基于數(shù)值模擬的新疆灌溉水田間入滲系數(shù)研究

劉苗苗，楊 麗，李 斐，王水獻(xiàn)

(蘭州大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，蘭州 730000)

0 引 言

在我國干旱內(nèi)陸地區(qū)，地下水是人類生活、生產(chǎn)以及維護(hù)生態(tài)環(huán)境重要的淡水資源，是灌溉用水的主要來源之一，而地下水補(bǔ)給來源超過80%來自于渠系及田間滲漏[1]。新中國成立后的幾十年來，大多數(shù)地區(qū)主要采用了傳統(tǒng)的漫灌、畦灌等方式，這些灌溉方式滲漏量很大。隨著規(guī)?；?jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展，地下水補(bǔ)排關(guān)系發(fā)生了一系列復(fù)雜的變化，地下水資源的變化引起了干旱區(qū)一系列的生態(tài)問題。為精確評(píng)價(jià)地下水資源量，關(guān)鍵問題是確定合理的灌溉水田間入滲系數(shù)，這對(duì)地下水資源的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

新疆典型的大陸性干旱氣候及其地域限制使得農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)灌溉具有很強(qiáng)的依賴性，農(nóng)業(yè)用水約占總生產(chǎn)生活用水量的95%且用水來源以地表水為主，地下水為輔[2]，其中地下水的持續(xù)開采利用使得地下水位下降，同時(shí)，新疆規(guī)?；?jié)水灌溉面積發(fā)展較快且高于全國平均水平[3]，使得地下水補(bǔ)給量減少，加劇了地下水位的下降，這些都與規(guī)模化節(jié)水灌溉的發(fā)展有關(guān)，目前常見的節(jié)水灌溉技術(shù)具有顯著的節(jié)水效果，例如滴灌條件下田間沒有產(chǎn)生明顯的土壤水滲漏現(xiàn)象[4]，采用高頻次小定額的灌水方式也能有效避免深層滲漏損失[5]。目前對(duì)農(nóng)田土壤水深層滲漏量的測(cè)定主要有水量平衡法、定位通量法、數(shù)值模擬法等[6-7]。其中模型模擬法被廣泛應(yīng)用于華北平原、黃淮海豫北平原、河套灌區(qū)等[8-10]，同時(shí)，計(jì)算機(jī)模型已經(jīng)發(fā)展成一種分析灌溉、土壤水分入滲[11]和作物生長(zhǎng)[12]的重要工具。畢經(jīng)偉用HYDRUS-1D模型對(duì)土壤水滲漏及硝態(tài)氮的淋失特征進(jìn)行了模擬分析[13]，胡克林用該模型對(duì)選取不同下邊界條件下的土壤水滲漏情況進(jìn)行模擬[14]，但灌溉用水的變化量是通過平衡方程計(jì)算的，通過模型對(duì)此進(jìn)行的模擬研究相對(duì)較少。

本研究選取新疆三工河流域試驗(yàn)區(qū)為研究對(duì)象，利用已有的田間試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，構(gòu)建田間一維土壤水分?jǐn)?shù)值模型，并對(duì)模型進(jìn)行率定，利用校正后的數(shù)值模型，研究了不同灌溉模式下的灌溉水田間入滲系數(shù)，研究結(jié)果對(duì)干旱區(qū)規(guī)?；?jié)水措施下地下水資源的定量評(píng)價(jià)和管理有著重要的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

三工河流域位于天山北麓中段東部，準(zhǔn)噶爾盆地南緣，地理坐標(biāo)43°09′～45°29′N，87°47′～88°17′E，行政區(qū)屬新疆昌吉州阜康市。流域總面積1 670 km2，屬內(nèi)陸干旱區(qū)，流域內(nèi)主要有三工河、四工河、水磨河，均發(fā)源于博格達(dá)山北麓。流域多年平均降水量為207.8 mm，多年平均蒸發(fā)量為1 850.7 mm，晝夜溫差大，夏季炎熱干旱，冬季寒冷多風(fēng)，水資源短缺，植被稀少，但光熱資源豐富，灌溉農(nóng)業(yè)具有很大潛力[15]。

1.2 田間監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

在三工河流域的城關(guān)鄉(xiāng)張家莊村開展灌溉入滲試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)土壤含水量的變化情況，利用中子儀測(cè)定不同時(shí)刻的土壤含水量，監(jiān)測(cè)期為2004年4月24日至8月的灌溉期，監(jiān)測(cè)方法為灌水前1天、灌水結(jié)束后地面無積水時(shí)(1～3 h)、灌水后第1天、第2天、第3天，其余時(shí)段每月5、10、15、20、25日和月末日觀測(cè)。

根據(jù)觀測(cè)資料擬定模擬土層深度為200 cm并分為5層，0～20 cm是砂壤土，20～50 cm是砂質(zhì)黏壤土，50～80 cm是粉土，80～120 cm是砂性土，120～200 cm是砂壤土。各土壤水力參數(shù)為HYDRUS-1D模型土壤水分特征曲線參數(shù)模塊的數(shù)值，各經(jīng)驗(yàn)值如表1所示。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤水力參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值Tab.1 Empirical value of the soil hydraulic parameters in study area

1.3 數(shù)值模型

1.3.1 模型簡(jiǎn)介

HYDRUS-1D是由美國農(nóng)業(yè)部鹽土實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一款用于模擬水分、溶質(zhì)和能量在一維非飽和多孔隙介質(zhì)中運(yùn)移的一維數(shù)值模型[16]，模型考慮了作物根系吸水和土壤持水能力的滯后影響[17]，適用于恒定或非恒定的邊界條件且具有靈活的輸入輸出功能。

1.3.2 時(shí)間和空間離散

模擬時(shí)間從2004年4月25日至7月20日總計(jì)87 d，采用變時(shí)間步長(zhǎng)剖分方式，根據(jù)收斂迭代次數(shù)調(diào)整時(shí)間步長(zhǎng)，允許最小時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 d，最大時(shí)間步長(zhǎng)為1 d。

模型模擬土層為深度200 cm的垂直剖面，將一維的土壤剖面按2 cm等間隔剖分為101個(gè)單元。在上述土層剖分的基礎(chǔ)上，根據(jù)土壤剖面特性和實(shí)測(cè)的土壤質(zhì)地，將土壤分為0～20、20～50、50～80、80～120、120～200 cm五層，并賦予不同的土壤水力參數(shù)值，并分別在10、30、40、80、120和200 cm深處設(shè)置6個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。

1.3.3 蒸散發(fā)的計(jì)算

根據(jù)1998年聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith(PM)公式作為計(jì)算參考作物蒸發(fā)蒸騰量的標(biāo)準(zhǔn)方法[18]，所用到的氣象數(shù)據(jù)由中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)提供：

(1)

式中：ET0為參考作物蒸發(fā)蒸騰量，mm/d；Rn為凈太陽輻射，J/(m2·d)；G為土壤熱通量，J/(m2·d)；ea為飽和水汽壓，kPa；ed為實(shí)際水汽壓，kPa；γ為濕度計(jì)常數(shù)，kPa/℃；Δ為溫度-飽和水汽壓關(guān)系曲線在T處的切線斜率，kPa/℃；U10為距地表10 m處的風(fēng)速，m/s。

HYDRUS模型應(yīng)用Beer定律，將Penman-Monteith公式計(jì)算得到的潛在蒸散量分為潛在蒸發(fā)(Ep)和潛在蒸騰(Tp)：

(2)

式中：k為冠層的消光系數(shù)，模型中默認(rèn)為0.39[17]；LAI為葉面積指數(shù)，參考值基于LAI預(yù)測(cè)函數(shù)模型[19]，播種前取值0.3，幼苗期1.5，開花期2.3，結(jié)莢期為3。

1.4 土壤水力參數(shù)敏感性分析

用HYDRUS-1D模型模擬田間土壤水分運(yùn)動(dòng)的精度主要取決于土壤水力參數(shù)的選取，為提高模型精度，需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，首先采用單因素敏感性分析法進(jìn)行參數(shù)敏感性分析[20]，即每次只選擇某一土層的某一參數(shù)，在模型能正常運(yùn)行的情況下對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)改變，得到新的模擬結(jié)果，利用模擬前后的田間含水量平均值的變化量進(jìn)行敏感性系數(shù)S的計(jì)算，定量分析某一參數(shù)的改變對(duì)模型結(jié)果的影響程度。

(3)

式中：X是參數(shù)值；Y是模擬值；ΔX和ΔY是兩者的改變量。

1.5 誤差分析

采用均方根誤差(root mean square error，RMSE)和相對(duì)誤差(relative error，RE)兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來定量評(píng)價(jià)參數(shù)改進(jìn)前后模型的土壤含水量模擬效果[21]，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算公式為：

(5)

式中：si和oi分別為第i個(gè)樣本的模擬值和實(shí)測(cè)值；N為樣本個(gè)數(shù)。

均方根誤差(RMSE)反映模擬值與實(shí)測(cè)值絕對(duì)誤差的平均程度，相對(duì)誤差(RE)反映模擬值與實(shí)測(cè)值總量之間的相對(duì)誤差。

2 結(jié)果與討論

2.1 參數(shù)敏感性分析和模型的率定

根據(jù)公式(3)分析得到的不同深度土壤含水量對(duì)應(yīng)的敏感性系數(shù)如表2所示，各層土壤的水力參數(shù)對(duì)相應(yīng)土層的土壤含水量影響最大，對(duì)于0～20、20～40、80～120和120～200 cm土層，敏感性系數(shù)超過0.4的參數(shù)有土壤飽和含水率θs、孔徑指數(shù)n；對(duì)于40～80 cm土層，敏感性系數(shù)超過0.4的參數(shù)只有孔徑指數(shù)n；土壤含水率對(duì)其他參數(shù)的變化敏感程度不高且隨著土層深度的增加敏感性降低；各土層的土壤含水量對(duì)土壤殘余含水率θr及a都不敏感，但對(duì)孔徑指數(shù)n均敏感，這是因?yàn)関an Genuchten 模型中n為ab的指數(shù)次冪，所以對(duì)土壤含水量均有影響。

表2 各層土壤水力參數(shù)敏感性分析Tab.2 Soil hydraulic parameters sensitivity analysis in each layer

注：表中數(shù)值均為敏感性系數(shù)的絕對(duì)值，*表示敏感性系數(shù)絕對(duì)值超過0.2。

在模型中輸入試驗(yàn)田的特征參數(shù)、降雨、計(jì)算蒸散發(fā)所用數(shù)據(jù)和初始土壤含水量分布。先按土壤水力參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行模擬，在一個(gè)完整灌溉周期內(nèi)，選取4月25日至5月31日的土壤含水量實(shí)測(cè)值與模擬值進(jìn)行對(duì)比，再通過敏感性分析得到的結(jié)果重點(diǎn)對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，重復(fù)調(diào)參直至實(shí)測(cè)值與模擬值充分接近，達(dá)到兩者之間均方根誤差最小，所得參數(shù)即為最終率定參數(shù)，模型識(shí)別后的參數(shù)見表3。

表3 模型識(shí)別后的土壤水力參數(shù)值Tab.3 Model verification of the soil hydraulic parameter values

將率定后的土壤水力參數(shù)重新代入模型對(duì)土壤含水量進(jìn)行模擬，采用6月1日至7月20日的土壤含水量實(shí)測(cè)值對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果的散點(diǎn)圖如圖1所示，各評(píng)價(jià)指標(biāo)的值如表4所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)土壤含水量模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比圖Fig.1 Comparison of simulation values with observation values of soil water contents in study area

圖1是土壤含水量模擬結(jié)果的散點(diǎn)圖，表層土壤含水量的模擬結(jié)果相對(duì)較差，深層土壤含水量的模擬結(jié)果相對(duì)較好，各點(diǎn)均勻分布在1:1線兩側(cè)。

表4 土壤含水量模擬值與實(shí)測(cè)值誤差分析Tab.4 The result of error analysis between the simulation value and the observation value

從表4可以看出，模型在模擬40、80、120、200 cm深度土壤含水量時(shí)效果良好，但在模擬土壤淺層10、20 cm含水量時(shí)與實(shí)測(cè)值存在一定偏差，分析原因主要是由于灌溉后土壤水未完全下滲時(shí)土壤含水量偏大造成的。總體來看模擬結(jié)果良好，運(yùn)用HYDRUS-1D模型對(duì)該條件下土壤水分運(yùn)移進(jìn)行模擬是可行的。

2.2 不同灌溉模式下的田間入滲系數(shù)

利用識(shí)別后的模型，參考2014年新疆維吾爾自治區(qū)關(guān)于三工河流域的農(nóng)業(yè)灌溉用水定額地方標(biāo)準(zhǔn)，選取豆類作物為研究對(duì)象，分別對(duì)傳統(tǒng)灌溉(4 500 m3/hm2)和節(jié)水灌溉(3 375 m3/hm2)下的田間土壤水運(yùn)移進(jìn)行模擬，分析水量平衡結(jié)果，確定合理的田間灌水定額。初始灌溉方式及灌水定額詳見表5，將豆類的生長(zhǎng)期(87 d)分為播前，幼苗期，開花期和結(jié)莢期4個(gè)階段，再根據(jù)作物不同生長(zhǎng)階段的需水量確定灌水定額及次數(shù)。

2.2.1 傳統(tǒng)灌溉水量平衡分析

根據(jù)表5所示的灌溉模式模擬的水量平衡結(jié)果如表6所示，不同生長(zhǎng)階段的耗水量不同，生長(zhǎng)初期，作物耗水以蒸散發(fā)為主，隨著作物的生長(zhǎng)，根系吸水量逐漸增大，模型輸出的蓄變量反映模擬土層與其下土層的水量交換。模擬蓄變量為157.32 mm，水量平衡計(jì)算值為156.58 mm，誤差0.5%。降水和灌溉總量的48.8%為滲漏損失，同時(shí)，滲漏量占灌溉量的54.2%。

表5 不同灌溉方式及灌水定額Tab.5 Irrigation scheduling and irrigation quota

在同樣的土壤質(zhì)地條件下，任玉忠研究了灌溉水深層滲漏特性及耗水規(guī)律，通過HYDRUS-1D模擬及數(shù)值計(jì)算下的傳統(tǒng)灌溉田間入滲系數(shù)分別為0.6和 0.551[22]。陳莉研究得出新疆灌溉水田間入滲系數(shù)均值為0.486[23]，周和平計(jì)算出新疆東部2009年的系數(shù)為0.534[24]。孫寶林研究表明新疆灌溉區(qū)為地下水補(bǔ)給來源的主要區(qū)域，8.4%的平原灌溉區(qū)所補(bǔ)給的地下水量占總補(bǔ)給量的82.6%[25]。綜上所述，灌溉水的田間入滲系數(shù)介于0.5～0.7之間，為地下水提供大量補(bǔ)給，隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣，需對(duì)系數(shù)做進(jìn)一步的研究。

表6 傳統(tǒng)灌溉模式下的水量平衡Tab.6 Water balance of conventional irrigation

2.2.2 節(jié)水灌溉水量平衡分析

根據(jù)表6作物各生長(zhǎng)階段的需水量及蒸散發(fā)[26]，其中作物需水量為參考作物蒸散發(fā)乘作物系數(shù)[27]，由式(1)可得新疆三工河流域的參考作物蒸散發(fā)為622.3 mm。對(duì)表5所示的節(jié)水灌溉模式進(jìn)行模擬的結(jié)果如表7所示，模型模擬蓄變量為154.90 mm，計(jì)算值為153.06 mm，誤差1.2%，與表6相比，新的灌溉模式下作物各生長(zhǎng)階段的滲漏損失均有所降低，降水和灌溉總量的29.4%為滲漏損失，同時(shí)，滲漏量占灌溉量的33.7%，總體來看，灌溉水滲漏損失由54.2%降到33.7%。

節(jié)水灌溉模式下灌溉水田間入滲系數(shù)有所降低，究其原因，是在滿足作物各階段需水量的同時(shí)，降低了灌水定額，增加了灌水次數(shù)，使得作物不同生長(zhǎng)期的入滲系數(shù)均有所降低；本研究中作物播前期及幼苗期的入滲系數(shù)略大于總的入滲系數(shù)，因此還可以對(duì)該生長(zhǎng)期灌溉水量進(jìn)行調(diào)整，在之后的生產(chǎn)中，可以針對(duì)不同作物各生長(zhǎng)階段的不同需水量來調(diào)整灌水定額及次數(shù)，并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件，制定適合不同作物的節(jié)水灌溉模式。

表7 節(jié)水灌溉模式下的水量平衡Tab.7 Water balance of water-saving irrigation

總結(jié)近年來各學(xué)者基于不同評(píng)價(jià)方法對(duì)新疆各地區(qū)灌溉水滲漏問題的研究，與本文模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。如表8所示，基于不同方法得到的傳統(tǒng)灌溉模式下新疆灌溉水田間入滲系數(shù)為0.6左右，節(jié)水灌溉模式下的田間入滲系數(shù)為0.3左右，變幅較大為節(jié)水灌溉模式不同所致。本文模擬的兩種灌溉模式下的系數(shù)分別為0.542和0.337，與前人的研究成果相近，具有較高的可靠性。

表8 新疆各地區(qū)田間入滲系數(shù)結(jié)果對(duì)比Tab.8 Comparison of field infiltration coefficient in Xinjiang

3 結(jié) 語

應(yīng)用HYDRUS-1D模型模擬了豆類作物在整個(gè)生長(zhǎng)期的土壤水分動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)田間土壤水量平衡進(jìn)行分析計(jì)算，誤差控制在1.5%以內(nèi)，表明利用該模型對(duì)流域進(jìn)行灌溉水田間入滲系數(shù)預(yù)測(cè)是可行的。

通過土壤水分動(dòng)態(tài)變化分析及田間土壤水量平衡計(jì)算，在傳統(tǒng)灌溉模式下，作物四個(gè)生長(zhǎng)期的田間入滲系數(shù)分別為0.602，0.563，0.525，0.462；在同樣的條件下，考慮作物在不同生長(zhǎng)期的需水量，所得節(jié)水灌溉的系數(shù)分別為0.392，0.419，0.325，0.286，不同生長(zhǎng)期入滲系數(shù)的不同會(huì)導(dǎo)致地下水資源周期性變化，對(duì)新疆地下水的開發(fā)利用具有參考價(jià)值。

傳統(tǒng)灌溉下的田間入滲系數(shù)介于0.542～0.662之間，與此同時(shí)，節(jié)水灌溉的田間入滲系數(shù)介于0.337～0.410之間。規(guī)?；?jié)水灌溉技術(shù)的推廣使?jié)B漏損失減少了近20%，有效的提高了水資源利用效率，然而這加劇了地下水資源的衰減。對(duì)干旱地區(qū)來講，田間入滲系數(shù)的降低意味著地下水的補(bǔ)給量減少，在現(xiàn)有的開采模式下必然會(huì)加劇地下水位的持續(xù)下降。隨著限制開采等措施的實(shí)施，地下水資源也隨之發(fā)生變化，將所得的灌溉水田間入滲系數(shù)與新疆各灌區(qū)結(jié)合，能為新疆地下水資源的評(píng)價(jià)與管理提供理論支持。

□

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