CROPWAT模型在滇中南部灌水量模拟中的应用研究

段琪彩，张 雷，黄 英，韩焕豪，王树鹏，李丕清

(1.云南省水利水电科学研究院，昆明 650228；2.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉 4030072)

0 引 言

云南地处低纬高原，农业气候资源特征鲜明，造就了立体农业和高原特色农业丰富多彩、复杂多样的优势特点。滇中是云南底纬高原的重要组成部分，光热资源条件好，但水资源较为紧缺[1,2]。为缓解滇中的缺水问题，充分发挥独特的自然优势，2018年3月水利部正式对滇中引水工程初步设计报告准予行政许可，标志着滇中引水工程项目各项前期工作已经完成，工程正式启动。然而，云南作为以山地为主的农业大省，灌溉试验站网建设发展缓慢[3]，灌溉制度研究较中东部地区差距较大，水肥不合理利用不仅制约着经济发展，同时造成了局部地区面源污染，对国家“一带一路”和长江经济带战略产生重要影响[4]。CROPWAT[5]是联合国粮农组织(FAO)基于《作物蒸散量-计算作物需水量指南》(FAO-56)开发的计算机程序，可根据气象数据、作物特征及土壤理化性质计算作物腾发量和灌溉需水量，模型还可以根据不同的作物模式、管理条件制定灌溉和供水计划。目前，该模型在全球不同地区作物需水量计算和灌溉制度制定中应用较广，Saon Banerjee[6]等应用模型对印度恒河下游平原马铃薯田蒸散量进行了研究，宋春雨[7]等在土耳其、摩洛哥以及巴基斯坦分别对棉花、甜菜及马铃薯进行了联合试验，张沛琪[8]等分析了模型在河套灌区非充分灌溉决策中的适用性。众多研究表明，对作物、土壤等参数进行校准后，该模型应用取得了较好效果[9-13]。本文基于滇中南部建水试验点水稻和马铃薯两种作物需水量及灌溉试验观测数据，对CROPWAT模型中灌溉计划制定功能模块相关参数进行校准，旨在为该模型在本地区水资源优化配置、高效利用以及灌区规划设计中的应用提供借鉴。

1 材料与方法

1.1 田间试验

试验点位于滇中南部建水县曲江镇小山村(102°50′E、23°56′N)，海拔1 344 m，属亚热带季风气候，冬干夏湿，雨热同季，冬无严寒，夏无酷暑。多年平均降雨量为683.4 mm，多年平均气温为19.3 ℃，多年平均相对湿度为77.5%，多年平均风速为3.6 m/s，多年平均日照时数为9.3 h；极端最高气温为35.8 ℃(1958年6月1日)，极端最低气温为-3.1 ℃(1984年12月29日)。土壤类型为粉砂黏土，耕作层土壤平均容重为1.32 g/cm3，饱和含水率(体积)为47%，体积田间持水率(体积)为42%。

滇中特色农作物可分为大春秋收和小春夏收两季，大春主要种植水稻、玉米等，小春主要种植马铃薯、蚕豆等[14]，本研究试验作物为水稻和马铃薯，试验时间为2015年12月至2018年12月。稻田水深采用HOBO自记水位计记录，气象数据采用INSENTEK云智能气象站自动记录，土壤墒情采用INSENTEK云智能传感器记录；灌水量由水表人工读取，稻田排水量由田面水深变化量换算。

水稻为一季中稻，品种为籼稻(宜香3003)，4月中旬育秧，5月下旬至6月初插秧，9月下旬收割，本田期120 d左右。灌溉模式为传统的淹水灌溉，田面水层深度控制为：灌前下限10 mm，灌后上限初期(返青期)为30 mm、中后期(分蘖至乳熟期)为50 mm，雨后蓄水深度初期为40 mm、中后期为90 mm，黄熟期自然落干。水稻试验结果为：作物系数Kc在0.93～1.26之间，根系层土层深度在0.10～0.50 m之间，株高1.00 m，耕作层深度0.50 m，稻田渗漏量为2 mm/d；全生育期降水量在425.8～579.0 mm之间，灌水量在268.2～445.3 mm之间，排水量在0.4～60.4 mm之间。

马铃薯12月上旬或中旬栽种，次年4月上旬采收，全生育期115 d左右。马铃薯地垄上覆膜，为膜上微喷灌模式，灌溉控制方式为：栽种时灌水至田间持水率的40%，苗芽出土前不用灌水；出苗后至采收期间保持土壤含水率在田间持水率的50%～100%。马铃薯试验结果为：作物系数Kc在0.14～1.49之间，根系层土层深度在200～500 mm之间，株高0.60 m，耕作层深度0.50 m；全生育期降水量在224.0～294.6 mm之间，灌水量在162.2～219.5 mm之间。

1.2 模型应用

应用CROPWAT模型模拟灌水量过程涉及气象数据，同时需对作物、土壤参数和灌溉管理条件进行设置。

1.2.1 气象数据

气象数据包括最高气温、最低气温、平均相对湿度、平均风速、日照时数和降水量，本研究取用建水试验点定点观测数据，时间尺度为日。

1.2.2 作物参数

作物参数包括播种时间、各阶段生长时间、作物系数、根系层深度、株高和水稻泡田土层深度共6个参数，本研究播种时间根据试验取用，其他参数根据试验结果对模型中预设值进行校准，结果见表1。由表1可见，与模型中预设值比较，取用值水稻作物系数前期和初期略偏小、中期相同、末期接近，生长时间前期和初期偏小、旺盛期和中期偏大、末期偏小，根系层深度初期相同、中期略偏小，泡田土层深度、作物株高两者相同。马铃薯作物系数初期明显偏小、中期接近、末期偏大，生长时间初期偏大、旺盛期和末期相同、中期偏小，根系层深度初期相同、中期略偏小，株高两者相同。表明本地区水稻和马铃薯两种作物各阶段生长时间和作物系数与模型中预设值差异较大，实际应用时应进行适当修订，其他参数可采用模型预设值。

1.2.3 土壤参数

土壤参数包括土壤总有效水量、最大入渗速率、耕作层深度、初始有效土壤水分耗损率共4个综合参数，另外还包括泡田时排水孔隙度、临界消耗率和泡田完成时水层深度、最大水层深度4个附加参数。土壤参数不仅与土壤类型有关，还与前期降水量有关，水稻季与马铃薯季部分参数存在差异，本研究除总有效水量(TAW)按式(1)计算外[5]，其他参数根据试验结果进行设置，结果见表2。

TAW=1 000 (θcf-θwp)

(1)

式中：TAW为总有效水量，mm/m；θfc为田间持水率，取0.42；θwp为凋萎点含水率，取0.27。

1.2.4 灌溉管理条件

灌溉管理条件相关参数包括有效降水量计算、灌溉方式、土地整理(水稻泡田)方式等设置。有效降水量采用模型推荐的USDA-SCS法计算；水稻灌溉方式按本文中田间试验方案设置，泡田方式设置为由田持泡至饱和，泡田完成后水深为30 mm。马铃薯灌溉设置为较节水的方式，灌前下限为临界耗尽，上限设置为田持水量，其他参数采用默认值。

表1 建水试验点水稻和马铃薯作物参数表

表2 建水试验点水稻和马铃薯土壤参数表

2 结果分析

2.1 水稻灌水量模拟结果分析

根据2016-2018年逐日气象数据和设定的模型参数，模拟了3个稻季的泡田水量和本田期灌水量过程，各稻季灌水量如表3所示，灌水量过程如图1所示。由表3可见，模拟的水稻泡田水量在192.3～195.0 mm之间，本田期灌水量在288.3～414.4 mm之间，全生育期灌水量在483.3～609.4 mm之间。与试验观测值比较，2016稻季泡田水量偏大、本田期灌水量偏小，2017稻季则相反表现为泡田水量偏小、本田期灌水量偏大，2018稻季泡田水量和本田期灌水量均偏小。从试验的3稻季来看，泡田水量相差在-7.1%～+8.3%之间，本田期灌水量相差在-6.9%～+7.5%之间，全生育期灌水量相差在-5.8%～+1.1%，模拟与试验观测值未表现出明显的系统偏差，全生育期灌水量偏差在±6%以内。

表3 建水水稻试验观测与模拟灌水量统计表

由图1可见，泡田水量试验观测与模拟结果差异较小。本田期灌水次数试验观测在7～11次之间，模拟在8～11次之间，其中2016稻季试验观测次数与模拟相同，2017稻季模拟多2次，2018稻季模拟多1次；灌水定额试验观测值在25.6～55.6 mm之间，模拟值在20.9～45.9 mm之间，模拟值略偏小；灌水时间试验观测与模拟一般相差1～2 d，个别时间相差4～6 d，3个稻季灌水时间相同的共8次，相差2 d及以内占试验总灌水次数的88%。灌水量过程差异较大的是：2016稻季第53 d与第57 d的灌水时间相差4 d；2017稻季试验观测第10 d有1次大额灌水，模拟则分别在第8、11、14 d各1次小额灌水；2018稻季模拟第54 d多1次灌水，最后1次灌水相差6 d。总体来看，试验观测与模型模拟的灌水量过程对应性较好，灌水次数接近，灌水定额模拟值略偏小，灌水时间略有差异。因本次试验委托当地村民观测，灌水时机和灌水时稻田水层深度未能严格按照试验方案控制，部分时间的灌水定额偏大，是导致灌水时间略有偏差的主要原因。

图1 建水水稻试验观测与模型模拟灌水量过程

2.2 马铃薯灌水量模拟结果分析

马铃薯试验观测与模型模拟灌水量如表4所示，灌水量过程如图2所示。由表4可见，模拟的马铃薯全生育期灌水量在181.5～201.0 mm之间，模拟与试验观测的灌水量相差在-9.7%～+11.9%之间，其中2015-2016季模拟值偏大，其余两季模拟值偏小。

表4 建水马铃薯试验观测与模型模拟灌水量统计表

图2 建水马铃薯试验观测与模拟灌水量过程

由图2可见，马铃薯试验观测灌水次数在8～11次之间，模拟灌水次数在7～8次之间，其中2015-2016季试验观测次数多4次，2016-2017季灌水次数相同，2017-2018季试验观测次数多2次；灌水定额试验观测值在3.4～36.5 mm之间，模拟值在12.7～38.3 mm之间，模拟值略偏大；试验期灌水时间同步的仅3次，一般相差2～3 d，其中相差3 d及以内占试验总灌水次数的66%，可见灌水时间的同步性没有水稻好。灌水量差异较大的是：2015-2016季试验观测第52 d和第60 d分别有1次小额灌水，模拟则在第57 d有1次较大灌水，另外试验观测在第91 d、第108 d、第112 d分别多1次灌水，该季马铃薯试验观测的灌水次数较多，但灌水定额较模拟值偏小；2016-2017季第一次灌水模拟值在第10 d，试验观测在第47 d，除第62 d和第111 d的灌水时间相差较大外，其余时间的同步性较2015-2016季好；2017-2018季模拟值第13 d有1次灌水，试验观测分别在第43 d、第45 d和54 d各1次小额灌水，模拟则集中在第51 d 有1次大额灌水，试验观测在第91 d多1次灌水，灌水时间的同步性也较好。总体来看，马铃薯季试验观测与模型模拟的灌水量过程相应性尚好，试验观测灌水次数较多的2015-2016季灌水定额偏小，2016-2017季和2017-2018季试验观测与模型模拟的灌水次数、灌水定额、灌水时间较接近。因本次试验为委托观测，虽然安装了土壤墒情监测仪器，但灌水时机和灌水上、下限未严格按土壤含水量控制，是导致灌水定额出现偏差的主要原因，而且出现偏差后将累积影响后期的灌水时间和灌水定额，故马铃薯季试验观测与模型模拟的灌水量过程相应性没有水稻季好。

2.3 差异性分析

为进一步分析试验观测与模型模拟结果的差异性，采用F检验对灌水量序列进行检验，对模型参数设置的合理性进行验证，结果如表5所示。由表5可见，水稻季的F值在0.816～1.113之间，P值在0.371～0.483之间；马铃薯季的F值在0.927～3.487之间，P值在0.057～0.461之间。总体来看，水稻各季和马铃薯2016-2017季的灌水量过程差异较小，马铃薯2015-2016季和2017-2018季的灌水量过程差异略大，但从统计学的角度看均未达到置信度95%的显著差异，即试验观测与模型模拟的灌水量过程方差接近，序列未表现出显著的差异性，表明所取用的模型参数基本合理。

表5 建水水稻和马铃薯试验观测与模拟灌水量F检验表

3 结 论

依据2015-2018年建水试验点观测数据，对CROPWAT模型中相关参数进行了校准，并模拟了水稻和马铃薯的灌水量过程，得到以下结论。

(1)应用CROPWAT模型模拟滇中南部水稻和马铃薯灌水量时，作物参数与模型中预设值存在一定差异，水稻作物系数前期为0.95、初期为1.00、中期为1.20、末期为1.04，马铃薯作物系数初期为0.16、中期为1.12、末期为0.95；土壤参数应根据实际进行设置，粉沙黏土总有效水量为150 mm/m，最大入渗速率水稻季为8 mm/m、马铃薯季为28 mm/m，初始有效土壤水分耗竭率水稻季为0%、马铃薯季为19%，水稻泡田时排水孔隙度为33%；其他参数和灌溉管理条件等可根据实际或参考模型中预设值取用。

(2)应用CROPWAT模拟的水稻泡田水量在192.3～195.0 mm之间；本田期灌水次数在8～11次、灌水定额在20.9～45.9 mm之间、灌溉定额在288.3～414.4mm之间；全生育期灌溉定额在483.3～609.4 mm之间，模型模拟与试验观测灌溉定额相差在±6%以内。马铃薯全生育期灌水次数在7～8次、灌水定额在12.7～38.3 mm之间、灌溉定额在181.5～201.0 mm之间，模拟与试验观测灌溉定额相差在±12%以内。模拟与试验观测的灌水次数接近，灌水定额水稻模拟值略偏小、马铃薯模拟值略偏大，灌水时间虽然略有差异但总体对应性较好。

(3)对模型参数进行校准，并合理设置灌溉管理条件相关选项后，模型模拟与试验观测的灌水量过程未表现出统计学上的显著差异性，该模型在滇中南部水稻和马铃薯灌水量过程模拟中的应用效果较好，据此制定的灌溉制度可更好地把握灌水时间，提高制定灌溉制度的精度。