基于Hydrus-1D模型的淮北平原冬小麥地潛水蒸發(fā)規(guī)律

摘要：選取淮北平原五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站作為研究區(qū)，評(píng)價(jià)Hydrus-1D模型在淮北平原冬小麥地潛水蒸發(fā)過程模擬的適用性，并探討不同降水條件下冬小麥各生育期潛水蒸發(fā)規(guī)律。結(jié)果表明，基于Hydrus-1D模型模擬的潛水蒸發(fā)過程與基于水量平衡和Bouchet互補(bǔ)關(guān)系理論的潛水蒸發(fā)變化過程基本一致，相關(guān)系數(shù)為0.82、絕對(duì)誤差為0.04 mm/d、相對(duì)誤差為12.4%；冬小麥生育期潛水蒸發(fā)量受降水條件影響，當(dāng)降水量偏多時(shí)，潛水蒸發(fā)總量較大；從冬小麥各生育期的潛水蒸發(fā)量來看，灌漿期-成熟期gt;抽穗期-灌漿期gt;拔節(jié)期-抽穗期gt;返青期-拔節(jié)期。研究結(jié)果可為制定淮北平原合理灌溉制度提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Hydrus-1D模型；冬小麥；土壤含水量；潛水蒸發(fā)量；淮北平原

中圖分類號(hào)：S161.4；TV11" " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0439-8114（2023）06-0018-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.06.004 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on phreatic evaporation of winter wheat field in Huaibei Plain based on Hydrus-1D model

XU Min1，WANG Jie1，ZHU Yong-hua2，LYU Hai-shen2，LI Yuan2

（1. Nanjing Water Resources Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Nanjing" 210004， China；2. College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing" 210098，China）

Abstract： This study selected Wudaogou hydrological and water resources experimental station in Huaibei plain as a study area. The applicability of Hydrus-1D model in simulating the phreatic evaporation process of Winter Wheat in Huaibei plain was studied， and the law of phreatic evaporation during the growth period of winter wheat under different precipitation conditions was also discussed. The results suggested that the phreatic evaporation process simulated based on Hydrus-1D model was in high consistent with the phreatic evaporation process based on water balance and Bouchet complementary relationship theory. The correlation coefficient was 0.82， the absolute error was 0.04 mm/d， and the relative error was 12.4%. The total amount of phreatic evaporation during the growth period of winter wheat was affected by the precipitation amount， while higher phreatic evaporation was observed when the precipitation amount was higher. According to the phreatic evaporation of winter wheat at each growth stage， filling stage-maturity stage gt; heading stage-filling stage gt; jointing stage-heading stage gt; returning to green stage-jointing stage. The results could provide a theoretical basis for formulatina reasonable irrigation schedule in Huaibei plain.

Key words： Hydrus-1D model；winter wheat；soil moisture；phreatic evaporation；Huaibei Plain

潛水蒸發(fā)是指淺層地下水向包氣帶傳輸水分，并通過土壤蒸發(fā)和植物蒸騰進(jìn)入大氣的過程［1］?？茖W(xué)掌握潛水蒸發(fā)估算方法及其規(guī)律，對(duì)制定合理的農(nóng)作物灌溉制度以及地下水資源合理開發(fā)利用具有重要意義［2］。

潛水蒸發(fā)估算研究集中于裸地情況，大致可以分為經(jīng)驗(yàn)公式、半經(jīng)驗(yàn)-半機(jī)理公式、機(jī)理公式等3類。其中，經(jīng)驗(yàn)公式主要包括葉水庭公式、阿維里揚(yáng)諾夫公式、反Logistic公式等［3］。與經(jīng)驗(yàn)公式相比，半經(jīng)驗(yàn)-半機(jī)理公式具有一定的物理基礎(chǔ)，但形式較復(fù)雜，主要包括清華公式等［4］。機(jī)理公式具有明確的物理意義，然而，在實(shí)際計(jì)算過程中，往往難以獲取土水勢(shì)梯度和導(dǎo)水率等關(guān)鍵參數(shù)，不便于應(yīng)用。

與裸土潛水蒸發(fā)研究相比，植被生長(zhǎng)情況下的潛水蒸發(fā)規(guī)律更復(fù)雜。作物生長(zhǎng)條件下的潛水蒸發(fā)與作物耗水過程密切相關(guān)。關(guān)于植被生長(zhǎng)條件下的潛水蒸發(fā)估算研究較少。毛曉敏等［5］根據(jù)裸地潛水蒸發(fā)量估算作物生長(zhǎng)條件下潛水蒸發(fā)量。王小贊等［6］將作物增量用于計(jì)算逐日潛水蒸發(fā)量，提出有作物條件下的潛水蒸發(fā)量計(jì)算方法。

數(shù)值模擬將潛水蒸發(fā)作為地下水—土壤—植物—大氣連續(xù)體 （GSPAC）水分運(yùn)動(dòng)的一個(gè)環(huán)節(jié)，能夠完整模擬蒸散發(fā)與降水量（灌溉）、土壤水運(yùn)移及地下水位變化等過程，是開展植被生長(zhǎng)條件下潛水蒸發(fā)估算的重要手段［1］。然而，數(shù)值模擬對(duì)輸入條件等要求較高，目前基于數(shù)值模擬的潛水蒸發(fā)估算研究仍較少。同時(shí)，不同地區(qū)的土壤質(zhì)地、作物條件、灌溉制度等均存在較大差異，有必要針對(duì)不同地區(qū)分別開展?jié)撍舭l(fā)數(shù)值模擬及估算研究，掌握不同地區(qū)的潛水蒸發(fā)規(guī)律。

淮北平原是中國(guó)冬小麥主要種植基地之一，了解淮北平原冬小麥地潛水蒸發(fā)的規(guī)律，能夠?yàn)槎←溕诠喔戎贫鹊闹贫ㄌ峁┛茖W(xué)依據(jù)。本研究選取淮北平原五道溝水文實(shí)驗(yàn)站作為典型研究區(qū)，采用Hydrus-1D數(shù)值模型模擬冬小麥典型生育期潛水蒸發(fā)過程，分析典型生育期潛水蒸發(fā)規(guī)律，為淮北平原冬小麥生育期灌溉制度的制定提供科學(xué)合理依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與方法

1.1 研究區(qū)概況

淮北平原位于中國(guó)安徽省北部、淮河干流以北（東經(jīng)114°55′—118°10′、北緯32°25′—34°35′），是中國(guó)冬小麥的主要糧食產(chǎn)區(qū)（圖1）。五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站是淮北平原的大型綜合實(shí)驗(yàn)站，實(shí)驗(yàn)站內(nèi)的代表土壤為砂姜黑土和黃潮土，其中砂礓黑土面積的占比為54%。

1.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)

本研究土壤數(shù)據(jù)來自五道溝水文水資源實(shí)驗(yàn)站。逐日降水量、氣溫等氣象數(shù)據(jù)來自中國(guó)氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)，共包含蚌埠市、阜陽市、碭山縣、宿縣和亳州市的5個(gè)氣象站氣象數(shù)據(jù)，根據(jù)5個(gè)氣象站逐日氣象資料，采用泰森多邊形法［7］計(jì)算淮北平原面降水量和面平均氣溫。冬小麥的生育期為每年的10月至次年6月初，因此，本研究選擇2004年10月1日至2005年5月31日作為研究時(shí)間段。土壤含水量測(cè)量取樣的土柱深度為100 cm，分為8層：0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm，在每層中心附近重復(fù)抽取3個(gè)樣本進(jìn)行稱重，然后烘干后再次稱重，測(cè)量土壤含水量。

1.3 生育期劃分

采用P-Ⅲ型頻率曲線對(duì)淮北平原1951—2013年冬小麥生育期降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率分析，經(jīng)試線法得到相關(guān)參數(shù)：[CV]=0.26，[CS/CV]=1.60（圖2）。

選取降水量保證率[Pm]=25%、[Pm]=50%和[Pm]=75%的降水量分別作為降水量偏多、降水量正常、降水量偏少閾值。根據(jù)淮北平原冬小麥生育期降水量數(shù)據(jù)，選取1997年生育期（降水量為604.6 mm）為降水量偏多時(shí)期，1999年生育期（降水量為294.9 mm）為降水量正常時(shí)期，1998年生育期（降水量227.9 mm）為降水量偏少時(shí)期。

淮北平原冬小麥在每年10月播種，經(jīng)過約140 d返青。本研究從冬小麥返青日（2月17日）起，將返青后生育期分為返青期-拔節(jié)期（2月17日至3月20日）、拔節(jié)期-抽穗期（3月21日至4月20日）、抽穗期-灌漿期（4月21日至5月15日）以及灌漿期-成熟期（5月16—31日）。

1.4 Hydrus-1D模型建立

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤含水量模擬結(jié)果分析

運(yùn)用Hydrus-1D模型模擬2004年冬小麥生育期近地表層（5 cm）、中層（45 cm）和下層（90 cm）土壤含水率，并與五道溝實(shí)驗(yàn)站實(shí)測(cè)值比較，結(jié)果見圖3。近地表層、中層和下層的土壤含水率模擬值與實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)較一致，尤其是中層和下層的擬合效果較好。

2.2 潛水蒸發(fā)模擬結(jié)果合理性分析

圖4比較了Hydrus-1D模型模擬的潛水蒸發(fā)過程與基于水量平衡的潛水蒸發(fā)過程差異。Hydrus-1D模型模擬的潛水蒸發(fā)量與水量平衡方程計(jì)算值（正值為潛水蒸發(fā)量，負(fù)值為土壤水下滲量）整體上擬合較好，變化較一致。由誤差分析（表2）可知，Hydrus-1D模型模擬結(jié)果與水量平衡方程計(jì)算值相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)為0.82，并且絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差都較小。因此，參數(shù)率定后的Hydrus-1D模型可以較好地模擬淮北平原冬小麥地潛水蒸發(fā)過程。

2.3 不同降水條件生育期潛水蒸發(fā)規(guī)律分析

圖5為淮北平原冬小麥3個(gè)不同降水條件典型生育期土壤底部通量、逐日潛水埋深及降水量過程。降水量偏多時(shí)期（1997年）冬小麥在返青后的潛水蒸發(fā)量明顯比返青前大，最大日潛水蒸發(fā)量在冬小麥生育期的第230天，為5.0 mm。降水量正常時(shí)期（1999年）在冬小麥返青后潛水蒸發(fā)量變化較小，相對(duì)比較平穩(wěn)。日潛水蒸發(fā)量最大值在冬小麥生育期的第157天和第209天，均為1.9 mm。降水量偏少時(shí)期（1998年）冬小麥返青后潛水蒸發(fā)量變化較平緩，土壤水入滲量較小，最大日潛水蒸發(fā)量為冬小麥生育期第233天，為0.9 mm。

根據(jù)Hydrus-1D模型對(duì)淮北平原不同降水條件冬小麥潛水蒸發(fā)量的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算冬小麥潛水蒸發(fā)總量及冬小麥各生育期潛水蒸發(fā)量。由表3可知，冬小麥生育期潛水蒸發(fā)量大小依次為1997年（降水量偏多時(shí)期）gt;1999年（降水量正常時(shí)期）gt;1998年（降水量偏少時(shí)期）。從冬小麥各生育期的潛水蒸發(fā)量來看，返青期-拔節(jié)期的潛水蒸發(fā)量相對(duì)較小，抽穗期一直到成熟期的潛水蒸發(fā)量相對(duì)較大，其中灌漿期-成熟期的潛水蒸發(fā)量最大。

3 小結(jié)

Hydrus-1D模型能夠較好地模擬不同土層深度土壤含水量變化過程和潛水蒸發(fā)變化過程；冬小麥生育期潛水蒸發(fā)量受降水條件影響，當(dāng)降水量偏多時(shí)，潛水蒸發(fā)總量較大；返青期-拔節(jié)期的潛水蒸發(fā)量相對(duì)較小，抽穗期一直到成熟期的潛水蒸發(fā)量相對(duì)較大，其中灌漿期-成熟期的潛水蒸發(fā)量最大。 因資料有限，本研究?jī)H使用2004年10月1日至2005年5月31日數(shù)據(jù)對(duì)Hydrus-1D模型進(jìn)行率定。今后在條件允許下，將采用更多數(shù)據(jù)進(jìn)行率定驗(yàn)證，為Hydrus-1D模型分析和評(píng)估提供更科學(xué)的依據(jù)。

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收稿日期：2022-04-18

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（41830752）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42071033；52009027）

作者簡(jiǎn)介：徐 敏（1990-），女，江蘇南通人，工程師，碩士，主要從事水文學(xué)及水資源研究，（電話）18905163572（電子信箱）minxu0917@163.com；通信作者，李 源（1991-），男，湖北黃石人，副研究員，博士，主要從事水文學(xué)及水資源研究，（電話）17702518075（電子信箱）liyuan_hhu@hhu.edu.cn。