河北省平原区土壤墒情预报研究

2012-09-04熊孟琴

地下水 2012年6期

熊孟琴

(河北省沧州水文局，河北沧州 061000)

旱灾是常见的自然灾害之一，河北省十年九旱，从历史上看旱灾在时空分布上具有连续性、范围广、季节性三个特点，发生的旱灾往往是大面积连续性干旱。春旱机率最大，且受旱范围大都是全省性的，据1949—1985年37年资料统计，除1963年和1964年外，春旱受旱面积均占平原区面积60%以上。旱灾的频繁发生对我省社会和经济的发展产生了极为不利的影响，干旱已成为制约河北经济发展的瓶颈之一，防旱、抗旱是一项长期而艰巨的工作。河北省平原区主要种植冬小麦和夏玉米，年播种面积冬小麦约3 500万亩，夏玉米约4 000万亩。河北省的农作物种植方式和特点以及旱情特征在中国北方地区具有典型性和代表性，进行土壤墒情预报研究，对于指导北方地区农业生产具有十分重要的意义。

1 研究区概况及数据来源

1.1 研究区概况

河北省位于我国华北地区，在北纬 36°03＇～ 42°40＇、东经113°27＇～ 119°50＇之间，东临渤海，西接山西，南及东南分别与河南、山东为邻，北至西北与内蒙古接壤，东北部与辽宁毗连，中嵌北京、天津两直辖市。全省设有11个设区市，23个县级市，109个县，6个自治县，35个市辖区，共有1 970个乡镇。河北省北部和西部为燕山和太行山山脉，从东北向西南呈弧形分布，东南部地形平坦。河北平原区位于河北省中、东南部，平原区面积73 129 km2，主要种植作物为冬小麦和夏玉米。

1.2 数据来源

本次分析是根据农业气象观测规范所测定的土壤田间持水量、土壤容重，利用土壤墒情监测规范所规定的土壤相对湿度的计算方法进行分析计算。资料采用河北省旱情监测中心衡水(1985—2008年)、冉庄(1988—2008年)、捷地(2002—2006年)三个旱情实验站50站年604万字组，2002－2010年14站、1026站年旱情监测资料。旱情监测站在3－6月份和9－11月份每10日观测一次，即每月1、11、21日监测。旱情试验站每5日观测一次，遇较大降水或灌溉后改为逐日观测，直至含水率变化稳定为止。旱情监测站土壤含水率观测深度为 0.1、0.2、0.5 m 三个深度;三个旱情试验站土壤含水量观测深度为 0.1、0.2、0.5、0.8 m 四个深度。垂线的土壤含水量为各点的算术平均值。

2 研究方法

2.1 土壤退墒变化规律

2.1.1 含水率消退系数

土壤由于受土壤蒸发和植物蒸散发的影响，土壤含水率会不断减少，这种现象就是土壤退墒。对同一监测站点而言，气象因素、作物生长周期甚至土壤含水量都呈明显性周期变化，其变化周期为一年。如作物何时播种、何时收割在每年中的日期都基本是固定的。而在一年中的不同季节，土壤含水量的消退程度是有很大差异的。为此，我们对土壤含水量的消退规律按不同的月份进行分析研究，探讨土壤退墒随季节的变化规律，根据前期含水率、后期含水率以及相隔天数求算出期间土壤含水量消退系数，并按不同的月份统计出逐月平均消退系数，以便运用这些消退系数对土壤的消退过程进行推演。

消退系数K是表示土壤含水率消退程度的参数，其物理意义由下式可说明:

式中:K为土壤含水率消退系数;ρt为 t日后土壤含水率(%);ρ0为时段初土壤含水率(%)t为间隔日数(天)。

在无降水和灌溉的情况下，土壤含水率会随时间的推移而逐步减小，即 ρt应小于 ρ0，故 K值应小于 1。K值越接近于1，则含水率消退越缓慢，K值越小，则含水率消退越快，土壤失墒就越严重。

2.1.2 K 值的计算

由公式(4－1)经整理得:

此式即为K值的求算公式，将统计的时段初土壤含水率ρ0和时段末土壤含水率ρt以及时段初与时段末的间隔天数 t带入以上公式，即可求出不同时期、不同深度的含水率消退系数K。将不同时期的消退系数按月份进行逐月统计，得出逐月消退系数统计表。

本次退墒资料采用冉庄试验站，衡水试验站，捷地试验站50站年的资料。选择两测次中无降水且退墒较明显的时段，分不同深度(旱情试验站分10 cm、20 cm、50 cm、80 cm四个深度;旱情监测站分10 cm、20 cm、50 cm三个深度)分层摘取时段初土壤含水率ρ0和时段末土壤含水率 ρt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 ρ0和时段末土壤含水率ρt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。

由于冬季12月份至次年2月份土壤封冻，无法测定土壤含水率，故三个旱情试验站逐月 K值只统计3～11月份。三个旱情试验站逐月K值统计表详见表1。

表1 河北省旱情实验站K值统计表

2.1.3 消退系数变化规律

1)随季节变化规律

图1 衡水试验站不同深度逐月平均消退系数

图1为衡水试验站不同深度逐月平均消退系数K值比较情况，由图可以看出，不同深度月均 K值随季节的变化有着较一致的变化趋势，基本规律是:以五、六月份为最低点，向前、向后逐月增大。即五、六月份土壤退墒速度最快，3月份和11月份土壤退墒速度最慢。由于12月份、1月份和2月份土壤封冻，土壤含水率资料空缺，因此无法推算其消退系数，但理论上最大K值应出现在这一时间段。

2)随深度的变化规律

由图1可以看到，10 cm深度K值分布在最下方，往上依次是20 cm深度、50 cm深度和80 cm深度，说明K值随深度的增加而增加，即土层越深，其失墒速度越慢。

由表1可以看出，10 cm、20 cm、50 cm、80 cm 四个深度年平均 K 值分别为 0.969、0.974、0.979 和 0.983，K 值也是随着深度的增大而增大，与逐月K值分布趋势相一致。

以上是衡水试验站消退系数的分布规律，冉庄试验站、捷地试验站消退系数的分布规律与衡水试验站大致相同，只是最小值出现的月份略有不同。冉庄试验站和捷地试验站不同深度逐月平均消退系数 K值比较情况见图2、图3。

3 年平均K值在垂线上的分布情况

图4为三个旱情试验站年平均K值在垂线上的分布情况，各试验站年均 K值在0.965～0.989之间，三个试验站 K值的分布趋势完全相同，即表层土壤10 cm深 K值最小，在0.955～0.970之间，随着深度的增加，年均 K值逐渐增大，至80 cm达到最大，在0.975～0.989之间。说明表层土壤含水率失墒最快，随着土层深度增加，土壤失墒速度变得缓慢，直至基本稳定不变。

图2 冉庄试验站不同深度逐月平均消退系数

图3 捷地试验站不同深度逐月平均消退系数

图4 三个旱情试验站年平均K值在垂线上的分布

2.1.4 土壤退墒变化规律的验证

三个旱情试验站利用各自求算出的逐月消退系数K值对本站2008年(捷地站为2006年)实测含水率资料进行验证。其方法是:选择两测次中无降水且退墒较明显的时段，分不同深度(10 cm、20 cm、50 cm、80 cm)分层摘取时段初土壤含水率ρ0和时段末土壤含水率 ρt以及时段初与时段末的间隔天数，利用各站不同月份、不同深度消退系数计算出时段末土壤含水率ρt并与实测值进行对比;同时摘取垂线平均时段初土壤含水率 ρ0和时段末土壤含水率ρt，用垂线平均消退系数计算出时段末土壤含水率ρt并与实测值进行对比。

将本站实测值与预报值参照《水文情报预报规范》进行评定。《水文情报预报规范》规定，预报值与实测值误差小于±20%为合格预测，预测合格数量占全部预测总数的85%以上为甲级预报，75%% ～85%为乙级预报，65% ～75%为丙级预报，其中甲级和乙级预报可以作为预报的依据，丙级预报可以作为预报的参考。经评定，三个旱情试验站的退墒预报方案合格率为95.2%，达到甲级标准，可用于正式墒情预报作业。

2.2 土壤增墒变化规律

2.2.1 计算方法

降水是土壤水的主要来源，高强度的降水除一部分补充土壤水外，还会伴随有径流产生，若是降水量很大，还会有一部分补充地下水。本课题研究的主要是降雨对增墒的影响，即渗入土壤中而又不至于形成重力水的那部分水量。本次选取汛期次降水量在25 mm以上，非汛期降水量在10 mm以上，增墒明显的时段，摘取次降水量P，及垂线平均的雨前土壤含水率ρ0和雨后土壤含水率 ρt，计算出对应于该次降水的土壤含水率增量 Δρ，Δρ=ρt－ρ0。雨前土壤含水率即降水开始前一天的土壤含水率，雨后土壤含水率，即降水停止后第一次测得土壤含水率。(若该日无观测值，以土壤含水率消退公式推得)。

2.2.2 增墒规律

各试验站根据雨后增墒统计数据，绘制以前期土壤含水率ρ0为参数、降水量 P为纵坐标、含水率增量 Δρ为横坐标的降水量P～雨前含水率 ρ0～雨后土壤含水率增量 Δρ相关图。衡水试验站单站P～ρ0～Δρ的增墒相关图见图5，冉庄试验站单站P～ρ0～Δρ的增墒相关图见图6。由图可以看出土壤增墒具有以下特性:

(1)当雨前含水率 ρ0一定时，随着降水量的增大，土壤含水率增值也逐渐增大，当增大到一定程度即雨后含水率ρt(ρ0+Δρ)接近土壤田间持水量时 Δρ基本不再增大，此时随着降水量的增加 Δρ将无限趋近于一个常数，即田间持水率与前期土壤含水率的差值，多余的降水量将以径流或者下渗的方式流出监测土层，监测土层内土壤水含量不会再增加。表现在图上即是增墒曲线上部将会越来越陡，直至趋近于一条垂直线。

(2)当降水量一定时，雨前含水率 ρ0越大则增墒值 Δρ越小，说明前期含水率越大则降水转化为土壤水的比例越小、降水损失量越大，即雨期蒸发量、径流量、入渗量随着前期含水率的增大而增大。

图5 衡水试验站 P～ρ0～Δρ的增墒相关图

图6 冉庄试验站 P～ρ0～Δρ的增墒相关图

(3)由图5、6可以看出，以 ρ0为参数的 P～Δρ关系曲线的线性为指数曲线，其形式为:

P=m*en*Δρ，将其转换形式，则可得到以下公式:

式中:m、n均为常数，可令 1/n=a，ln(m)/n=b，则上式可以表达为:

式中:a、b为公式系数，对于一定的雨前土壤含水率 ρ0，a、b为一常量，但对不同的雨前土壤含水率 ρ0，a、b又各不相同，故a、b又为雨前含水率的函数，各代表站经试配公式，其中捷地试验站增墒数据较少，采用衡水试验站成果。其结果如下

衡水试验站:a= － 0.214 2ρ0+7.555 3，b= －0.443 3ρ0+16.140 9

冉庄试验站:a= －0.275 3ρ0+7.312 0，b= － 0.541 2ρ0+15.397 0

2.2.3 增墒变化规律验证

三个旱情试验站利用各自求算出的增墒计算公式对本站2008年(捷地站为2006年)实测含水率资料进行验证。本次选取汛期次降水量在25 mm以上、非汛期降水量在10 mm以上，增墒明显的时段，摘取次降水量 P及垂线平均雨前土壤含水率 ρ0、雨后土壤含水率 ρt，将 P和 ρ0带入增墒计算公式，计算出对应于该次降水的土壤含水率增量 Δρ，再根据公式 ρt=ρ0+Δρ，将计算出的雨后土壤含水率

ρt与实测值进行对比，参照《水文情报预报规范》进行评定。土壤含水率的许可误差，采用实测值的20%。经评定，三个旱情试验站的增墒预报方案合格率分别为100%、85.7%、100%，均达到甲级标准，可以用于正式的墒情预报作业。

3 预报模型

河北省平原区根据地形地貌和水文地质条件等因素可划分为三个类型区即中部平原区、山前平原区和滨海平原区，衡水试验站代表中部平原区、冉庄试验站代表山前平原区、捷地试验站代表滨海平原区(图7)。不同类型区以旱情试验站单站模型为基础，结合旱情监测站资料建立分区土壤墒情模型。

图7 河北省平原区分区及试验站位置图

3.1 山前平原区预报模型

山前平原区退墒模型 ρt=ρ0Kt，其中消退系数 K采用表2。山前平原区增墒模型 ρt=ρ0+Δρ，Δρ=a*ln(P)－b，其中参数a= － 0.275 3ρ0+7.312，b= － 0.541 2ρ0+15.397 0。

3.2 中部平原区预报模型

中部平原区退墒模型 ρt=ρ0Kt，其中消退系数 K采用表3。中部平原区增墒模型 ρt=ρ0+Δρ，Δρ=a*ln(P)－b，其中参数a= －0.214 2ρ0+7.555 3，b= －0.443 3ρ0+16.140 9。

3.3 滨海平原区预报模型

滨海平原区退墒模型 ρt=ρ0K，其中消退系数 K采用表4。滨海平原区增墒模型采用衡水试验站成果 ρt=ρ0+Δρ，Δρ=a*ln(P)－b，其中参数 a= －0.214 2ρ0+7.555 3，b=－ 0.443 3ρ0+16.140 9。

表2 山前平原区不同月份不同深度K值统计表

表4 滨海平原区不同月份不同深度K值统计表

3.4 预报模型率定

预报模型建立后，在河北省冀东平原、京津以南平原区的不同分区中选择典型旱情监测站，对已有单站模型进行率定和修正。唐山－秦皇岛地区选择了属滨海平原区的六农场、西新庄、赵家港3个旱情监测站和属中部平原区的司各庄、钱营两个旱情监测站共5个旱情监测站;在中部平原区的衡水市，选择武强、合立、合方3个旱情监测站;在山前平原区的保定市，选择北郭村、北辛店、东茨村3个旱情监测站;在滨海平原区的沧州市，选择旧城、杨家寺、付赵3个旱情监测站。

其中唐山－秦皇岛地区的六农场、西新庄、赵家港3个旱情站采用捷地试验站确定的消退系数K值和增墒公式进行预报;司各庄、钱营2个旱情监测站采用衡水试验站确定的消退系数K值和增墒公式。经实测数据进行率定，其实测值与预报值参照《水文情报预报规范》进行评定，这5个旱情监测站2006年土壤墒情资料预报合格率为88.8%，达到甲级预报标准，表明给出的模型在河北省冀东平原区具有较好的代表性，参数合格。衡水地区武强、合立、合方3个旱情监测站采用衡水试验站确定的消退系数K值和增墒公式进行预报;保定地区北郭村、北辛店、东茨村3个旱情监测站采用冉庄试验站确定的消退系数K值和增墒模型;沧州地区旧城、杨家寺、付赵3个旱情监测站采用捷地试验站确定的消退系数K值和增墒模型。经实测数据率定，比较实测值与预报值参照《水文情报预报规范》进行评定，这9个旱情监测站2008年(沧州市所属站为2006年)土壤墒情资料预报合格率为85.5%，达到甲级预报标准，表明所给出的模型在河北省京津以南平原区具有较好的代表性，参数合格。

经14个典型旱情监测站资料率定，所给出的模型具有较好的代表性，预报精度较高。

4 结论与建议

4.1 土壤退墒变化规律

以消退系数K值反映土壤退墒变化规律。

(1)不同分区变化特征

山前平原区K值最大，中部平原区次之，滨海平原区最小;山前退墒最慢。

(2)不同时间变化特征

每年五、六月份为最低点，向前、向后逐月增大;五、六月份土壤退墒速度最快，3月份和11月份土壤退墒速度最慢。

(3)不同深度变化特征

月K值随深度的增加而增加，土层越深，其失墒速度越慢。10 cm深度K值最小，依次为20 cm深度、50 cm深度，80 cm深层K值最大。

年平均 K值10 cm、20 cm、50 cm、80 cm四个深度分别为0.969、0.974、0.979 和 0.983，K 值也是随着深度的增加而增大。

(4)三个旱情试验站土壤退墒预报方案合格率达到95.2%。

4.2 土壤增墒变化规律

(1)当雨前含水率 ρ0一定时，随着降水量的增大，土壤含水率增值也逐渐增大，当增大到一定程度即雨后含水量ρt(ρ0+Δρ)接近土壤田间持水量时 Δρ基本不再增大，此时随着降水量的增加 Δρ将无限趋近于一个常数，即田间持水量与前期土壤含水量的差值，多余的降水量将以径流或者下渗的方式流出监测土层，监测土层内土壤水含量不会再增加。

(2)当降水量一定时，雨前含水率 ρ0越大则增墒值 Δρ越小，前期含水率越大则降水转化为土壤水的比例越小、降水损失量越大，即雨期蒸发量、径流量、入渗量随着前期含水率的增大而增大。

(3)当降水量一定时，土壤质地为砂性，土壤含水率增量较小，曲线偏左;反之，土壤质地为粘性，土壤含水率增量较大，曲线偏右。

(4)当降水量一定时，地下水埋深较深，土壤含水率增量较小，曲线偏左;反之，地下水埋深较浅，土壤含水率增量较大，曲线偏右。

(5)中部平原区、滨海平原区比山前平原区增墒速度快。

4.3 土壤墒情预报模型

以三个试验站土壤墒情预报模型为基础，结合河北省平原区旱情监测站资料建立了河北省平原分区土壤增墒退墒模型，分析了全省平原区土壤墒情演变趋势，其预报模型稳定可靠，精度教高，预报合格率冀东平原为88.8%，京津以南平原区为85.5%，达到甲级预报标准，综合预报合格率为86.7%。退墒模型公式为 ρt=ρ0Kt，增墒模型公式为 Δρ=a*ln(P)－b。

(1)山前平原区墒情预报模型

山前平原区其中消退系数K成果表见表2。

山前平原区增墒模型参数 a= －0.275 3ρ0+7.312，b=－ 0.541 2ρ0+15.397。

(2)中部平原区墒情预报模型

中部平原区消退系数K成果表见表3－2。

中部平原区增墒模型参数 a= －0.214 2ρ0+7.555 3，b= － 0.443 3ρ0+16.140 9。

(3)滨海平原区墒情预报模型

滨海平原区消退系数K成果表见表4。

滨海平原区增墒模型参数 a= －0.214 2ρ0+7.555 3，b= －0.443 3ρ0+16.140 9。