DRAINMOD模型在農田排水中的應用

王寧 俞雙恩

摘 要：為驗證DRAINMOD模型的準確性，該文采用泗陽縣運南灌區4次降雨后農田短系列排水過程實測數據與模擬數據進行評價分析，兩系列相關系數均在0.98以上，具有較好的相關性；Nash系數均在0.9以上，模型模擬效率較高，實用性較強。

關鍵詞：DRAINMOD；模擬；驗證；短系列

中圖分類號 S276 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2018）08-0118-03

Application of DRAINMOD Model in Farmland Drainage

Wang Ning1 et al.

（1Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower， Hefei 230088，China）

Abstract：The paper analyses the difference between the simulation and measurement results of short series farmland drainage after four rainstorms in Yunnan irrigation area in Siyang County to test and verify the accuracy of DRAINMOD. The two series have preferable relativity with the correlation coefficient exceeds 0.98； and the efficiency and practicability of model are perfect with Nash coefficient outnumbers 0.9.

Key words：DRAINMOD；Simulating；Verification；Short series

DRAINMOD模型是Skaggs于1978年提出的一個淺層土壤水分管理模型[1]。模型基于田間尺度，可以根據給定的初始場預測田間地下水位，地表、地下排水量，土壤剖面含水量，作物產量等。1992年Kandil[2]在DRAINMOD模型基礎上加入了水鹽運移模塊，將土壤鹽分運移分為土壤水飽和區和非飽和區分別計算；1994年Breve等[3]在DRAINMOD排水模型基礎上提出了DRAINMOD-N氮素模型，2004年Youssef[4]完善了氮素模型，將碳循環過程引入其中，提出了DRAINMOD-NII模型，至此模型能夠較為全面的描述土壤、水、大氣中氮素循環交互過程。隨著研究的逐漸深入，范圍不斷延伸，DRAINMOD模型已經逐漸發展為多元聯動耦合模型，如與綜合作物模型系統DSSAT耦合的DRAINMOD-DSSAT模型[5]，與地理信息聯合運用的DRAINMOD-GIS模型[6]、DRAINMOD-Geostatistical模型[7]，以及與林地生長模型3-PG model耦合的DRAINMOD-FOREST模型[8]等，DRAINMOD模型不斷發展，具有較高的模擬精度和預測合理性。本文擬采用2012年夏季泗陽縣運南灌區4次降雨后農田排水過程實測數據系列與模擬數據系列進行比較，分析降雨后預測的短系列排水量與實測排水量差異，以驗證模型的準確性與合理性。

1 DRAINMOD模型基本原理

DRAINMOD模型利用地表水量與土壤內部水量平衡原理，以天或小時為模擬單位，以氣象資料、土壤特性、入滲過程、作物種植、排水系統設計等為參數，用于預測地下水位變化過程，地表、地下排水量，土壤含水量等。模型計算過程中將土壤自動劃分為土壤水飽和區和非飽和區，認為非飽和區為一維垂向土壤水運動，忽略側向土壤水運動的影響，而飽和區則考慮垂向和側向的土壤水運動，然后分別進行地表和地下土壤水量平衡計算。

2 試驗區概況與試驗方法

試驗區屬于暖溫帶季風氣候，年均降雨量892.3mm，其中，主汛期（6—9月）雨量占年降雨量近70%。該區年均水面蒸發量900mm，年平均氣溫14.1℃。土壤類型為砂壤土，總孔隙度為44.97%，pH值為7.02，土壤有機質21.88g·kg-1。

試驗種植粳稻，采用常規灌溉排水的方式，6月20日泡田翻耕，6月26日移栽，重復進行3組試驗，各生育期控水指標見表1。降雨排水前在農溝出口處設置三角量水堰，監測降雨后地表排水情況，同時，采用水尺量取各監測點水位變化情況，以得到降雨前后總排水量變化，過程中每30min觀測一次。

3 模型參數確定及評價方法

3.1 模型參數確定 模型的主要輸入參數包括試驗區的氣象、土壤、水力設計參數、作物資料等。降雨資料為DRAINMOD的基本輸入項之一，地表徑流、地下排水及深層滲漏量等指標的預測需要準確的降雨資料作為支撐。試驗期間降雨分別發生在：7月24日、8月15日、9月7日及9月17日，降雨量分別為102.6mm、169.1mm、74.2mm及59.5mm；排水設計參數中排水間距、深度分別為1500cm、80cm，排水系數為2cm/d，不透水層深度為550cm，排水農溝底寬為60cm，邊坡系數為1.0；作物根系深度根據不同時期分為7月3日～7月28日、7月29日～8月20日、8月21日至9月1日、9月2—20日，分別為15cm、25cm、30cm、30cm。土壤參數與實測試驗一致，見表2和表3。

3.2 模擬效果的評價參數 模擬效果的評價參數采用Nash效率系數（Nash-Sutcliffe efficiency）[9-10]，Nash反應了模擬值、實測值及實測值均值間的離差情況，進而反應模型的模擬效率，Nash∈（-∞，1），1表示模擬效果最優，Nash值越小模擬效果越差，計算公式如下：

[Nash=1-i=1nSi-Oi2i=1nOi-O2] （1）

式中：Oi為第i時段的觀測值；[O]為整個時段觀測值的平均值；Si為第i時段的模擬值。

4 結果與分析

從模擬值與實測值的相對誤差來看，各次降雨模擬值與實測值誤差絕對值在1.68%～9.09%，未超過10%，對于降雨總量而言，誤差絕對值均在1%以內，較各次降雨?。粚τ谙嚓P系數，徑流、側滲及排水總量系列模擬值均與實測值具有較好的相關性；對于Nash，排水總量與徑流系列Nash均在0.95以上，而側滲系列僅為0.9，說明模型模擬過程中對于地表排水及排水總量的過程擬合較為準確，而側滲過程有所欠缺，總體而言模擬結果較為可信（表4）。

由此可見，DRAINMOD模型能夠在降雨后農田短系列排水應用方面提供較為可信的成果，為今后農田排水預測控制提供了一種便捷有效的工具。

參考文獻

[1]Skaggs R W.A water management model for shallow water table soils[R].Report No.134.Water resources research institute of the university of North Carolina，North Carolina State University，Raleigh NC，1978.

[2]Kandil， H. M.. DRAINMOD-S： A water Management Model for Irrigated Arid Lands. Ph.D. Thesis. North Carolina State University， N.C.，1992.

[3]Breve M A，Skaggs R W，Parsons J E，et al.DrainMOD-N，a nitrogen model for artificially drained soil[J].Trans of the ASAE，1997，40（4）：1067-1075.

[4]Youssef，M.A..Modeling Nitrogen Transport and Transformations in High Water Table Soils. Ph.D. Thesis，North Carolina State University， N.C.，2004.

[5]Negm， L. M.，Youssef， M. A.， Skaggs， R.W.， et al. DRAINMOD–DSSAT model for simulating hydrology， soil carbon andnitrogen dynamics， and crop growth for drained crop land [J]. Agricultural Water Management， 2014，137：30-45.

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[8]Tian， S.， Youssef， M. A.， Skaggs， R.W.，et al. DRAINMOD-FOREST： integrated modeling of hydrology， soil carbon and nitrogen dynamics，and plant growth for drained forests[J].Environ. Qual.，2012，41，764-782.

[9]雷志棟，楊清秀，謝傳森.土壤水動力學[M].北京：清華大學出版社，1988.

[10]Nash， J. E.， Sutcliffe， J. V.. River flow forecasting through conceptual models： I. A discussion of principles [J]. J. Hydrol.，1970，10（3）：282-290.

（責編：張宏民）