新疆干旱區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.河海大學水文水資源學院，南京 210098；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098；3.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222)

0 引 言

我國是農業大國，農業用水占到全國用水總量60%以上[1]，尤其新疆地區水資源更加貧乏，其水資源短缺問題已嚴重制約了區域農業的發展。因此，研究區域農業灌溉技術對保障區域農業生產安全，推動新疆地區農業生產進步及經濟持續繁榮具有重要意義。

近年來，新疆生產建設兵團一直不斷探索節水灌溉種植方式，其中膜下滴灌將薄膜覆蓋技術與滴灌技術相結合，能夠在保證作物正常生長發育同時，最大限度節約水資源，是多種灌溉技術中最為有效的一種新型農田灌溉技術[2]。迄今為止，在模擬不同灌溉條件下的土壤水分運動方面，眾多專家學者做了大量針對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動狀況，并給出了不同灌水量和滴頭流量對土壤含水率的影響；劉群昌[4]等模擬了隔畦灌溉在不同深度的土壤水運動情勢；李亮[5]研究了內蒙古河套灌區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]等模擬了新疆地區膜下滴灌膜中、管下和膜間等位置處土水情勢，并運用實測數據反演模型參數；李坡[8]等針對不同土壤類型，分別作了適宜數值模擬，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了我國農業灌溉技術的發展。但是，關于土壤水平衡問題的研究仍然較少，尤其缺乏干旱區以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、增加種植密度等優勢，十分有利于實現作物的保產、穩產和增產，可在全國較大范圍內推廣應用。

鑒于此，本文以石河子試驗站覆膜棉花種植觀測資料為基礎，運用HYDRUS-2D模型模擬棉花在生育期土壤水運動狀況，并分析了試驗區土壤水平衡情勢，以期研究干旱灌區的土壤水平衡問題，為掌握干旱灌區土壤水平衡，促進區域農業生產提供一定的參考。

1 研究區概況

瑪納斯河流域位于新疆天山北麓中段，地處準噶爾盆地南緣，歐亞大陸腹地，遠離海洋，屬于典型的大陸性氣候干旱區。該流域介于東經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，是北疆重要的經濟核心帶[9]。

本文即以瑪納斯河流域山前平原區石河子試驗站為研究區域。試驗地點位于新疆石河子大學節水灌溉試驗站，屬瑪納斯河流域洪積沖積扇中部，年平均氣溫年平均7.4 ℃，日照時數為2 705 h，多年平均降雨量207 mm，年蒸發量1 506 mm(小型蒸發皿)，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

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

表1 試驗區土壤物理特性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膜內鋪設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。基于數據精度，本次模擬從2009年7月27日至9月3日共計39 d。在模擬期內，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

觀測內容包括試驗區水文氣象要素，如降水、蒸發、氣溫和日照等；以及土壤含水率。由于1膜2管4行種植具有高度對稱性，故從地膜中心位置處一分為二直到兩個地膜中間處截止為一個單元，水平向即為90 cm。土壤含水率觀測在豎直向上，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觀測一次，直到距土壤表面100 cm處截止，觀測點分別布設在膜中、膜內、管下、膜外和膜間5個位置處(如圖2)，共計46個觀測點，觀測頻度是每10 d一次，降雨后與灌溉前后加測。

圖2 土壤含水率觀測點布置Fig.2 The disposal of observation points of soil water content

2.2 數學模型

HYDRUS-2D軟件由計算機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-非飽和土壤水運動問題。本次模擬運用HYDRUS-2D模型，建立新疆石河子地區基于1膜4行覆膜方式的棉花土壤水運動模型，采用實測土壤含水率數據對模型進行參數率定和模型檢驗，最后用檢驗好的模型分析膜下滴灌土壤水平衡情況。

2.2.1 模型構建

1膜4行下的土壤水運動是三維問題，當假設土壤均質各向同性，且由于覆膜方式又具有對稱特性時，可模擬一個覆膜單元膜中間分開右側(左側)，膜下滴灌問題即可簡化為對稱線源二維問題。在模擬期內，根據實測數據依次輸入日降水量、日蒸散發量以及灌溉水量，模擬區域水平方向90 cm，豎直方向100 cm，生成三角形有限元網格，形成節點1 878個，為考慮水分運動和根系吸水兩個模擬過程，將土壤分層設置，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，水平向滴管處兩側各15 cm范圍內，最低和最高時間步長乘法因子取1.3和0.7，同時，以含水率方式指定初始條件，并依據實際土壤含水率觀測點設置模擬觀測點，以便提高模型檢驗效率。

2.2.2 基本方程

(1)土壤水運動方程。基于線性的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為水力傳導度，cm/d；t為時間，d；h為土壤負壓水頭，cm；x代表水平方向，cm；z代表豎直方向，cm；S為源匯項，d-1。

(2)根系吸水。基于Feddes模型，求解源匯項S：

S(h)=α(h)β(x,z)Tp

(2)

式中：α(h)為水分脅迫影響函數；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。基于van Genuchten方程，求解土壤水分特征曲線θ(h)以及非飽和水力傳導度函數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為飽和土壤導水率，cm/d；Se為土壤相對飽和度，cm3/cm3；α、n與m(m=1-1/n)是形狀參數，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日實測土壤含水率為初始土壤含水率，模擬區域初始含水率，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；不考慮地下水對模擬區影響，下邊界取自由排水邊界；模擬區左右對稱，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

(1)土壤水力參數。模擬區豎直方向(0～100 cm)土壤分為耕作層(0～40 cm)與基層(40～100 cm)，相應土壤水力參數也要分層設置。以2009年7月27日至8月15日土壤含水率模擬值與實測值進行擬合，率定后利用8月20日至9月3日的模擬值與實測值進行驗證，經均方根誤差(RMSE)評價，率定后的土壤水力參數滿足試驗精度，具體數值見表2。

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

(2)根系吸水參數。 結合本次模擬實際情況，并查閱相關資料[10]，確定根系吸水的7個參數值，見表3。

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

3 結果分析與討論

3.1 不同位置處土壤含水率模擬

基于HYDRUS-2D模型，得到模擬期內不同位置處土壤含水率值，并將其與實測土壤含水率進行比較，見圖5。同時，以均方根誤差(RMSE)和平均相對誤差(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

評價指標膜中膜內管下膜外膜間RMSE(cm3·cm-3)0.0430.0580.0660.0610.051RE/%10.218.517.718.713.9

由表4可知，5個位置處RMSE均小于0.1，且RE在20% 以內，說明誤差在可接受精度范圍內，整體模擬效果較好。但膜外處RE相對較大，可能因此處上邊界是大氣邊界，易受降水、蒸發以及左側灌溉水等因素綜合影響，因而土壤含水率變化較大，再結合圖5(d)，土壤含水率模擬值略小于實測值，這可能與模擬過程中蒸散發量分配有關；管下處RMSE相對較大，可能因此處上邊界條件是變流量邊界，當有灌溉時，此處土壤含水率變化最大，結合圖5(c)，管下處的實測含水率相對較大可能與根系吸水參數以及土壤水力參數設置以及實測資料精確度有關；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，土壤含水率所受干擾較少。總體上圖5中的實測值與模擬值繪出的點與1:1線十分接近，表明HYDRUS-2D可較好模擬干旱區土壤水運動狀況。

3.2 不同深度處土壤含水率模擬

模擬期內土層不同深度含水率實測值與模擬值擬合情況以及隨時間的變化規律，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測值偏差較小，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處模擬效果相對一般，可能與模型中土壤水力參數取值，尤其是飽和滲透系數(Ks)以及土壤的空間變異性有關；③模擬期內，淺層土(-0～-50 cm)土壤含水率在0.25～0.30 cm3/cm3波動幅度較大，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、地表蒸發以及降雨等影響。較深層土距滴管以及裸地表面較遠，土壤含水率變化趨勢相對平緩，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，時間間隔較小，故淺層土壤含水率相對較高，且沒有明顯降低趨勢。

3.3 土壤水平衡分析

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

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作用，同時不考慮區域地表徑流。HYDRUS-2D模型模擬區域水平衡公式如下：

ΔW=W2-W1=P+I-E-T-Rc-Rs-Rg

(7)

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

結合本試驗模擬情景，可將式(7)簡化為：

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。

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

新疆石河子模擬區域模擬期內的各出水項速率變化情況，見圖9。由圖9可知，根系吸水速率在前25 d穩步下降，29 d后下降趨勢顯著增加；蒸發速率在前29 d穩定在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；而下滲速率穩定在0.5 mm/d左右，變化幅度不明顯。

圖7 模擬區域入水量累計Fig.7 Accumulated water inflow in the simulation

圖8 模擬區域出水量累計Fig.8 Accumulated water outflow in the simulation region

圖9 模擬區域出水各項速率Fig.9 The outflow rates of each items in the simulation region

基于HYDRUS-2D模型，給出模擬區域39 d出入水量結果，見表5。由表5可知，模擬期內，區域入水量為289.23 mm，其中灌溉量占到入水量的97.6%，而降雨量只有總入水量的2.34%，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，而降雨補給相對較少；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，這大幅提高了區域水資源利用效率；區域總入水量比出水量多16.43 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給后不會降低，甚至會略有升高。

表5 模擬區域39 d累計出入水量表 mm

4 結 語

基于HYDRUS-2D模型模擬了新疆瑪納斯河流域石河子試驗站種植棉田土壤水運動狀況，得到以下結論。

(1)模擬期內， 5個位置處(膜中、膜內、管下、膜外、膜間)RMSE均小于0.1，RE在20% 以內，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棉田1膜4行覆膜方式的土壤水運動狀況。

(2)模擬區域水量基本保持平衡狀態，其中灌溉水量是區域入水的主要部分，而作物生長發育根系吸水占到了模擬區域耗水量80%以上，滲漏和裸地無效蒸發均不到耗水總量的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無效蒸發。

(3)因實測資料有限，未涉及新疆棉田全生育期土壤水平衡模擬研究。未來在擴充研究資料、研究對象的基礎上，進一步探討和論證HYDRUS-2D模型在新疆地區土壤水平衡情勢分析中的適用性。

致謝：感謝楊玫老師提供的數據資料，使本文順利完成。

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