīng)小于θ0，故K值應(yīng)小于1。K值越接近于1，則含水率消退越緩慢；K值越小，則含水率消退越快，土壤失墑就越嚴(yán)重。

3.1.3 土壤退墑消退系數(shù)K值計(jì)算

消退系數(shù)法指的是根據(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。本次退墑資料采用衡水實(shí)驗(yàn)站2010～2012年土壤含水率資料，選擇兩測(cè)次間無降水且退墑?shì)^明顯的時(shí)段，摘取0～0.8m垂線平均時(shí)段初土壤含水率θ0和時(shí)段末土壤含水率θt及時(shí)段初與時(shí)段末的間隔天數(shù)t［2］。消退系數(shù)K由公式k=（θt/θ0）1/t計(jì)算求得（如圖1），衡水實(shí)驗(yàn)站0～0.8m垂線平均土壤消退系數(shù)K計(jì)算成果如表2。

圖1 消退系數(shù)K值逐月變化趨勢(shì)

表2 各月平均消退系數(shù)

通過表2和圖1可以看出K值變化具有如下特點(diǎn)：3月為最高點(diǎn)，K值最大；5～7月為最低點(diǎn)，K值最小。5～7月氣溫高，作物生長快，作物失墑快；3月氣溫低，作物生長慢，作物失墑慢。由于封凍期無法進(jìn)行含水率監(jiān)測(cè)，因此沒有明確的K值，但是根據(jù)K值的定義和變化規(guī)律分析，最大K值應(yīng)該位于這個(gè)區(qū)間。按季節(jié)劃分，春秋季K值最大，失墑?shì)^慢；其次夏季K值較小，失墑?shì)^快。

3.1.4 土壤退墑?lì)A(yù)報(bào)方案驗(yàn)證（消退系數(shù)K值法）

選擇2013年兩測(cè)次間無降水且退墑?shì)^明顯的時(shí)段，摘取0～0.8m垂線平均時(shí)段初土壤含水率θ0和時(shí)段末土壤含水率θt及時(shí)段初與時(shí)段末的間隔天數(shù)t，利用求算出的不同月份0～0.8m垂線平均消退系數(shù)K計(jì)算預(yù)測(cè)土壤含水率θt并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比［3］。

GB/T22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》規(guī)定，預(yù)報(bào)值與實(shí)測(cè)值誤差小于±20%為合格預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)合格數(shù)量占全部預(yù)測(cè)總數(shù)的85%以上為甲級(jí)預(yù)報(bào)，75%～85%為乙級(jí)預(yù)報(bào)，65%～75%為丙級(jí)預(yù)報(bào)，其中甲級(jí)和乙級(jí)預(yù)報(bào)可以作為預(yù)報(bào)的依據(jù)，丙級(jí)預(yù)報(bào)可以作為預(yù)報(bào)的參考［4］。

退墑?lì)A(yù)報(bào)方案（土壤消退系數(shù)K值法）的評(píng)定結(jié)果詳如表3。

表3 0～0.8m土壤退墑?lì)A(yù)報(bào)驗(yàn)證表

經(jīng)表3計(jì)算驗(yàn)證，0～0.8m土壤退墑?lì)A(yù)報(bào)方案合格率為100%，達(dá)到甲級(jí)方案標(biāo)準(zhǔn)，可以用于正式的墑情預(yù)報(bào)方案。

3.2 增墑變化規(guī)律分析

3.2.1 增墑的物理過程

在田間，當(dāng)以某一強(qiáng)度進(jìn)行灌溉或降水時(shí)，地表水通過下滲進(jìn)入土壤成為土壤水，表層首先吸收水分，土壤含水率開始上升，隨著降水或灌溉的繼續(xù)，濕潤層開始向下延伸，下層含水率逐漸升高。剛開始土壤吸水速度較快，隨著時(shí)間延長，土壤含水率逐漸增加，土壤吸水速度逐漸減慢；當(dāng)降水或灌溉超過土壤的下滲強(qiáng)度時(shí)，地面可能產(chǎn)生積水并以地表徑流的形式流出農(nóng)田［5］。

3.2.2 降水形成增墑的趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析

降水是衡水市地下徑流和地下水的主要來源。本文研究的是降雨對(duì)增墑的影響，即滲入土壤中而又不至于形成重力水的那部分水量。本次選取汛期降水量在25mm以上，非汛期降水量在10mm以上，增墑明顯的時(shí)段，摘取降水量P，0～0.8m垂線平均的雨前土壤含水率θ0，降水停止后第1次測(cè)得土壤含水率θt，無觀測(cè)值的，則以土壤含水率消退公式推求。

土壤增墑變化過程如圖2。

圖2 降水量P～雨前土壤含水率θ0～雨后增墑Δθ趨勢(shì)圖（0～0.8m垂線平均）

（1）當(dāng)雨前土壤含水率相同情況下，降水量越大，土壤含水率增量Δθ越大。

（2）在降水量相同的情況下，雨前土壤含水率越小時(shí)，土壤含水率增量越大，雨前含水率θ0越大則增墑值Δθ越小。

由圖2可以看出，以θ0為參數(shù)的P～Δθ關(guān)系曲線的線性為指數(shù)曲線，其形式為：

將其轉(zhuǎn)換形式，則可得到以下公式:

式中 m、n均為常數(shù)，1/n=a，ln（m）/n=b，則：

Δθ=a×ln（P）-b

其中a、b為公式系數(shù)，對(duì)于一定的雨前土壤含水率θ0，a、b為一常量，但對(duì)不同的雨前土壤含水率θ0，a、b又各不相同，故a、b為雨前含水率的函數(shù)，如表4。

表4 雨前含水率函數(shù)

圖3 雨前含水率函數(shù)適配曲線

經(jīng)圖3試配公式，結(jié)果為：a=-0.183θ0+7.239，b=-0.347θ0+15.46。

3.2.3 增墑?lì)A(yù)報(bào)方案驗(yàn)證

參照GB/T22482—2008《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》，土壤含水率的允許誤差，采用實(shí)測(cè)值的±20%。增墑?lì)A(yù)報(bào)方案的評(píng)定結(jié)果如表5。

表5 土壤增墑?lì)A(yù)報(bào)方案（0～0.8m垂線平均）驗(yàn)證表

經(jīng)驗(yàn)證，增墑?lì)A(yù)報(bào)方案合格率為100%，達(dá)到甲級(jí)方案標(biāo)準(zhǔn)，可以用于正式的墑情預(yù)報(bào)方案。

4 結(jié)語

（1）通過分析實(shí)驗(yàn)站的實(shí)際觀測(cè)資料，計(jì)算得出了逐月消退系數(shù)，擬合了增墑經(jīng)驗(yàn)公式，確定了增退墑?lì)A(yù)報(bào)方案，經(jīng)過驗(yàn)證此兩種方案均滿足規(guī)范要求，可用于正式的墑情預(yù)報(bào)，對(duì)于指導(dǎo)農(nóng)田灌溉和農(nóng)業(yè)發(fā)展具有重要的意義。

（2）應(yīng)用的土壤墑情資料為2010～2013年，盡管本次所編制的增退墑?lì)A(yù)報(bào)方案經(jīng)誤差評(píng)定符合預(yù)報(bào)的要求，但是可供分析的資料系列短，特別是逐日觀測(cè)資料，而且雨前雨后觀測(cè)不是很及時(shí)，難免存在資料代表性以及精度的問題，今后需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、分析的范圍和準(zhǔn)確度，以進(jìn)一步提高土壤增退墑規(guī)律分析的精度，并進(jìn)行深入的研究。

［1］王春澤，喬光建，等.水文知識(shí)讀本［M］.北京：中國水利水電出版社，2011.

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