聊城市不同土质土壤增退墒预报模型及精度分析

李广杰，林长清，范海玲

（1.聊城市水文中心,山东 聊城 252000；2. 山东省水文中心,山东 济南 250000）

1 试验站概况

丁块试验站地处位山引黄灌区,西邻位山引黄灌区一干渠,东到温陈至王庙路,北至六支渠,控制总面积11.5 km2,耕地1.55 万亩。试区以研究水盐动态变化规律为主,采用烘干法监测土壤含水率,监测土层深度0～0.6 m以上。

王二庄试验站位于冠县东北部的甘官屯乡,东临位山引黄灌区三干渠,以地下水回灌均衡试验、土壤墒情变化规律研究为主,采用烘干法和中子仪法监测土壤含水率,监测土层深度达到1 m以上。

2 不同土质土壤增退墒预报模型

聊城市农田耕作层土壤土性、地下水埋深等东西部差别较大,土壤墒情增减变化规律同样存在较大差异。以冠县王二庄站分析成果代表沙土、亚沙土土质；以丁块试验站分析成果代表沙壤土土质。

2.1 增墒预报模型

一定厚度的地表土层,按照水量平衡原理,得到土壤含水率增值方程：

图1 沙土、亚沙土增墒曲线

丁块试验站增墒成果,见图2。

图2 沙壤土增墒曲线

2.2 退墒预报模型

选择不同时期无降水和灌溉时段相邻测次的土壤平均含水率为分析依据,土壤墒情消退的速度用消退系数K表示,计算公式为：

式中：K为土壤含水率消退系数；ρ0为时段初始土壤含水率,%；ρt为t日后土壤含水率,%；t为间隔日数,d。

各监测点分别计算三个不同层次的垂线平均土壤含水率,以不同土壤层次土壤含水率与相应消退系数K建立退墒曲线。

采用冠县王二庄站1980年～1987 年8 年土壤含水率观测资料,分别计算三个不同层次的垂线平均土壤含水率,依据降水相隔天数、时段始末土壤含水率差值,采用式（2）计算各个时段的土壤含水率消退系数。

图3 沙土、亚沙土消退系数曲线

选取丁块试验站贾白试区第七试验方种植夏秋两熟作物的地块,1976 年～1981 年6 年土壤含水率观测资料,分别计算三个不同层次的垂线平均土壤含水率,依据降水相隔天数、时段始末土壤含水率差值,采用式（2）计算各个时段的土壤含水率消退系数。

图4 沙壤土消退系数曲线

3 增退墒预报模型精度检验

3.1 资料选取

为分析增退墒预报模型应用于聊城市农业生产可行性,搜集整理了聊城市2012年～2019年全市28处墒情监测站资料,23处常年雨量站降雨量观测资料,所选年份中包括丰水年4年,平水年2年,枯水年1年,特枯水年1年,具有较好的代表性。

按照地下水埋深和地表土壤岩性的不同将聊城市农田分为沙土亚沙土地区、沙壤土地区两种类型,沙土亚沙土地区选取莘县、观城等站为代表站,沙壤土地区选取刘桥、茌平等站为代表站,将墒情监测资料采用不同的增墒、退墒预报模型进行分析研究,尽可能使适用条件具有较好的一致性。

3.2 增墒模型精度检验

3.2.1 增墒数据选取

查阅2012年～2019年8年墒情监测资料与降雨量资料,仅2017年9月21日～10月1日一个时段,前期无灌溉且次降水量较大,符合降水增墒分析条件,墒情监测资料与相应降雨量监测资料可供降雨增墒分析采用。

在沙壤土地区、沙土亚沙土地区分别统计各站时段初、时段末垂线平均含水率,时段各站累计降雨量,计算10月1日各站垂线平均含水率较降水前增加值,同时根据雨前土壤平均含水率,分别查验聊城市降雨量、起始含水率与雨后增墒相关图,得到各站降雨后土壤墒情增加值,推求各站降雨后土壤墒情预测值。

3.2.2 增墒方案墒情预测精度分析评价

对比各监测站土壤含水率实测值与预测值,结果表明,分析时段各站土壤含水率预测绝对误差全部在4%以内,预测值相对误差全部在18%以内,相对误差在5%以内的站5处,占41.6%。

表1 各监测站土壤含水率实测值与预测值结果

3.3 退墒模型精度检验

3.3.1 退墒数据选取

根据各监测站降雨量观测资料,选取墒情观测时段内没有发生降雨而且没有灌溉的地块的墒情监测资料。按照上述要求在2012年～2019年实测墒情资料中共选取6个监测时段。

3.3.2 增墒方案墒情预测精度分析评价

表2 区域代表站实测、预测土壤含水率比较对照表

对预测结果按照分区进行分析,代表站平均误差沙土亚沙土地区较大,有两个段次平均含水率预测差值2.2%～2.4%,相对误差在10%以上；沙壤土地区误差较小,有两个段次平均含水率预测差值1.4%～1.5%,其他段次平均含水率预测差值1%以内。

4 预报精度分析及结论

4.1 预报精度分析

采用聊城市分区代表站墒情预报方案对聊城市农田墒情进行预测,将预测成果与实测墒情进行分析对比,结果表明：增墒方案预测绝对误差全部在4%以内,相对误差全部在18%以内；退墒方案预测绝对误差在4%以内的94.8%,相对误差在20%以内的96.1%。

依据《水文情报预报规范》,土壤含水率按实测值的20%作为许可误差进行评价,退墒预测成果全部合格,增墒预测成果合格率达到96.1%。

4.2 结论

依据《水文情报预报规范》评价,增墒方案和退墒方案预测精度均达到甲级方案标准,该方案可以应用于聊城市农田墒情作业预报,预报成果可作为制定灌区农田灌溉方案参考。