衡水市土壤墑情消退規(guī)律及預(yù)測模型研究

谷黎明

(河北省衡水水文勘測研究中心，河北 衡水 053000)

引言

衡水市是平原區(qū),坐落于河北省的東南部,屬于大陸性季風(fēng)氣候,衡水市的水資源總量不算多,人均水資源占有量更是極少,降水不多,且時(shí)間、空間分布不均,因此研究土壤墑情消退規(guī)律土壤墑情監(jiān)測預(yù)報(bào)工作的理論基礎(chǔ),也是決策適時(shí)適量灌水的依據(jù)。

為了研究衡水市的墑情變化規(guī)律,從2002年起,除原有衡水實(shí)驗(yàn)站外又在衡水市域內(nèi)建立了14個(gè)專門進(jìn)行墑情實(shí)驗(yàn)研究的旱情監(jiān)測站,迄今為止積累了多年的含水率資料及相關(guān)的氣象數(shù)據(jù)。本次研究以這些數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ),進(jìn)一步研究分析土壤墑情變化及消退規(guī)律,建立各站退墑模型。

衡水市旱情監(jiān)測站位置具體見圖1。

圖1 衡水市旱情監(jiān)測站位置圖

1 土壤退墑變化規(guī)律分析

土壤退墑就是土壤在蒸發(fā)和植物蒸散發(fā)影響作用下含水率不斷減少變化的現(xiàn)象。對(duì)于農(nóng)作物來說,播種和收割的時(shí)間段幾乎都是每年中固定不變的日期。然而在一年中不同的月份,土壤含水量的消退過程不盡相同,消退程度變化很大。因此,對(duì)于土壤含水率的逐月消退規(guī)律進(jìn)行研究分析,探討土壤退墑隨季節(jié)的變化規(guī)律,推求統(tǒng)計(jì)出不同月份土壤含水率的消退系數(shù),對(duì)于推演出土壤含水量的消退過程意義重大。

1.1 含水率消退系數(shù)

消退系數(shù)k是反映土壤含水率消退程度的參數(shù),其物理意義可以用下式說明:

式中,k為土壤含水率消退系數(shù)；pt為t日后土壤含水率,%；p0為時(shí)段初土壤含水率,%；t為間隔日數(shù),d。

在沒有降水且不進(jìn)行灌溉的情況下,土壤含水率會(huì)隨時(shí)間的推移而逐漸變小,即pt應(yīng)小于p0,故k值應(yīng)小于1。k值越接近于1,則土壤退墑就越緩慢,k值越接近于0,則土壤含水率的消退速度就越快,失墑情況就越嚴(yán)重。

1.2 退墑資料及有關(guān)要素摘錄與整理

1.2.1 資料系列

本次退墑資料采用108站年資料,衡水實(shí)驗(yàn)站1985—2008年資料,14個(gè)旱情監(jiān)測站2003—2008年資料。

1.2.2 資料的搜集與整理

選擇相鄰兩測次中無明顯降水且未進(jìn)行灌溉的時(shí)間段,分不同深度(旱情實(shí)驗(yàn)站分10cm、20cm、50cm、80cm 4個(gè)深度；旱情監(jiān)測站分10cm、20cm、50cm 3個(gè)深度)分層摘取時(shí)段初土壤含水率p0和時(shí)段末土壤含水率pt以及時(shí)段初與時(shí)段末的間隔天數(shù),計(jì)算出不同深度含水率消退系數(shù)k；同時(shí)摘取綜合垂線平均時(shí)段初土壤含水率p0和時(shí)段末土壤含水率pt以及時(shí)段初與時(shí)段末的間隔天數(shù),并計(jì)算出垂線平均消退系數(shù)k。

1.2.3 消退系數(shù)k值的求算

由式(1)經(jīng)整理得k,公式:

將相應(yīng)的時(shí)段始末含水率p0和pt以及2次監(jiān)測間隔天數(shù)t帶入公式,就能得到相應(yīng)時(shí)段、各土層深度的含水率消退系數(shù)k。按月份逐一統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間段的土壤含水率消退系數(shù),即可求出各站次土壤含水率逐月消退系數(shù)統(tǒng)計(jì)表。衡水地區(qū)每年12月—第2年2月土壤封凍,封凍期內(nèi)無法進(jìn)行旱情監(jiān)測；7—8月為主汛期,除旱情實(shí)驗(yàn)站外其余14個(gè)旱情監(jiān)測站均不進(jìn)行土壤含水率觀測；故14個(gè)旱情監(jiān)測站只統(tǒng)計(jì)3—6月、9—11月的逐月k值,旱情實(shí)驗(yàn)站逐月k值統(tǒng)計(jì)3—11月。

1.3 土壤退墑變化規(guī)律

1.3.1 消退系數(shù)隨季節(jié)變化規(guī)律

圖2～16分別顯示了衡水實(shí)驗(yàn)站及14個(gè)旱情監(jiān)測站不同深度逐月平均消退系數(shù)k值對(duì)比情況,由圖2～16可見,不同站點(diǎn)逐月平均消退系數(shù)變化趨勢大致相同,不同深度月均k值隨季節(jié)的變化有著較一致的變化趨勢,衡水市土壤水分消退系數(shù)隨季節(jié)變化的基本規(guī)律:3—5月退墑速度逐漸增快,由于氣溫的逐漸升高、地表蒸發(fā)加強(qiáng),土壤水分進(jìn)入春季強(qiáng)烈失墑期；土壤水分消退系數(shù)以5—6月為最低點(diǎn),繼春季失墑后,旱情繼續(xù)發(fā)展,土壤嚴(yán)重缺墑；7—8月為主汛期,降水量大,土壤水分能得到有效補(bǔ)充,但因?yàn)闅鉁剌^高,土壤水分蒸發(fā)強(qiáng)烈,因而這2個(gè)月土壤水分消退系數(shù)緩慢增加；由于經(jīng)過主汛期,降雨較多,9月土壤消退系數(shù)明顯高于6月,9—11月土壤退墑速度逐漸減緩。年內(nèi)土壤退墑速度最快的是5—6月,土壤退墑速度最慢的是3月、11月。由于封凍期內(nèi)無法進(jìn)行旱情監(jiān)測,故12月—第2年2月含水率資料空缺,因而這3個(gè)月的土壤含水率消退系數(shù)無法求得,但理論上講,年內(nèi)各月份中k值最高點(diǎn)應(yīng)在這一時(shí)間段出現(xiàn)。

圖2 衡水實(shí)驗(yàn)站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

1.3.2 消退系數(shù)隨深度的變化規(guī)律

由圖2可以看到,衡水實(shí)驗(yàn)站各土層深度k值分布變化情況為80cm深度折線位于圖表最上方,由上往下依次為50cm深度、20cm深度以及10cm深度,這種情況表明k值會(huì)隨著土層深度的增加而不斷變大,即土層越深,土壤含水率消退越緩慢。

圖3 安陵站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖4 安平站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖5 崔村站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖6 東羨站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖7 阜城站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖8 合方站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖9 合立站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖10 衡水站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖11 吉利站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖12 馬朗站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖13 武強(qiáng)站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖14 武邑站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖15 下博站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

圖16 趙行站不同深度逐月平均消退系數(shù)比較

由圖2可以看出,衡水實(shí)驗(yàn)站4個(gè)深度年平均k值也是隨著土層深度的變化而變化,與逐月k值分布趨勢相同。

這是衡水實(shí)驗(yàn)站的土壤含水率消退系數(shù)規(guī)律,14個(gè)旱情監(jiān)測站的土壤含水率消退規(guī)律與衡水實(shí)驗(yàn)站基本一致,區(qū)別只在于最小值出現(xiàn)在哪個(gè)月份。即表層土壤10cm深度k值最小,隨著深度的增加,k值逐漸增大,至50cm達(dá)到最大,各月份垂線平均k值與20cm深度k值最為接近。說明失墑最快的是表層土壤,隨著土層深度的不斷增加,土壤含水率的消退速度逐漸變緩,直至基本穩(wěn)定不變。

1.3.3 不同土壤質(zhì)地退墑規(guī)律分析

為研究不同土質(zhì)退墑規(guī)律,對(duì)比土壤質(zhì)地分別為粘土和砂土的合立、合方站與其余13個(gè)土壤質(zhì)地為壤土的墑情監(jiān)測站的平均值,利用其2002—2008年含水率資料進(jìn)行分析,其統(tǒng)計(jì)、計(jì)算方法同上文,結(jié)果見表1。

表1 不同土壤質(zhì)地退墑規(guī)律分析成果表

不同土壤質(zhì)地退墑存在比較明顯的規(guī)律,以3種土壤的年平均含水率消退系數(shù)相比較,砂土最小,其次是壤土,粘土k值最大。另外3種土壤年內(nèi)不同時(shí)期消退系數(shù)的變化幅度也有很大差異,其中壤土和砂土變幅較大,而粘土則變幅很小。說明壤土和砂土其土壤含水率的消退受氣候的影響較大,而粘土則受氣候的影響較小。

1.4 土壤退墑變化規(guī)律的驗(yàn)證

將推求出的各站點(diǎn)逐月消退系數(shù)k值分別對(duì)應(yīng)本站2009年實(shí)測含水率資料進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證方法與計(jì)算方法大致相同,用垂線平均消退系數(shù)計(jì)算出時(shí)段末土壤含水率pt并與實(shí)測值進(jìn)行對(duì)比。各旱情監(jiān)測站所處位置不同且相距較遠(yuǎn),衡水市降水又具有時(shí)空分布不均的特點(diǎn),且各處灌溉時(shí)間不同,故所取驗(yàn)證時(shí)段會(huì)因站點(diǎn)不同而出現(xiàn)變化。

將本站實(shí)測值與預(yù)報(bào)值參照《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》進(jìn)行評(píng)定,15個(gè)旱情站的評(píng)定合格率均為100%,符合甲級(jí)標(biāo)準(zhǔn),可以在墑情預(yù)報(bào)作業(yè)中加以運(yùn)用。

2 土壤墑情消退過程預(yù)報(bào)

利用各個(gè)旱情站計(jì)算出的各代表站不同深度、不同月份土壤含水量消退系數(shù)k值,即可對(duì)某地未來一段時(shí)間內(nèi)土壤含水率變化情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。其步驟分述如下。

2.1 確定所屬土壤類別

本次預(yù)報(bào)將衡水市按不同土壤質(zhì)地分為壤土區(qū)、粘土區(qū)、砂土區(qū)。衡水市不同土壤類別k值統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 衡水市分區(qū)土壤消退系數(shù)k值統(tǒng)計(jì)表

2.2 確定預(yù)報(bào)的層次

3個(gè)分區(qū)土壤墑情模型求算出了各個(gè)監(jiān)測深度(10cm、20cm、50cm)的逐月土壤消退系數(shù)和垂線平均的逐月土壤消退系數(shù),根據(jù)需要既可進(jìn)行某一土層深度含水率消退情況的預(yù)報(bào),也可對(duì)垂線含水率情況進(jìn)行預(yù)報(bào)。

2.3 計(jì)算土壤墑情

根據(jù)預(yù)報(bào)的月份查找出當(dāng)月k值,推求若干天以后的土壤墑情,計(jì)算公式:

式中,pt為t日后土壤含水率,%；p0為當(dāng)日實(shí)測土壤含水率,%；k為土壤含水率消退系數(shù)；t為間隔日數(shù)。

如,合立站2006年9月11日10cm含水率為21%,預(yù)報(bào)10d后9月21日10cm含水率。預(yù)報(bào)過程:確定合立站所處的土壤類別,從表3中查找所對(duì)應(yīng)土層深度和月份的k值,并將其代入式(3),最終得出10d后的9月21日10cm深度土壤含水率pt為15.5%。

3 結(jié)論

進(jìn)一步研究了土壤水分的退墑變化,分析計(jì)算出了各個(gè)站點(diǎn)不同土層深度不同月份的土壤消退系數(shù),得出了退墑規(guī)律,建立了單站退墑模型并將所建立退墑模型進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證合格,可以正式加以運(yùn)用。同時(shí),對(duì)衡水市不同土壤質(zhì)地退墑情況進(jìn)行總結(jié)分析,發(fā)現(xiàn)不同土壤質(zhì)地退墑存在比較明顯的規(guī)律,以3種土壤的年平均含水率消退系數(shù)相比較,砂土最小,其次是壤土,粘土k值最大,說明壤土和砂土其土壤含水率的消退受氣候的影響較大,而粘土則受氣候的影響較小。

土壤退墑?lì)A(yù)報(bào)模型以多年來野外大田中實(shí)測墑情資料為依據(jù),確定不同月份不同土壤分區(qū)的消退系數(shù),可直接預(yù)測任意時(shí)間的土壤含水量,從而確定灌水定額和灌水時(shí)間。對(duì)于及時(shí)發(fā)布旱情預(yù)報(bào)、適時(shí)適量進(jìn)行農(nóng)田灌溉具有實(shí)際指導(dǎo)意義。