新疆干旱區(qū)膜下滴灌土壤水平衡模擬

胡 越，陸寶宏,2，熊 絲， 王惠鳳， 程增輝， 陸建宇

(1.河海大學(xué)水文水資源學(xué)院，南京 210098；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；3.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

0 引 言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水占到全國(guó)用水總量60%以上[1]，尤其新疆地區(qū)水資源更加貧乏，其水資源短缺問題已嚴(yán)重制約了區(qū)域農(nóng)業(yè)的發(fā)展。因此，研究區(qū)域農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)對(duì)保障區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全，推動(dòng)新疆地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)步及經(jīng)濟(jì)持續(xù)繁榮具有重要意義。

近年來，新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)一直不斷探索節(jié)水灌溉種植方式，其中膜下滴灌將薄膜覆蓋技術(shù)與滴灌技術(shù)相結(jié)合，能夠在保證作物正常生長(zhǎng)發(fā)育同時(shí)，最大限度節(jié)約水資源，是多種灌溉技術(shù)中最為有效的一種新型農(nóng)田灌溉技術(shù)[2]。迄今為止，在模擬不同灌溉條件下的土壤水分運(yùn)動(dòng)方面，眾多專家學(xué)者做了大量針對(duì)性研究并取得一系列成果。張建軍[3]較好地模擬了滴灌條件下的土壤水運(yùn)動(dòng)狀況，并給出了不同灌水量和滴頭流量對(duì)土壤含水率的影響；劉群昌[4]等模擬了隔畦灌溉在不同深度的土壤水運(yùn)動(dòng)情勢(shì)；李亮[5]研究了內(nèi)蒙古河套灌區(qū)荒地的土壤水分模擬問題；VB Bufon[6]等模擬并比較了德克薩斯高平原地下滴灌種植棉花灌溉前后土壤水變化；劉梅先[7]等模擬了新疆地區(qū)膜下滴灌膜中、管下和膜間等位置處土水情勢(shì)，并運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反演模型參數(shù)；李坡[8]等針對(duì)不同土壤類型，分別作了適宜數(shù)值模擬，并推求了不同條件下需水量。上述研究成果在一定程度上推動(dòng)了我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)的發(fā)展。但是，關(guān)于土壤水平衡問題的研究仍然較少，尤其缺乏干旱區(qū)以1膜4行覆膜方式棉花種植研究。目前，1膜4行覆膜方式具有提高地膜覆蓋率、增加種植密度等優(yōu)勢(shì)，十分有利于實(shí)現(xiàn)作物的保產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)和增產(chǎn)，可在全國(guó)較大范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

鑒于此，本文以石河子試驗(yàn)站覆膜棉花種植觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，運(yùn)用HYDRUS-2D模型模擬棉花在生育期土壤水運(yùn)動(dòng)狀況，并分析了試驗(yàn)區(qū)土壤水平衡情勢(shì)，以期研究干旱灌區(qū)的土壤水平衡問題，為掌握干旱灌區(qū)土壤水平衡，促進(jìn)區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一定的參考。

1 研究區(qū)概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓中段，地處準(zhǔn)噶爾盆地南緣，歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，屬于典型的大陸性氣候干旱區(qū)。該流域介于東經(jīng)85°01′～86°32′，北緯43°27′～45°21′之間，流域面積19 800 km2，其中平原面積14 650 km2，是北疆重要的經(jīng)濟(jì)核心帶[9]。

本文即以瑪納斯河流域山前平原區(qū)石河子試驗(yàn)站為研究區(qū)域。試驗(yàn)地點(diǎn)位于新疆石河子大學(xué)節(jié)水灌溉試驗(yàn)站，屬瑪納斯河流域洪積沖積扇中部，年平均氣溫年平均7.4 ℃，日照時(shí)數(shù)為2 705 h，多年平均降雨量207 mm，年蒸發(fā)量1 506 mm(小型蒸發(fā)皿)，無霜期平均160 d，灌溉用水取自30 m淺井水，井水平均礦化度0.87 g/L，潛水位常年在7～11 m之間變化。

2 材料來源與方法

2.1 田間試驗(yàn)

本試驗(yàn)區(qū)為試驗(yàn)站B5小區(qū)，面積54 m2(5.4 m×10 m)。試驗(yàn)時(shí)間為2009年6-9月，即棉花的生育中期(6-8月)和生育末期(9月)。試驗(yàn)區(qū)原始土壤類型為荒漠灰鈣土，經(jīng)過多年耕作改良熟化為耕作灰漠土，土壤質(zhì)地為砂壤土， 肥力中等。土壤屬性見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤物理特性Tab.1 Soil physical characteristics in the test area

膜下滴灌采用1膜4行栽培種植模式(見圖1)：即1膜內(nèi)鋪設(shè)2條毛管，1 條毛管灌溉2行棉花，行距配置為30 cm +60 cm + 30 cm，即作物間距30 cm和60 cm，毛管間距90 cm，滴頭間距30 cm，膜間距40 cm，膜寬140 cm。基于數(shù)據(jù)精度，本次模擬從2009年7月27日至9月3日共計(jì)39 d。在模擬期內(nèi)，從7月27日起，每隔6～8 d灌水1次，共灌水5次，滴頭流量1～2 L/h。

圖1 1膜4行布置圖(單位：cm)Fig.1 The layout of one mulch with four rows

觀測(cè)內(nèi)容包括試驗(yàn)區(qū)水文氣象要素，如降水、蒸發(fā)、氣溫和日照等；以及土壤含水率。由于1膜2管4行種植具有高度對(duì)稱性，故從地膜中心位置處一分為二直到兩個(gè)地膜中間處截止為一個(gè)單元，水平向即為90 cm。土壤含水率觀測(cè)在豎直向上，地面以下5 cm為第一層次，地面以下10 cm是第二層次，往下每間隔10 cm觀測(cè)一次，直到距土壤表面100 cm處截止，觀測(cè)點(diǎn)分別布設(shè)在膜中、膜內(nèi)、管下、膜外和膜間5個(gè)位置處(如圖2)，共計(jì)46個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)頻度是每10 d一次，降雨后與灌溉前后加測(cè)。

圖2 土壤含水率觀測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 The disposal of observation points of soil water content

2.2 數(shù)學(xué)模型

HYDRUS-2D軟件由計(jì)算機(jī)程序和交互式圖形界面組成，基于有限元方法求解修改過的Richards方程來模擬二維飽和-非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)問題。本次模擬運(yùn)用HYDRUS-2D模型，建立新疆石河子地區(qū)基于1膜4行覆膜方式的棉花土壤水運(yùn)動(dòng)模型，采用實(shí)測(cè)土壤含水率數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)率定和模型檢驗(yàn)，最后用檢驗(yàn)好的模型分析膜下滴灌土壤水平衡情況。

2.2.1 模型構(gòu)建

1膜4行下的土壤水運(yùn)動(dòng)是三維問題，當(dāng)假設(shè)土壤均質(zhì)各向同性，且由于覆膜方式又具有對(duì)稱特性時(shí)，可模擬一個(gè)覆膜單元膜中間分開右側(cè)(左側(cè))，膜下滴灌問題即可簡(jiǎn)化為對(duì)稱線源二維問題。在模擬期內(nèi)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)依次輸入日降水量、日蒸散發(fā)量以及灌溉水量，模擬區(qū)域水平方向90 cm，豎直方向100 cm，生成三角形有限元網(wǎng)格，形成節(jié)點(diǎn)1 878個(gè)，為考慮水分運(yùn)動(dòng)和根系吸水兩個(gè)模擬過程，將土壤分層設(shè)置，其中0～40 cm為耕作層，40～100 cm為基層，考慮到棉花根系位于豎直方向20～60 cm范圍內(nèi)，水平向滴管處兩側(cè)各15 cm范圍內(nèi)，最低和最高時(shí)間步長(zhǎng)乘法因子取1.3和0.7，同時(shí)，以含水率方式指定初始條件，并依據(jù)實(shí)際土壤含水率觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置模擬觀測(cè)點(diǎn)，以便提高模型檢驗(yàn)效率。

2.2.2 基本方程

(1)土壤水運(yùn)動(dòng)方程?；诰€性的Galerkin有限元方法，模擬非飽和水流求解Richards方程：

(1)

式中：θ為土壤體積含水率，cm3/cm3；Kh為水力傳導(dǎo)度，cm/d；t為時(shí)間，d；h為土壤負(fù)壓水頭，cm；x代表水平方向，cm；z代表豎直方向，cm；S為源匯項(xiàng)，d-1。

(2)根系吸水?；贔eddes模型，求解源匯項(xiàng)S：

S(h)=α(h)β(x,z)Tp

(2)

式中：α(h)為水分脅迫影響函數(shù)；β(x,z)為根系吸水密度分布；Tp為潛在蒸騰速率，cm/d。

(3)土壤水分特征方程?；趘an Genuchten方程，求解土壤水分特征曲線θ(h)以及非飽和水力傳導(dǎo)度函數(shù)K(h)：

(3)

θ(h)=θs(h≥0)

(4)

K(h)=KsS0.5e[1-(1-S1/me)m]2(h≤0)

(5)

(6)

式中：θs為土壤飽和含水率，cm3/cm3；θr為土壤殘余含水率，cm3/cm3；Ks為飽和土壤導(dǎo)水率，cm/d；Se為土壤相對(duì)飽和度，cm3/cm3；α、n與m(m=1-1/n)是形狀參數(shù)，θ是土壤含水率，cm3/cm3。

2.2.3 初始條件和邊界條件

取2009年7月26日實(shí)測(cè)土壤含水率為初始土壤含水率，模擬區(qū)域初始含水率，見圖3。由模型邊界條件(見圖4)可知，由于模擬區(qū)域上邊界水平方向0～70 cm覆膜，故采用不透水邊界，但在滴管處考慮入滲半徑，此處采用變流量邊界，水平方向70～90 cm膜間裸露在大氣下，采用大氣邊界；不考慮地下水對(duì)模擬區(qū)影響，下邊界取自由排水邊界；模擬區(qū)左右對(duì)稱，因此左右邊界取不透水邊界。

圖3 初始含水率Fig.3 Initial water content

圖4 邊界條件Fig.4 Boundary condition

2.2.4 模型參數(shù)

(1)土壤水力參數(shù)。模擬區(qū)豎直方向(0～100 cm)土壤分為耕作層(0～40 cm)與基層(40～100 cm)，相應(yīng)土壤水力參數(shù)也要分層設(shè)置。以2009年7月27日至8月15日土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行擬合，率定后利用8月20日至9月3日的模擬值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行驗(yàn)證，經(jīng)均方根誤差(RMSE)評(píng)價(jià)，率定后的土壤水力參數(shù)滿足試驗(yàn)精度，具體數(shù)值見表2。

表2 土壤水力參數(shù)Tab.2 Soil hydraulic parameters

(2)根系吸水參數(shù)。 結(jié)合本次模擬實(shí)際情況，并查閱相關(guān)資料[10]，確定根系吸水的7個(gè)參數(shù)值，見表3。

表3 根系吸水參數(shù)Tab.3 Root water uptake parameters

3 結(jié)果分析與討論

3.1 不同位置處土壤含水率模擬

基于HYDRUS-2D模型，得到模擬期內(nèi)不同位置處土壤含水率值，并將其與實(shí)測(cè)土壤含水率進(jìn)行比較，見圖5。同時(shí)，以均方根誤差(RMSE)和平均相對(duì)誤差(RE)[11]，分析土壤含水率模擬精度，見表4。

圖5 不同位置處含水率比較Fig.5 The compassion of water content in different positions

評(píng)價(jià)指標(biāo)膜中膜內(nèi)管下膜外膜間RMSE(cm3·cm-3)0.0430.0580.0660.0610.051RE/%10.218.517.718.713.9

由表4可知，5個(gè)位置處RMSE均小于0.1，且RE在20% 以內(nèi)，說明誤差在可接受精度范圍內(nèi)，整體模擬效果較好。但膜外處RE相對(duì)較大，可能因此處上邊界是大氣邊界，易受降水、蒸發(fā)以及左側(cè)灌溉水等因素綜合影響，因而土壤含水率變化較大，再結(jié)合圖5(d)，土壤含水率模擬值略小于實(shí)測(cè)值，這可能與模擬過程中蒸散發(fā)量分配有關(guān)；管下處RMSE相對(duì)較大，可能因此處上邊界條件是變流量邊界，當(dāng)有灌溉時(shí)，此處土壤含水率變化最大，結(jié)合圖5(c)，管下處的實(shí)測(cè)含水率相對(duì)較大可能與根系吸水參數(shù)以及土壤水力參數(shù)設(shè)置以及實(shí)測(cè)資料精確度有關(guān)；膜中處，RMSE與RE均較小，可能是此處離滴管以及大氣邊界距離較遠(yuǎn)，土壤含水率所受干擾較少?？傮w上圖5中的實(shí)測(cè)值與模擬值繪出的點(diǎn)與1:1線十分接近，表明HYDRUS-2D可較好模擬干旱區(qū)土壤水運(yùn)動(dòng)狀況。

3.2 不同深度處土壤含水率模擬

模擬期內(nèi)土層不同深度含水率實(shí)測(cè)值與模擬值擬合情況以及隨時(shí)間的變化規(guī)律，見圖6。從圖6可看出：①不同深度處(-5、-10、-20、-50、-80、-100 cm)土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值偏差較小，整體模擬效果較好；②-5、-10、-20 cm深度處模擬效果最佳， -50、-80、-100 cm處模擬效果相對(duì)一般，可能與模型中土壤水力參數(shù)取值，尤其是飽和滲透系數(shù)(Ks)以及土壤的空間變異性有關(guān)；③模擬期內(nèi)，淺層土(-0～-50 cm)土壤含水率在0.25～0.30 cm3/cm3波動(dòng)幅度較大，較深層土(-50～-100 cm)土壤含水率維持0.30 cm3/cm3上下，這可能因淺層土易受灌溉水、地表蒸發(fā)以及降雨等影響。較深層土距滴管以及裸地表面較遠(yuǎn)，土壤含水率變化趨勢(shì)相對(duì)平緩，再通過圖6(a)、(b)、(c)易知，每次灌水土壤含水率均先升后降，第10～20 d灌溉2次，時(shí)間間隔較小，故淺層土壤含水率相對(duì)較高，且沒有明顯降低趨勢(shì)。

3.3 土壤水平衡分析

根據(jù)新疆石河子棉田覆膜灌溉實(shí)際情況，不難得出：模擬區(qū)域入水項(xiàng)為從大氣邊界流入的降雨量以及通過滴管進(jìn)入土壤的灌溉量；模擬區(qū)域出水項(xiàng)為根系吸水量，大氣邊界土壤的無效蒸發(fā)量以及自由下滲量。

圖6 不同深度處含水率比較Fig.6 The compassion of water content in different depths

本次忽略膜下土壤的蒸發(fā)作用，同時(shí)不考慮區(qū)域地表徑流。HYDRUS-2D模型模擬區(qū)域水平衡公式如下：

ΔW=W2-W1=P+I-E-T-Rc-Rs-Rg

(7)

式中：ΔW為模擬區(qū)域水量的變化量，mm；W1和W2分別為初始時(shí)和最終時(shí)土壤含水量，mm；P為降雨量，mm；I為灌溉量，mm；E、T為蒸發(fā)和蒸騰量，mm；Rc為植株水分儲(chǔ)變量，mm；Rs為地表徑流，mm；Rg為土壤水與地下水交換量，mm。

結(jié)合本試驗(yàn)?zāi)M情景，可將式(7)簡(jiǎn)化為：

ΔW=W2-W1=P+I-E-R-Rg

(8)

式中：R代表根系吸水量，mm；其余字母含義與式(7)同。

新疆石河子模擬區(qū)模擬期內(nèi)入水量及出水量累計(jì)變化情況，見圖7和圖8。由圖7、圖8可知：①模擬期內(nèi)，降雨量值很小，僅在灌溉當(dāng)天區(qū)域累計(jì)入水量會(huì)有明顯增加，整體呈階梯性增長(zhǎng)變化趨勢(shì)；②根系吸水累計(jì)量占出水累計(jì)量的絕大部分，并遠(yuǎn)大于下滲量以及無效蒸發(fā)量，而下滲量和無效蒸發(fā)量相對(duì)較小，且下滲量大體呈線性增加而無效蒸發(fā)量在29 d后比29 d前增加的要快，這是由于在29 d后棉田進(jìn)入生育末期，其作物的蒸騰量有所降低，相應(yīng)的無效蒸發(fā)量會(huì)比之前生育中期大，區(qū)域出水累計(jì)量大體上呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)。

新疆石河子模擬區(qū)域模擬期內(nèi)的各出水項(xiàng)速率變化情況，見圖9。由圖9可知，根系吸水速率在前25 d穩(wěn)步下降，29 d后下降趨勢(shì)顯著增加；蒸發(fā)速率在前29 d穩(wěn)定在0.33 mm/d，29 d后在1 mm/d左右，有起伏是受大氣邊界降雨的影響；而下滲速率穩(wěn)定在0.5 mm/d左右，變化幅度不明顯。

圖7 模擬區(qū)域入水量累計(jì)Fig.7 Accumulated water inflow in the simulation

圖8 模擬區(qū)域出水量累計(jì)Fig.8 Accumulated water outflow in the simulation region

圖9 模擬區(qū)域出水各項(xiàng)速率Fig.9 The outflow rates of each items in the simulation region

基于HYDRUS-2D模型，給出模擬區(qū)域39 d出入水量結(jié)果，見表5。由表5可知，模擬期內(nèi)，區(qū)域入水量為289.23 mm，其中灌溉量占到入水量的97.6%，而降雨量只有總?cè)胨康?.34%，可見新疆瑪納斯河流域種植棉花所消耗大部分水是由灌溉來水提供的，而降雨補(bǔ)給相對(duì)較少；出水量為272.8 mm，其中根系吸水量占總出水量的85.7%，無效蒸發(fā)與下滲各占總出水量的7.28%和6.99%，可見1膜4行覆膜方式可使土壤無效蒸發(fā)大大減少，下滲量也有一定程度減少，80%以上的水量均由作物吸收，這大幅提高了區(qū)域水資源利用效率；區(qū)域總?cè)胨勘瘸鏊慷?6.43 mm，可見作物生育中、末期以1膜4行覆膜方式下的土壤水量在得到灌水補(bǔ)給后不會(huì)降低，甚至?xí)杂猩摺?/p>

表5 模擬區(qū)域39 d累計(jì)出入水量表 mm

4 結(jié) 語(yǔ)

基于HYDRUS-2D模型模擬了新疆瑪納斯河流域石河子試驗(yàn)站種植棉田土壤水運(yùn)動(dòng)狀況，得到以下結(jié)論。

(1)模擬期內(nèi)， 5個(gè)位置處(膜中、膜內(nèi)、管下、膜外、膜間)RMSE均小于0.1，RE在20% 以內(nèi)，不同深度處(-5、-10、-20、-50、-80、-100 cm)模擬效果較好，說明HYDRUS-2D模型可用來模擬新疆干旱區(qū)棉田1膜4行覆膜方式的土壤水運(yùn)動(dòng)狀況。

(2)模擬區(qū)域水量基本保持平衡狀態(tài)，其中灌溉水量是區(qū)域入水的主要部分，而作物生長(zhǎng)發(fā)育根系吸水占到了模擬區(qū)域耗水量80%以上，滲漏和裸地?zé)o效蒸發(fā)均不到耗水總量的10%。因此，1膜4行覆膜方式可以有效利用灌溉水，也將減少地下深層滲漏以及裸地?zé)o效蒸發(fā)。

(3)因?qū)崪y(cè)資料有限，未涉及新疆棉田全生育期土壤水平衡模擬研究。未來在擴(kuò)充研究資料、研究對(duì)象的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討和論證HYDRUS-2D模型在新疆地區(qū)土壤水平衡情勢(shì)分析中的適用性。

致謝：感謝楊玫老師提供的數(shù)據(jù)資料，使本文順利完成。

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