田間水分轉(zhuǎn)化分析論文
時間：2022-06-29 05:10:00
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田間水分的轉(zhuǎn)化過程主要包括降雨或灌水的入滲，徑流，根區(qū)土壤水分運移，根系吸水，蒸發(fā)蒸騰，根區(qū)以下土壤水運動等.描述土壤水運動的動力學方程是根據(jù)達西定律和連續(xù)方程結(jié)合推導出來的，由于方程是非線性的，所以只有在特定的初始和邊界條件下才能用解析法求解.自60年代以來，隨著電子計算機技術(shù)的發(fā)展，人們能夠借助計算機運用數(shù)值模擬的方法，對一般條件下的土壤水分運動問題求解，并得到了滿意的結(jié)果.本文采用HYDRUS模型軟件進行數(shù)值模擬.
1.1HYDRUS模型HYDRUS模型軟件［8］是美國鹽堿實驗室在Worm模型的基礎上的改進版，用于模擬計算一維垂直非飽和流和溶質(zhì)運移，考慮了作物根系吸水和土壤持水能力的滯后影響，適應于恒定或非恒定的邊界條件，具有靈活的輸入輸出功能，可用來模擬非勻質(zhì)土壤，最多可模擬5種20層土壤.模型中方程解
法采用Gakerin線性有限元法.
1.2方程和邊界條件在忽略土壤側(cè)向水流運動，僅考慮一維垂向運移時，有根系吸水項的土壤水分運動方程為［1］：
c(h)(h)/(t)=()/(Z)k(h)(h)/(Z)-k(h)-s(z,t)(1)
式中c(h)——比水容重［L-1］,c(h)=dθ/dh,h——土壤壓力水頭［L］，θ——體積含水量［L3L-3］,k(h)——水力傳導度［LT-1］，s(z,t)——單位體積根系吸水率［T-1］,z——土壤深度［L］、向下為正，t——時間［T］.
初始條件：h(z,t)=h0(z),t=0.
上邊界條件：h(0,t)=h0(t),(積水條件)
[-k(h)(h)/(z)+k(h)]/z=0=q0(t)(2)
式中h0(t)——已知壓力水頭［L］，q0(t)——凈通量，正通量表示下滲，負通量表示蒸發(fā)(棵間蒸發(fā)).
下邊界條件：h(l,t)=hi(t),
[-k(h)(h)/(z)+k(h)]/z=l=q1(t)或(h)/(z)/zl=0,(3)
2作物根系吸水模式
本文采用VanGenuchten模型［8］，即
s(z,t)=Ep(t)ξ′,(z)σ(h,h0)(4)
式中S(z,t)——單位根據(jù)吸水率，Ep(t)——作物最大蒸騰率，σ(h,h0)——鹽分應力函數(shù)，反映土壤鹽分對田間根系吸水的影響.
σ(h,h0)=(1)/(1+(h+h0)/(h50))p(5)
式中h——壓力水頭，h0——滲透壓，與溶液濃度C有關，h0=a1c,a1簡單換算系數(shù)，其值依賴于壓力水頭和濃度表達的單位.h50——作物潛在蒸騰率減少50%的土水勢，對玉米而言，h50為-0.25—-0.65MPa，一般取-0.43MPa(Ehler,1983),P——經(jīng)驗常數(shù)，P≈3；ξ′(z)——根系密度分布函數(shù)相對值.
(6)
其中Lr——根層深度，ξ(z)——根系密度分布函數(shù)，ξ(z)是根深Lr的函數(shù)，實際應用中將Lr分為若干層且認為每層內(nèi)根系分布是均勻的.根系密度采用層內(nèi)干根重占根區(qū)總干根重的比值表示，由田間實測獲得.
3非飽和導水率的確定
非飽和導水率K是土壤水分運動的重要參數(shù)，在對非飽和土壤水運動基本方程進行數(shù)學分析時，無論用解析解或數(shù)值解的方法，都要用到它.獲得K的方法有兩種：一是實驗方法，如瞬時剖面法，垂直下滲通量法，垂直土壤穩(wěn)定蒸發(fā)法，結(jié)殼法等；另一種是間接法，即根據(jù)已知的水分特征曲線和其他條件推導出的函數(shù)形式，如VanGenunchten(1980)將土壤水分特征曲線的函數(shù)形式與Mualem(1976)導出的用來預測非飽和導水率的函數(shù)形式相結(jié)合得到如下函數(shù)關系［5］：
θ(h)=θr+(θs-θr)/(［1+(αh)n］m),(7)
k(l)=kss1/21[1-(1-s1/ml)m]2,(8)
sl=(θ-θr)/(θs-θr),(9)
式中θs——飽和含水量；θr——殘余含水量；Ks——飽和導水率；Sl——相對飽和度，α,n,m——擬合參數(shù)，通過非線性最小二乘法對室內(nèi)試驗獲得的土壤持水數(shù)據(jù)(θ,h)進行擬合求模糊.將式(7)代入式(8)得：
k(h)=ks［1+(αh)n］-2/m｛1-［1-(1+αh)n］-m｝2(10)
表1VG非飽和導水率函數(shù)有關參數(shù)
土層深度/cm飽和含水量/cm/cm殘余含水量/cm/cmα/a/cmnR2
0—800.490.120.0181.330.97
80—1000.510.0960.005531.1890.98
100—2200.480.080.00871.4790.98
220—4000.430.0640.00231.3870.99
4作物騰發(fā)量的計算
作物騰發(fā)量又稱作物耗水量，是指在作物生長季節(jié)，從生長面積上失去的水量，它包括從作物體蒸騰的水量和組成作物體內(nèi)的水量(所占比例很小，可忽略不計)以及從種植面積上棵間蒸發(fā)的水量.目前最常用的最大作物騰發(fā)率的計算方法是先計算參考作物騰發(fā)率ET0(t),然后將其乘以一個作物系數(shù)Kc(t),即：ETc(t)=Kc(t)ET0(t);作物系數(shù)Kc由河北望都灌溉試驗站的灌溉資料確定.參考作物騰發(fā)率由FAO新近推薦的Penman-monteith方法計算［6］，F(xiàn)AO-Penman-monteith方法把參考作物騰發(fā)量重新定義為“作物高度0.12m，固定葉而阻力70sm-1，反射率0.23的假想?yún)⒖甲魑锏尿v發(fā)量”，由此結(jié)合monteith方法可得出FAO-Penman-monteith方程下：
ET0=(0.408Δ(Rn-G)+γ(900)/(T+273)U2(ea-ed))/(Δ+γ(1+0.34U2))(24h)(11)
式中ET0——假想草的參考騰發(fā)量(mmd-1),Rn——凈輻射(mJm-2-2d-1),G——土壤熱通量，γ——干濕球常數(shù)，U2——2m高處風速，ea——飽和水汽壓(kPa)，ed——實際水汽壓(kPa)，Δ——壓力曲線斜率，P——大氣壓力(KPa).
5棵間蒸發(fā)與植株蒸騰的劃分
作物騰發(fā)量中葉面蒸騰與棵間蒸發(fā)的分攤是農(nóng)田水分循環(huán)以及土壤-植物-大氣連續(xù)體水分傳輸動態(tài)模擬研究中必不可少的工作之一，同時也是一件困難的事情.Richie和Burnett(1971)研究了棉花和谷類作物的分攤系數(shù)和葉面積指數(shù)LAI的關系，提出了充分供水條件下葉面蒸騰Tp與ETc關系式：
Tp=(-0.21+0.7×LAI1/2)ETc,(0.1≤LAI≤2.7)，
Tp≈0.(LAI≤0.1)，(12)
國內(nèi)對這方面研究工作開展不多，西北農(nóng)業(yè)大學康紹忠通過研究認為［4］：作物蒸騰在總騰發(fā)中所占的比例依賴于提供到作物冠層和棵間土壤表面的凈輻射以及各部分的傳輸阻力，若葉面蒸發(fā)與騰發(fā)用波紋比－能量平衡法計算：
ETc=Rn/(1+β1),Tp=Rnc/(1+β2)，在充分質(zhì)水條件下β1≈β2，由此可導出：
Tp/ETc=Rnc/Rn.據(jù)田間連續(xù)幾年觀測，得到關系：
(13)
式中t——為一日中的時間，從零點開始；K、A——為經(jīng)驗系數(shù)，對于玉米K=0.4016，A=0.9872；Tp——葉面蒸騰，ETc——作物騰發(fā)量.
本文利用實測的LAI數(shù)據(jù)分別用康紹忠公式和Chids公式計算了雄縣試驗站1995年夏玉米在不同生育階段的葉面蒸騰Tp并進行了線性回歸分析，其相關系數(shù)R2=0.98，說明兩種公式計算Tp有很好的一致性，應用于實際比較可靠，本文模擬計算中潛在蒸騰率采用康紹忠公式計算結(jié)果.
6實際棵間蒸發(fā)的估算
在模擬計算中，上邊界通量包括實際棵間蒸發(fā)量，但比較準確地確定實際棵間蒸發(fā)量目前仍很困難，為此本文采用一種試算方法，即根據(jù)實測葉面積指數(shù)按康紹忠的棵間蒸發(fā)，葉面蒸騰分配公式求出各個階段中棵間蒸發(fā)與葉面蒸騰的比例值，然后在計算中先輸入潛在棵間蒸發(fā)，則有一個葉面蒸騰值(等于根系吸水)的輸出，得出一個模擬的棵間蒸發(fā)與根系吸水的比值Es/S，判斷兩個比值的大小，如果不一致，則改變輸入的棵間蒸發(fā)值，再進行模擬計算，至直兩個比值比較接近.由式(13)可推導出：
(14)
式中Es——棵間蒸發(fā)，s——葉面蒸騰.
表2各個生育階段的Es/S值
生育階段播種-出苗出苗-拔節(jié)拔節(jié)-抽穗抽穗-灌漿成熟
平均LAI0.42255.386.48
Es/ETc0.9140.2100.062
Es/S10.6280.2660.066
7模型的可靠性驗證
本文選用1995年河北雄縣試驗站作物灌溉試驗資料進行了實際模擬，模擬結(jié)果見圖1.模擬時把自由排水的下邊界選在3.0m處，模擬中上邊界采用通量已知的第二類邊界條件，在作物各生育階段內(nèi)遂日輸入通過上界面的變量值，包括降水量、灌溉水量、作物潛在蒸騰量和棵間蒸發(fā)量，模擬的土體由3類土壤分4層構(gòu)成.由圖可知，用Hydrus模型模擬土壤水分運動是可靠的.
圖1玉米田間土壤剖面負壓實測值與模擬值比較
8田間水分轉(zhuǎn)分分析
8.1不同水文年田間水分轉(zhuǎn)化模擬表3和4分別為特旱年，干旱年、平水年和豐水年以及不同灌溉處理的模擬結(jié)果，結(jié)果表明：(1)夏玉米生長期降水量雖然占全年的70—85%，但通過模擬計算表明其不同年份的實際騰發(fā)量相差仍然較大，特旱年只占作物最大騰發(fā)量的55%，灌1—3次水即可提高到80%左右；干旱年占79%，灌1次水可提高到90%，所以對夏玉米進行灌溉是提高其產(chǎn)量所必需的.(2)供水量越大，作物吸水作用越強，而棵間無效消耗(棵間蒸發(fā))增加較緩慢.(3)夏玉米的生育階段需水量是由棵間土壤蒸發(fā)與葉面蒸騰量組成，在不同生育階段，它們之間的比例變化很大，從夏玉米播種到拔節(jié)，恰處于6月中下旬至7月上旬，氣溫高，大氣干燥.此時植株矮小，葉面積指數(shù)小，葉面蒸騰量很低，棵間土壤蒸發(fā)量卻占較大的比例，從表4看出：該階段棵間蒸發(fā)量比例達90%以上，從全生育期看，玉米棵間土壤蒸發(fā)量占總需水量的40%左右.棵間土壤蒸發(fā)量對產(chǎn)量形成基本上無意義，應當采取適當?shù)脑耘啻胧?，盡量降低它所占的比例.80年代以來，采用地膜覆蓋進行節(jié)水的田間管理，基本上消除了棵間土壤蒸發(fā)量，減少了農(nóng)田耗水量，有利于提高水的利用效率，應盡量推廣應用.(4)從表3看出棵間蒸發(fā)與深層滲漏之和占總供水一般在35—45%之間，所以從供水角度來講，降低二者所占比例，節(jié)水用水意義很大.
表3不同水文年田間水分轉(zhuǎn)化模擬結(jié)果
水文年處理EsSETaETa/ETcDD/(P+I)ΔWD+Es(D+Es)/(P+I)
特旱
年不灌82.11126.6208.75524.410.4106.545.0
灌1水92.78178.9271.77229.29.48.8122.039.3
灌2水94.13198.7292.97742.0210.951.4136.235.3
灌3水99.91219.5319.48474.816.365.7174.738.0
干
旱
年不灌104.5172.0276.67926.38.5130.942.3
灌1水106.2201.4316.79036.29.618.0142.437.8
灌2水108.5215.5324.19381.61848.0190.144.3
平水年不灌79.66185.5265.27839.211.524.4118.134.5
灌1水80.26191.9272.28068.51663.0148.734.7
豐水年不灌101.1198.5299.89399.820100200.940.3
注：Es——棵間蒸發(fā)，S——根系吸水，ETa——實際騰發(fā)量，ETc——作物潛在騰發(fā)量，D——深層滲漏，P——降雨，I——灌溉，ΔW——1m土層儲水變化.
表4不同水文年棵間蒸發(fā)值
水文年生長階段播種-出苗出苗-拔節(jié)拔節(jié)-抽穗抽穗-灌漿全生育期
特旱
年ETa26.0535.7896.250.68208.7
Es26.0532.720.213.1582.11
S03.0875.9947.53126.6
Es/ETa(%)1009121639
干
旱
年ETa18.5757.08143.857.1276.53
Es18.5752.3530.23.4104.5
S04.73113.653.7172.03
Es/ETa(%)1009221638
平
水
年ETa14.1746.62143.9580.2272.2
Es14.1742.3831.654.8280.26
S04.24112.375.38191.92
Es/ETa(%)1009122629
豐
水
年ETa17.451.42154.0476.84299.8
Es17.446.8833.922.99101.2
S04.5412.1275.85198.59
Es/ETa(%)1009122434
8.2不同灌水定額在不同階段的模擬本文選用20m/畝、30m/畝，40m/畝，50m/畝，60m/畝，70m/畝，80m/畝，100m/畝，120m/畝等不同灌水定額在不同生育階段進行了模擬，模擬分兩種情況，一種選擇各生長階段無雨情況下的15天進行模擬，模擬結(jié)果見圖2和圖3；另一種選擇實際降雨情況按各階段的實際天數(shù)模擬，模擬結(jié)果見圖4.
(1)隨著灌水定額的增加，棵間蒸發(fā)所占灌水量的比例(耗水比例，下同.)逐漸減小，而深層滲漏所占灌水量的比例則逐漸增大，但二者之和總存在一個最小值，相應于此最小比值的灌水定額，即為最省水的灌水定額，對應于不同生育階段其灌水定額亦不同，分別為60m/畝，50m/畝，和40m/畝(見圖2).
圖2不同生育階段灌水定額與耗水關系
(2)在不同灌水定額條件下，土層內(nèi)儲水量，棵間蒸發(fā)量變化較小，主要變化為深層滲漏量，以1m土層為例，60m/畝與50m/畝兩種方案比較，儲水量之差、棵間蒸發(fā)量之差，深層滲漏量之差在不同生育階段分別是出苗至拔節(jié)階段為5mm,0.75mm,9mm；拔節(jié)至抽雄階段為3.5mm，0.15mm，11.02mm；灌漿至成熟階段為4.5mm,0.015mm,10.5mm，說明灌的越多，滲漏的越多，多灌是無益的
(3)考慮的土層深度不同，最省水灌水定額的值也不同，以灌漿至成熟期為例(見圖3)，對應土層深度為120cm,100cm和80cm的省水灌水定額分別為50m/畝，40m/畝和30m/畝.夏玉米的有效根深最大可達到100cm，本文模擬計算時平衡區(qū)(土層深度)選用100cm.
圖3不同下邊界條件下灌水定額與耗水關系
(4)降雨量較多的年份如平水年和豐水年，棵間蒸發(fā)與深層滲漏之和所占灌水的比例隨灌水量增加雖單調(diào)緩慢遞減，不存在一個最小值(見圖4)，這是因為棵間蒸發(fā)在水份較多情況下，隨著供水量的增加不再變化，深層滲漏占供水量的比例變化也不大，但在灌水定額為40m/畝是一個變化快慢的轉(zhuǎn)折點，所以可把省水灌水定額選為40m/畝.
圖4不同水文年耗水與灌水定額的關系
參考文獻
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AstudyonfieldsoilwaterbalanceforsummercorninnorthChinaplain
LiuQunchang
(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch)
XieShenchuan
(TsinghuaUniversity)
AbstractInthispaper,fieldsoilwaterbalancesinrootzoneissimulatedbyusingone－dimensionalvariablesaturatedwaterflowmodelundertheconditionofdifferenthydrographicyearandirrigationrequirementforsummercornduringdifferentgrowingstage.Therelationamongtheevaporationfromcroppedsoilsurface,theleakatbottomandtheirrigationrequirementhavebeenstudiedquantitatively.Theoptimalirrigationrequirementrecommendedbytheauthorsis600m
haforsummercorninnorthChinaplain.