衡水市土壤墒情消退规律及预测模型研究

谷黎明

(河北省衡水水文勘测研究中心，河北 衡水 053000)

引言

衡水市是平原区,坐落于河北省的东南部,属于大陆性季风气候,衡水市的水资源总量不算多,人均水资源占有量更是极少,降水不多,且时间、空间分布不均,因此研究土壤墒情消退规律土壤墒情监测预报工作的理论基础,也是决策适时适量灌水的依据。

为了研究衡水市的墒情变化规律,从2002年起,除原有衡水实验站外又在衡水市域内建立了14个专门进行墒情实验研究的旱情监测站,迄今为止积累了多年的含水率资料及相关的气象数据。本次研究以这些数据资料为基础,进一步研究分析土壤墒情变化及消退规律,建立各站退墒模型。

衡水市旱情监测站位置具体见图1。

图1 衡水市旱情监测站位置图

1 土壤退墒变化规律分析

土壤退墒就是土壤在蒸发和植物蒸散发影响作用下含水率不断减少变化的现象。对于农作物来说,播种和收割的时间段几乎都是每年中固定不变的日期。然而在一年中不同的月份,土壤含水量的消退过程不尽相同,消退程度变化很大。因此,对于土壤含水率的逐月消退规律进行研究分析,探讨土壤退墒随季节的变化规律,推求统计出不同月份土壤含水率的消退系数,对于推演出土壤含水量的消退过程意义重大。

1.1 含水率消退系数

消退系数k是反映土壤含水率消退程度的参数,其物理意义可以用下式说明:

式中,k为土壤含水率消退系数；pt为t日后土壤含水率,%；p0为时段初土壤含水率,%；t为间隔日数,d。

在没有降水且不进行灌溉的情况下,土壤含水率会随时间的推移而逐渐变小,即pt应小于p0,故k值应小于1。k值越接近于1,则土壤退墒就越缓慢,k值越接近于0,则土壤含水率的消退速度就越快,失墒情况就越严重。

1.2 退墒资料及有关要素摘录与整理

1.2.1 资料系列

本次退墒资料采用108站年资料,衡水实验站1985—2008年资料,14个旱情监测站2003—2008年资料。

1.2.2 资料的搜集与整理

选择相邻两测次中无明显降水且未进行灌溉的时间段,分不同深度(旱情实验站分10cm、20cm、50cm、80cm 4个深度；旱情监测站分10cm、20cm、50cm 3个深度)分层摘取时段初土壤含水率p0和时段末土壤含水率pt以及时段初与时段末的间隔天数,计算出不同深度含水率消退系数k；同时摘取综合垂线平均时段初土壤含水率p0和时段末土壤含水率pt以及时段初与时段末的间隔天数,并计算出垂线平均消退系数k。

1.2.3 消退系数k值的求算

由式(1)经整理得k,公式:

将相应的时段始末含水率p0和pt以及2次监测间隔天数t带入公式,就能得到相应时段、各土层深度的含水率消退系数k。按月份逐一统计不同时间段的土壤含水率消退系数,即可求出各站次土壤含水率逐月消退系数统计表。衡水地区每年12月—第2年2月土壤封冻,封冻期内无法进行旱情监测；7—8月为主汛期,除旱情实验站外其余14个旱情监测站均不进行土壤含水率观测；故14个旱情监测站只统计3—6月、9—11月的逐月k值,旱情实验站逐月k值统计3—11月。

1.3 土壤退墒变化规律

1.3.1 消退系数随季节变化规律

图2～16分别显示了衡水实验站及14个旱情监测站不同深度逐月平均消退系数k值对比情况,由图2～16可见,不同站点逐月平均消退系数变化趋势大致相同,不同深度月均k值随季节的变化有着较一致的变化趋势,衡水市土壤水分消退系数随季节变化的基本规律:3—5月退墒速度逐渐增快,由于气温的逐渐升高、地表蒸发加强,土壤水分进入春季强烈失墒期；土壤水分消退系数以5—6月为最低点,继春季失墒后,旱情继续发展,土壤严重缺墒；7—8月为主汛期,降水量大,土壤水分能得到有效补充,但因为气温较高,土壤水分蒸发强烈,因而这2个月土壤水分消退系数缓慢增加；由于经过主汛期,降雨较多,9月土壤消退系数明显高于6月,9—11月土壤退墒速度逐渐减缓。年内土壤退墒速度最快的是5—6月,土壤退墒速度最慢的是3月、11月。由于封冻期内无法进行旱情监测,故12月—第2年2月含水率资料空缺,因而这3个月的土壤含水率消退系数无法求得,但理论上讲,年内各月份中k值最高点应在这一时间段出现。

图2 衡水实验站不同深度逐月平均消退系数比较

1.3.2 消退系数随深度的变化规律

由图2可以看到,衡水实验站各土层深度k值分布变化情况为80cm深度折线位于图表最上方,由上往下依次为50cm深度、20cm深度以及10cm深度,这种情况表明k值会随着土层深度的增加而不断变大,即土层越深,土壤含水率消退越缓慢。

图3 安陵站不同深度逐月平均消退系数比较

图4 安平站不同深度逐月平均消退系数比较

图5 崔村站不同深度逐月平均消退系数比较

图6 东羡站不同深度逐月平均消退系数比较

图7 阜城站不同深度逐月平均消退系数比较

图8 合方站不同深度逐月平均消退系数比较

图9 合立站不同深度逐月平均消退系数比较

图10 衡水站不同深度逐月平均消退系数比较

图11 吉利站不同深度逐月平均消退系数比较

图12 马朗站不同深度逐月平均消退系数比较

图13 武强站不同深度逐月平均消退系数比较

图14 武邑站不同深度逐月平均消退系数比较

图15 下博站不同深度逐月平均消退系数比较

图16 赵行站不同深度逐月平均消退系数比较

由图2可以看出,衡水实验站4个深度年平均k值也是随着土层深度的变化而变化,与逐月k值分布趋势相同。

这是衡水实验站的土壤含水率消退系数规律,14个旱情监测站的土壤含水率消退规律与衡水实验站基本一致,区别只在于最小值出现在哪个月份。即表层土壤10cm深度k值最小,随着深度的增加,k值逐渐增大,至50cm达到最大,各月份垂线平均k值与20cm深度k值最为接近。说明失墒最快的是表层土壤,随着土层深度的不断增加,土壤含水率的消退速度逐渐变缓,直至基本稳定不变。

1.3.3 不同土壤质地退墒规律分析

为研究不同土质退墒规律,对比土壤质地分别为粘土和砂土的合立、合方站与其余13个土壤质地为壤土的墒情监测站的平均值,利用其2002—2008年含水率资料进行分析,其统计、计算方法同上文,结果见表1。

表1 不同土壤质地退墒规律分析成果表

不同土壤质地退墒存在比较明显的规律,以3种土壤的年平均含水率消退系数相比较,砂土最小,其次是壤土,粘土k值最大。另外3种土壤年内不同时期消退系数的变化幅度也有很大差异,其中壤土和砂土变幅较大,而粘土则变幅很小。说明壤土和砂土其土壤含水率的消退受气候的影响较大,而粘土则受气候的影响较小。

1.4 土壤退墒变化规律的验证

将推求出的各站点逐月消退系数k值分别对应本站2009年实测含水率资料进行验证。验证方法与计算方法大致相同,用垂线平均消退系数计算出时段末土壤含水率pt并与实测值进行对比。各旱情监测站所处位置不同且相距较远,衡水市降水又具有时空分布不均的特点,且各处灌溉时间不同,故所取验证时段会因站点不同而出现变化。

将本站实测值与预报值参照《水文情报预报规范》进行评定,15个旱情站的评定合格率均为100%,符合甲级标准,可以在墒情预报作业中加以运用。

2 土壤墒情消退过程预报

利用各个旱情站计算出的各代表站不同深度、不同月份土壤含水量消退系数k值,即可对某地未来一段时间内土壤含水率变化情况进行预报。其步骤分述如下。

2.1 确定所属土壤类别

本次预报将衡水市按不同土壤质地分为壤土区、粘土区、砂土区。衡水市不同土壤类别k值统计见表2。

表2 衡水市分区土壤消退系数k值统计表

2.2 确定预报的层次

3个分区土壤墒情模型求算出了各个监测深度(10cm、20cm、50cm)的逐月土壤消退系数和垂线平均的逐月土壤消退系数,根据需要既可进行某一土层深度含水率消退情况的预报,也可对垂线含水率情况进行预报。

2.3 计算土壤墒情

根据预报的月份查找出当月k值,推求若干天以后的土壤墒情,计算公式:

式中,pt为t日后土壤含水率,%；p0为当日实测土壤含水率,%；k为土壤含水率消退系数；t为间隔日数。

如,合立站2006年9月11日10cm含水率为21%,预报10d后9月21日10cm含水率。预报过程:确定合立站所处的土壤类别,从表3中查找所对应土层深度和月份的k值,并将其代入式(3),最终得出10d后的9月21日10cm深度土壤含水率pt为15.5%。

3 结论

进一步研究了土壤水分的退墒变化,分析计算出了各个站点不同土层深度不同月份的土壤消退系数,得出了退墒规律,建立了单站退墒模型并将所建立退墒模型进行验证,验证合格,可以正式加以运用。同时,对衡水市不同土壤质地退墒情况进行总结分析,发现不同土壤质地退墒存在比较明显的规律,以3种土壤的年平均含水率消退系数相比较,砂土最小,其次是壤土,粘土k值最大,说明壤土和砂土其土壤含水率的消退受气候的影响较大,而粘土则受气候的影响较小。

土壤退墒预报模型以多年来野外大田中实测墒情资料为依据,确定不同月份不同土壤分区的消退系数,可直接预测任意时间的土壤含水量,从而确定灌水定额和灌水时间。对于及时发布旱情预报、适时适量进行农田灌溉具有实际指导意义。