农田土壤水分渗透深度模型

彭记永　陈巧

摘要：为了准确预测1次降水过程的土壤水分渗透深度，选择有代表性的站点，采用人工试验、土壤水分自动站观测相结合的方法，在分析河南省2010—2013年118个土壤水分自动观测资料和对应台站降水资料的基础上，进行回归分析，建立降水渗透深度模型。结果表明，各方程R值均大于0.80，F值均通过了P

关键词：降水量；土壤质量含水率；渗透深度；模型；麦田

中图分类号： S152.7+2 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2016）07-0419-03

土壤水分渗透是一个非常复杂的动态过程，不仅受到土壤性质、土壤初始含水量、降水量等因素的影响，而且与下垫面性质（植被类型、坡度、盖度等）、降水强度以及水温等因素有显著关系[1-2]。国内外已有大量关于土壤水分渗透规律的研究，取得了一些重要成果。国外常用的有Green-Ampt、Philip渗透模型，这些模型有明确的物理学意义，便于建立其特征参数与土壤物理特征间的关系，已经得到了广泛的应用[3-5]。原鹏飞等通过室内和野外模拟降水入渗试验，揭示了降水量对渗透深度、渗透速率的影响[6]。赵同应等分别利用不同的方法计算了降水渗透深度，对墒情、雨情评价有重要作用[7-9]。虽然前人对土壤渗透模型的研究较多，但是多偏重于机制方面，结构复杂，参数难于确定，给实际生产应用带来不便[10]。本研究探讨以大量的自动化观测资料和人工试验资料为依据，构建土壤水分渗透深度模型，以期为农田管理、灌溉决策和防旱抗旱措施的制定提供科学依据，为农业气象服务提供技术支撑，具有一定的科学意义和现实意义。

1 材料与方法

1.1 资料来源

收集了河南省118个土壤水分自动观测站2010—2013年土壤水分观测资料，各站点资料主要包括：土壤质量含水率、土壤水文物理常数（土壤容重、田间持水量和凋萎湿度）。土壤湿度采用河南省气象科学研究所和中国电子科技集团公司第27研究所共同研制的Gstar-1土壤水分自动监测仪进行数据测定，对自动土壤水分数据进行数据质量分析，剔除异常的土壤水分数据。降水量资料分别来自对应地区的气象台站。

根据河南省不同土壤类型的分布特点，分别选择有代表性的站点（郑州、鹤壁和黄泛区）进行人工试验观测。并利用郑州市农业气象试验站大型水分观测试验场进行人工模拟降水、作物截流量、墒情和渗透深度观测试验。人工降水机器装置采用“QYJY-501”式便携式野外模拟降水机，降水高度为4 m，降水强度为15 mm/h，模拟面积为4×8.25 m2，降水均匀系数在80%以上，模拟降水选择在无风天气条件下进行。

1.2 研究方法

农田水分平衡方程：

式中：Wt为雨后土壤含水量，mm；W0为初始土壤含水量，mm；P为过程降水量，mm；Ic为作物截留量，mm；ET为农田蒸散量，mm；r为地表径流量，mm；D为渗漏量，mm；G为地下水补给量，mm。

在一次降水过程中，由于河南省大部分地区为平原的特点，农田地势较平坦，一般情况下降水产生的径流较小，r=0；降水期间地表水汽含量接近饱和，同时降水历时一般较短，因此农田蒸散量ET=0；河南地区农田地下水位常年高于2 m，地下水对土壤水分的影响较小，G=0；渗漏量与降水量、地下水位土质、土壤水分状况有关[11-12]，本研究不予考虑；作物截留量与作物叶面积指数相关，根据前人研究结果，按照发育期进行不同级别划分[13-15]。方程（1）简化为：

以悬着水渗透模型为基础，选择对降水渗透深度影响较大的初始土壤湿度、过程降水量为分析因子[16-17]。应用2010—2013年各台站数据，首先根据降水过程前后自动站土壤含水量变化情况，计算各台站渗透深度值，统计各台站降水量和对应层次的平均初始土壤含水量，建立与渗透深度的相关关系；然后，对模型进行回代检验，并进行预报值、实测值的相关分析，利用绝对误差对模型精度进行统计分析。其中，数据统计分析使用SPSS19.0软件完成，最终通过C#和ArcGIS Engine8.3实现模型的可视化。

2 结果与分析

2.1 渗透深度的观测和计算

降水渗透深度的观测采用实测和自动站数据分析相结合的方法进行。2013年3月4日进行降水量为20 mm的模拟降水过程，并进行降水前、降水后墒情和土壤渗透深度观测。由图1可见，10、20 cm土壤水分在降水后有明显的增量，与人工观测土壤渗透深度为20 cm相同。同样，其他台站根据各层次土壤水分变化情况，可以推算出各自降水过程的土壤渗透深度值。

2.2 冬小麦不同生育期降水截留量

研究表明，作物冠层截留量除与作物本身特征因素（叶面积指数、植株地面生物量、株高及作物干燥度等）有关外，还与降水强度、气温以及风速等气象因素有关[18]。截留量随着降水过程的变化是一个动态的过程。在降水初期，雨滴几乎完全被叶面截留；随着降水量的增加，当植物截留达到最大截留量时，先积蓄的水分不断被新的雨水所替代，截留的水量处于动态平衡。刘战东等研究表明，冬小麦最大冠层截留量出现在抽穗期，为1.28 mm[19]。

采用刘战东等研究的冬小麦冠层截留模型对郑州市农业气象试验站近年来冬小麦冠层截留量进行了模拟：

Ic=（0.256LAI-0.217）×[1-exp-p0.256LAI-0.217]+0.008P。

（3）

式中：Ic为冠层截留量，mm；P为降水量，mm；LAI为叶面积指数。

分别按降水量5、10、20、30、50 mm进行模拟研究，得出各个生育期的平均降水截留量，详见图2。

2.3 模型的建立

根据中国气象局《农业气象观测规范（上卷）》中的降水渗透深度观测标准和河南省常出现的渗透情况，分3种情况进行分析：（1）在土壤干土层（包括湿土层下的干土层）厚度≥3 cm，日降水量≥5 mm或过程降水量≥10 mm，降水后根据降水量大小，待雨水下渗后及时测定；（2）在过程降水量大于50 mm，利用土壤水分自动观测站资料进行分析；（3）其他情况。3种情况分别用Mod1、Mod2、Mod3表示，利用回归分析的方法构建渗透深度模型，Z为渗透深度值（cm），P为降雨量（mm），Ic为冠层截留量（mm），W0为初始土壤含水量（%）。

综合分析表1中的各个方程可知，各个方程R均大于 0.80，回归方程对样本数据点的拟合优度较高；F值均通过了P

3 模型的检验

利用2014年4—5月河南省土壤水分自动站和自然降水数据，对土壤水分渗透深度模型进行回代检验和模拟预报，并对结果进行检验分析。

对比分析模拟值与实测值的关系（图3），采用回归估计标准误差（ABSE）和平均绝对误差（RMSE）2个指标分析模型预报的准确性。

式中：n为样本数，个；yi为实际观测值；yi为模型估算值。

误差越小，表明模拟值与实测值的一致性越好，模型的模拟结果越准确，模型可靠性越强。

从模型回代结果来看，共有样本数82个，误差平均值为0.73，误差在-7.86～8.56 cm之间，服从均值为0的正态分布规律。从残差分析图中可以看出，误差范围分布在-10～10 cm之间；误差在-5～5 cm之间的样本数为63个，占总样本数的76.8%，说明模型预测效果较好（图4）。

由表2可知，模型的绝对误差在2.92～5.29 cm之间，标准误差在1.72 ～ 4.85 cm之间。综合2种误差判断指标可知，土壤水分渗透深度模型模型精度可以满足农业气象业务服务的需求。

4 结论与讨论

根据土壤水分动态平衡方程，从土壤渗透深度的影响因素进行分析，找出其影响因素的关键因子。利用回归分析的方法，建立模型，各方程的确定系数均大于0.80，并且F值均通过P

土壤渗透深度是一个复杂、动态的过程，涉及到土壤饱和、非饱和带中的水、空气、水汽在水力梯度、温度梯度、浓度梯度等影响下的动态流动过程[20]。降水强度、降水历时和雨型都对土壤的入渗过程有较大的影响[21-25]。对于土壤入渗的研究，由于试验条件的不同，所得到的结果差异也较大[26-28]。除了渗透深度的影响因素较多之外，由于土壤物理特性的复杂造成实际值难于观测，加上渗透深度、土壤水分本身是一个动态量，观测值与真实值之间产生误差累积，从而放大了残差值。

参考文献：

[1]雷志栋，杨诗秀，谢森传. 土壤水动力学[M]. 北京：清华大学出版社，1988：220-263.

[2]蒋太明. 降水入渗与土壤水分动态模型研究进展[J]. 贵州农业科学，2005，33（S1）：83-88.

[3]李援农，费良军 .土壤空气压力影响下的非饱和入渗格林-安姆特模型[J]. 水利学报，2005，36（6）：733-736.

[4]刘春成，李 毅，任 鑫，等. 四种入渗模型对斥水土壤入渗规律的适用性[J]. 农业工程学报，2011，27（5）：62-67.

[5]缴维汉，陈晓东，王锡云，等. 土壤入渗参数的估算方法及其变异性研究进展[J]. 中国农学通报，2011，27（6）：272-275.

[6]原鹏飞，丁国栋，王炜炜，等. 毛乌素沙地降雨入渗和蒸发特征[J]. 中国水土保持科学，2008，6（4）：23-27.

[7]赵同应，朱凌云，卫丽萍，等. 旱地土壤水渗透深度预测模型研究[J]. 干旱地区农业研究，2006，24（4）：68-71.

[8]冶林茂，薛昌颖，杨海鹰，等. 过程降雨入渗土壤深度的推算方法[J]. 中国农业气象，2010，31（S1）：66-69.

[9]杨文娟，潘云波，孙晓光，等. 降水渗透深度的计算方法[J]. 黑龙江水利科技，2008，36（2）：61.

[10]赵西宁，吴发启. 土壤水分入渗的研究进展和评述[J]. 西北林学院学报，2004，19（1）：42-45.

[11]申双和，周 英. 旱地农田土壤水分动态平衡的模拟[J]. 南京气象学院学报，1994，17（4）：462-469.

[12]华北平原作物水分胁迫与干旱研究课题组.作物水分胁迫与干旱研究[M]. 郑州：河南科学技术出版社，1991：9-15.

[13]王庆改，康跃虎，刘海军. 冬小麦冠层截留及其消散过程[J]. 干旱地区农业研究，2005，23（1）：3-8.

[14]刘战东，高 阳，巩文军，等. 冬小麦冠层降水截留性能研究[J]. 麦类作物学报，2012，32（4）：678-682.

[15]邓天宏，方文松，付祥军，等. 冬小麦夏玉米土壤水分预报及优化灌溉模型[J]. 气象科技，2005，33（1）：68-72.

[16]陶祖文，裴步祥. 华北平原地区春季降水渗透深度和“透雨”的农业气象估算方法[J]. 气象学报，1983（1）：97-105.

[17]方文松，刘荣花，朱自玺，等. 农田降水渗透深度的影响因素[J]. 干旱地区农业研究，2011，29（4）：185-188，207.

[18]王 迪，李久生，饶敏杰. 喷灌冬小麦冠层截留试验研究[J]. 中国农业科学，2006，39（9）：1859-1864.

[19]刘战东，高 阳，巩文军，等. 冬小麦冠层降雨截留过程及其模拟研究[J]. 水土保持研究，2012，19（4）：53-58.

[20]吕 刚，吴祥云. 土壤入渗特性影响因素研究综述[J]. 中国农 学通报，2008，24（7）：494-499.

[21]Hillel D. Crust formation in lassies soils[J]. International Soil Science，1960，29（5）：330-337.

[22]Bodman G B，Colman E A. Moisture and energy condition during downward entry of water into soils[J]. Soil Science Society of America Journal，1944，8（8）：116-122.

[23]李裕元，邵明安. 降雨条件下坡地水分转化特征实验研究[J]. 水利学报，2004，35（4）：48-53.

[24]林代杰，郑子成，张锡洲，等. 不同土地利用方式下土壤入渗特征及其影响因素[J]. 水土保持学报，2010，24（1）：33-36.

[25]陈洪松，邵明安，王克林. 土壤初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响[J]. 农业工程学报，2006，22（1）：44-47.

[26]王 力，邵明安，王全九. 林地土壤水分运动研究述评[J]. 林业科学，2005，41（2）：147-153.

[27]王玉宽，王占礼，周佩华. 黄土高原坡面降雨产流过程的试验分析[J]. 水土保持学报，1991，5（2）：25-31.

[28]蒙宽宏. 土壤水分入渗测定方法及影响因素[D]. 哈尔滨：东北林业大学，2006：3-14.