遼寧省土壤墑情預(yù)報模型建立和預(yù)報方案編制

張志斌

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

當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)系來實現(xiàn)土壤墑情預(yù)測，通過分析土壤含水量對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)報一般是對單站進行預(yù)測的基礎(chǔ)上進行多站綜合分析，實現(xiàn)對整個區(qū)域的墑情預(yù)測[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，對于土壤墑情預(yù)測需要對墑情增加和減少的同步預(yù)測[4]。當前，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)報對于農(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)主溝和黃臘坨兩個土壤墑情監(jiān)測站點為實例，對增墑退墑預(yù)報方案構(gòu)建的步驟進行介紹，并結(jié)合墑情站點數(shù)據(jù)對構(gòu)建模型進行了驗證，研究成果可為各級政府防旱減災(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算方法，計算方程為：

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—不同時段的土壤墑情衰減比例，本文假定不同土壤含水率監(jiān)測間隔時間內(nèi)的衰減系數(shù)是一致的，因此可以將方程(1)進行簡化計算：

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)向擴散的前提下，結(jié)合水量平衡方程，對土壤墑情的增加量進行計算。

ΔWs=F-f-E+Vg

(3)

F=P-Is-R

(4)

將式(3)和(4)進行耦合：

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—補給地下水的徑流量,mm。

2 增墑及退墑預(yù)報的建立

2.1 增墑預(yù)報方案的建立

當?shù)乇韽搅骷爸参锕趯咏亓羲枯^小，且地下水埋深較大時，滲透水量很難補充作物根系需水要求，土壤包氣帶受毛管水補充量較低，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三個參數(shù)的增墑預(yù)報模型。

建立增墑預(yù)報方案步驟

(1)結(jié)合墑情監(jiān)測站點的土壤含水量、蒸發(fā)皿蒸發(fā)、降水量、地下水位等觀測數(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值、降水量作為縱坐標，以觀測時間為橫坐標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)土壤增墑預(yù)報方案。

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的三參數(shù)相關(guān)圖后，可將各曲線的P和ΔWs對應(yīng)值點繪在相關(guān)圖上，采用圖解方法對各曲線的經(jīng)驗公式進行推求，建立單站的土壤墑情增墑預(yù)報經(jīng)驗方程，方程的具體表達式為：

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)測站點土壤含水量日值和降雨實測值時，可采用查圖方式或采用經(jīng)驗相關(guān)方程對場次降水后的土壤含量，即可以進行土壤增墑的預(yù)報作業(yè)。

2.2 退墑預(yù)報方案的建立

退墑預(yù)報主要是進行土壤含水率衰減系數(shù)的計算，其計算主要步驟為;

(1)選取歷史上干旱典型的年份，對連續(xù)無有效降水(P≤5mm)時段進行摘錄。

(2)結(jié)合相鄰?fù)寥篮咳斯び^測的時間，進行間隔天數(shù)的計算。

在衰減系數(shù)計算基礎(chǔ)上，繪制土壤退墑曲線，具體步驟為：

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

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

3 實例應(yīng)用

3.1 區(qū)域旱情概況

本文選取的兩個站點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，對玉米的產(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)域春季干旱對農(nóng)作物的影響，需要對區(qū)域土壤墑情進行預(yù)報，從而為區(qū)域抗旱措施決策提供重要的依據(jù)。

3.2 增墑預(yù)報方案

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

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

(1)對分析數(shù)據(jù)進行合理性分析，對不合理的數(shù)據(jù)進行剔除。

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

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

(4)將不同分組趨勢線進行綜合分析，得到單個墑情站點或整個區(qū)域的P-Ws，0-ΔWs趨勢線(如圖1所示)和趨勢線參數(shù)，見表1—2。

從圖1中可看出，隨著降水量的增加，土壤含水量未達到飽和含水量之前，土壤墑情的增量逐步遞增，當土壤含水量低于田間持水量，且降水量較小時，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。當土壤含水量達到田間持水量后，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 各墑情站點土壤含水量增長曲線

表1 業(yè)主溝站不同雨前含水率對應(yīng)的趨勢線參數(shù)

表2 黃臘坨不同雨前含水率對應(yīng)的趨勢線參數(shù)

3.3 退墑預(yù)報方案實例

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

(1)對連續(xù)無效降水的時段進行摘錄，計算間隔時段(天)。

(3)按此方法對相鄰時段的衰減系數(shù)進行計算，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)計算結(jié)果

表6 業(yè)主溝站衰減系數(shù)計算結(jié)果

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

圖2 各站點退墑曲線

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季節(jié)之間。從圖2中兩個站點的退墑曲線可看出，各站點土壤墑情的衰減系數(shù)隨著土壤含水率的增加而遞減，當土壤含水率初始值較大時，土壤含水量的補給較為充分，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。當土壤含水量初始值小于凋萎含水量時，土壤墑情消退速率趨近與于0，衰減系數(shù)接近于1.0。

4 模型驗證

4.1 增墑預(yù)報驗證

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測數(shù)據(jù)，對土壤增墑模型進行驗證，各站點驗證結(jié)果見表7—8，從驗證結(jié)果可看出，計算的土壤含水率和實測含水率之間的誤差均在10%以內(nèi)，滿足增墑預(yù)報的精度需求。

4.2 退墑預(yù)報驗證

選取未參與率定的無降雨時段，2014年3月12—14日、4月19—23日對退墑模型進行檢驗，結(jié)合不同時段土壤含水率初值、衰減系數(shù)對日含水率進行計算，并與實測含水率進行對比分析，如圖3所示。對圖中6個觀測數(shù)據(jù)進行誤差分析，實測值和計算值之間的絕對誤差的平均值為0.67%，符合土壤墑情監(jiān)測誤差在2%以內(nèi)的規(guī)范要求，可在實際的工作中進行應(yīng)用。

5 結(jié)語

(1)在構(gòu)建區(qū)域增墑和退墑預(yù)報方案時，需要對墑情監(jiān)測數(shù)據(jù)進行可靠性和合理性分析，對于異常數(shù)據(jù)需要進行篩選，將不合理的數(shù)據(jù)進行剔除，從而保證增墑和退墑方案的預(yù)報精度。

表7 業(yè)主溝站墑情預(yù)報模型預(yù)測結(jié)果

表8 黃臘坨站墑情預(yù)報模型預(yù)測結(jié)果

圖3 各站點退墑曲線

(2)通過土壤墑情預(yù)報模型對自動監(jiān)測數(shù)據(jù)的過濾，使得自動墑情數(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)一期的墑情自動監(jiān)測的作用，減少了干旱期間人工加密監(jiān)測的頻次，節(jié)省了大量的人力物力。