黃土高原北部淤地壩區(qū)域土壤水分模擬及水分有效性_以六道溝流域

1、 第3期 等： 黃土高原北部淤地壩區(qū)域土壤水分模擬及水分有效性 甄自強(qiáng)， 231 0 01 0 05 mm / d， 10 月 份 ET 為 0 10 0 40 mm / d； 坡面 ET 為 0 10 2 00 mm / d 占計(jì)算時(shí)段總 日數(shù)的 68% ， 且多發(fā)生在 7 9 月； 5 月份的 ET 計(jì)算 10 月份的 ET 多 結(jié)果多在 0 04 0 05 mm / d 之間， 為0 07 0 20 mm / d。 計(jì)算時(shí)段內(nèi)， 除少數(shù)降雨量 較大的時(shí)期，ET 與同期對(duì)應(yīng)點(diǎn)的表層土壤含水量 也呈現(xiàn)相反的變化趨勢(shì)， 且較 ET0 相比這種趨勢(shì)更 為突出， 說明蒸散發(fā)對(duì)表層土壤含水率直接影響

2、較 7 月 12 日淤地壩區(qū)域與坡面的 ET 分別 大。例如， 為3 02 與 2 04 mm / d， 當(dāng)日的降雨量為 3 8 mm， 在 前幾日無降雨且 ET 持續(xù)保持較高水平的條件下， B 兩點(diǎn)表層土壤含水量分別減少 0 011 與 該日 A、 0 017 cm / cm ； 計(jì)算時(shí)段內(nèi)， 淤地壩區(qū)域 ET 計(jì)算結(jié) 果的累計(jì)值占同期降雨量的 43% ， 坡面上 ET 的累 計(jì)值占同期降雨量的 23% ， 其主要原因是， 坡面土 壤含水量在計(jì)算時(shí)段內(nèi)多數(shù)時(shí)間點(diǎn)都低于淤地壩區(qū) 域， 說明土壤含水量直接影響蒸散發(fā)的大小 。 3 3 多在 0 20 0 50 之間， 同期 A 點(diǎn)的表層土壤含水

3、3 3 量大多位于 0 01 0 25 cm / cm ； 10 月份的 m a 大 多在 0 10 左右， 對(duì)應(yīng)時(shí)期 A 點(diǎn)的表層土壤含水量 3 3 大多位于 0 15 0 21 cm / cm 。 計(jì)算時(shí)段內(nèi)， 坡面 上 m a 均值為 0 16 ，5 6 月的 m a 多位于 0 01 0 03 ， 同期 B 點(diǎn)的表層土壤含水量大多位于 0 10 0 18 cm3 / cm3 ； 7 9 月份 （ 集中雨季 ） 的 m a 多位于 0 10 0 40 ， 同期 B 點(diǎn)的表層土壤含水量大多位于 0 14 0 25 cm3 / cm3 ； 10 月份的 m a 多位于 0 03 0 20 ，

4、 同期 B 點(diǎn)的表層土壤含水量大多位于 0 18 0 21 cm3 / cm3 ?？傮w上看， 淤地壩區(qū)域和坡面上的 水分有效性參數(shù)在 5 6 月份處于較低水平， 在7 9 月處于較高水平且呈現(xiàn)出較大的波動(dòng)， 與 7 9 月 10 月的 m a 較低但多高于 5 6 月， 相比， 且波動(dòng)幅 度較小； 土壤含水量較大時(shí)， 同期的水分有效性參數(shù) 一般較高。淤地壩區(qū)域與坡面的 m a 均在集中降雨 事件發(fā)生后明顯增加， 其主要原因是雨后天氣轉(zhuǎn)晴， 太陽(yáng)輻射量相對(duì)集中、 氣溫明顯升高， 從而導(dǎo)致蒸散 發(fā)量 ET 顯著增加。對(duì) m a 的考察結(jié)果可知， 淤地壩 區(qū)域 m a 的值多高于同期坡面， 而多數(shù)時(shí)

5、間點(diǎn)上淤 地壩區(qū)域與坡面上的 m a 又呈相同的變化趨勢(shì)， 且 ET 的變化 其變化趨勢(shì)與 ET 類似， 說明較 ET0 相比， 對(duì) m a 的影響較大。 3 3 土壤水分計(jì)算結(jié)果 土壤含水量計(jì)算時(shí)段與 ET 的計(jì)算時(shí)段相同， 涵蓋了研究區(qū)作物的整個(gè)生長(zhǎng)期。ET 的計(jì)算結(jié)果 作為土壤水分模擬的一個(gè)影響因子輸入到構(gòu)建的土 壤水分計(jì)算模型。 利用模型計(jì)算， 得到研究時(shí)段內(nèi) A、 B 兩點(diǎn)逐日第一層土壤含水量模擬結(jié)果， 如圖 3 所示。 B 兩點(diǎn)的第 圖 3 所示為以 1 d 為時(shí)間步長(zhǎng)的 A、 一層（ 0 10 cm ） 土壤含水量的模擬結(jié)果以及同期 的降雨和徑流過程曲線。 在計(jì)算時(shí)段內(nèi)， 土壤含

6、水 量的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的擬合度很高 ， 計(jì)算值很 好地再現(xiàn)了土壤水分的日變動(dòng)過程 。與降雨相對(duì)集 5 月和 10 月的土壤水分計(jì)算值 中的 6 9 月相比， 圖2 2009 年 5 10 月淤地壩區(qū)域和坡面 ET0 、 ET、 ma 的 計(jì)算結(jié)果圖 和觀測(cè)值的擬合效果更好。對(duì)有集中降雨發(fā)生日模 擬結(jié)果的考察可知， 與無雨日相比， 這些時(shí)間點(diǎn)上模 擬值和實(shí)測(cè)值都出現(xiàn)較大程度的波動(dòng)， 且土壤水分 。 的計(jì)算值一般小于實(shí)測(cè)值 而誤差較大的幾個(gè)點(diǎn)均 發(fā)生在有集中降雨事件發(fā)生的時(shí)日， 這些時(shí)日模擬 精度偏低的主要原因是， 作為點(diǎn)尺度土壤水分模擬 的模型， 僅考慮了土壤水分的垂向收支過程 ， 忽略了

7、橫向滲透的影響， 而在降雨發(fā)生過程， 雨水入滲和橫 3 2 水分有效性評(píng)價(jià) 淤地壩區(qū)域水分有效性參數(shù) 計(jì)算 時(shí) 段 內(nèi)， （ m a ） 均值為 0 30 ， 5 月份的 m a 多接近 如圖 2 所示， 于 0 （ 大多位于 0 001 0 005 ） ， 同時(shí)期的土壤含水 3 3 量大多位于 0 001 0 01 cm / cm ； 7 9 月份的 m a 232 水資源與水工程學(xué)報(bào) 2016 年 向滲透過程相對(duì)復(fù)雜， 說明現(xiàn)有模型對(duì)有降雨事件 發(fā)生時(shí)段表層土壤含水量的模擬中存在缺陷 。在計(jì) 算時(shí)段內(nèi)淤地壩區(qū)域僅產(chǎn)生了 10 次徑流， 且日徑流 量均偏小， 在降雨停止后很快消失， 其對(duì)表層

8、土壤水 分的影響較小。 精度較高； 兩點(diǎn)的 Nash Sutcliffe 系數(shù) （ NSE ） 均在 0 91 以上， 說明模型的效率較高， 模型參數(shù)率定結(jié) 果良好， 因此該模型可以很好地模擬研究區(qū)土壤水 分運(yùn)動(dòng)過程。 4 結(jié) 論 （ 1 ） 在計(jì)算時(shí)段內(nèi) 2009 年 5 月 10 月， 淤地壩 區(qū)域和坡面上的逐日潛在蒸散發(fā)量的累計(jì)值分別為 763 和 762 mm； 草地蒸散發(fā)量的累計(jì)值分別為 206 和 112 mm； 水 分 有 效 性 參 數(shù) 均 值 分 別 為 0 31 、 0 17 ； 淤地壩區(qū)域的水分有效性參數(shù)高于坡面 。 （ 2 ） 淤地壩區(qū)域和坡面草地蒸散發(fā)及水分有效 性在

9、降雨相對(duì)集中的時(shí)期處于較高水平 ， 而在雨季 前或雨季后處于較低水平且相對(duì)平穩(wěn)， 二者受同期 表層土壤（ 0 10cm） 水分影響較大。 （ 3 ） 研究構(gòu)建的一維點(diǎn)尺度土壤水分計(jì)算模型 的模擬精度較高， 實(shí)測(cè)序列和模擬序列的相關(guān)系數(shù) 在 0 92 以上； 模型效率系數(shù) NSE 在 0 91 以上。 研究結(jié)果以期為研究區(qū)水分有效性及土壤水分 運(yùn)動(dòng)的深入研究提供參考。 圖3 2009 年 5 10 月降雨、 徑流與第一層（ 0 10 cm） 土壤水分模擬結(jié)果 參考文獻(xiàn)： 1 張俊娥， 陸垂裕， 秦大庸， 等 基于分布式水文模型的區(qū) “四水 ” 水科 學(xué) 進(jìn) 展， 2011 ， 22 （ 5 ）

10、： 595 域 轉(zhuǎn)化J 604 2 易 秀， 李 現(xiàn) 勇 區(qū) 域 土 壤 水 資 源 評(píng) 價(jià) 及 其 研 究 進(jìn) 展 J 水資源保護(hù)， 2007 ， 23 （ 1 ） ： 1 5 采用相關(guān)系數(shù) r 評(píng)價(jià)土壤水分實(shí)測(cè)序列與計(jì)算 序 列 的 相 關(guān) 程 度， 利 用 Nash Sutcliffe 系 數(shù) （ NSE ） E ns （ 式 21 ） 評(píng)價(jià)模型效率22。 n r = （ Yi i =1 n Y） （ X i X ） n （ 20 ） 2 3 佘冬立 黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶小流域植被恢復(fù)的 D 北京： 中國(guó)科學(xué)院研究生院 （ 教 水土環(huán)境效應(yīng)研究 2009 育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心

11、 ） ， 4 張 勇 淤地壩在陜北黃土高原綜合治理中地位和作用 D 楊凌： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2007 研究 5 畢慈芬， 鄭新民， 李 欣， 等 黃土高原淤地壩建設(shè)對(duì)水環(huán) J 人民黃河， 2009 ， 31 （ 11 ） ： 85 86 境的調(diào)節(jié)作用 6 劉卉芳， 曹文洪， 秦 偉， 等 淤地壩在流域水土保持措施中 J 中國(guó)農(nóng)村水利水電， 2011（ 1） ： 55 64 的貢獻(xiàn)研究 7 李笑吟， 畢華興， 張 志， 等 晉西黃土區(qū)土壤水分有效性 土壤學(xué)報(bào)， 2006 ， 43 （ 6 ） ： 1004 分析的克立格法J 1010 8 Allen G，Pereira L S，aes D，e

12、t al Crop evapotranspiration： guidelines for computing crop water requirements M FAO，ome 1998 9 姚小英， 蒲金涌， 王澄海， 等 甘肅黃土高原 40a 來土壤 冰川凍土， 2007 ， 29 （ 1 ） ： 126 水分蒸散量變化特征J 130 槡 （ Yi i =1 n Y） 2 （ X i X ） i =1 2 E ns = 1 （ Yi i =1 n Xi ） Y） （ 21 ） 2 （ Yi i =1 式中： Y i 為實(shí)測(cè)值； X i 為計(jì)算值； Y 為實(shí)測(cè)值的均 值； X 為計(jì)算值的均值

13、； i 為數(shù)據(jù)編號(hào)； n 為數(shù)據(jù)的 A、 B 點(diǎn)均為 184 。結(jié)果如下表： 個(gè)數(shù)， 表2 觀測(cè)點(diǎn) A B 模型檢驗(yàn)參數(shù)值 r 0 96 0 92 E ns 0 91 0 98 A、 B 兩點(diǎn)的土壤水分計(jì)算值與實(shí) 由表 2 可知， 測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)在 0 92 以上， 說明模型的模擬 （ 下轉(zhuǎn)第 236 頁(yè)） 236 水資源與水工程學(xué)報(bào) 2016 年 濕潤(rùn)層深度是影響田間水利用系數(shù)的主要因素。 （ 2 ） 灌水定額、 計(jì)劃濕潤(rùn)層深度和田間水利用 系數(shù)可建立二元回歸方程， 通過可靠性檢驗(yàn)說明模 型是可靠的。 （ 3 ） 在作物灌溉制度的制定中， 不應(yīng)統(tǒng)一采用 作物需水高峰期的有效濕潤(rùn)層深度作為

14、計(jì)劃濕潤(rùn)層 深度進(jìn)行計(jì)算灌水定額。根據(jù)作物不同生育期有效 濕潤(rùn)層深度來確定不同的灌水定額， 可有效提高作 物田間水利用系數(shù)。 （ 4） 在其它土質(zhì)及大田中， 灌溉水利用系數(shù)與灌 、 水定額 計(jì)劃濕潤(rùn)層深度的相關(guān)性仍需進(jìn)一步研究。 （ 5 ） 采用烘干法測(cè)定土壤灌前與灌后土壤含水 率在本文中未考慮時(shí)間差， 測(cè)定時(shí)間間隔對(duì)田間水 利用系數(shù)的影響程度需進(jìn)一步研究 。 參考文獻(xiàn)： 1 肖俊夫， 劉戰(zhàn)東， 段愛旺， 等 不同灌水處理對(duì)冬小麥產(chǎn) 灌 溉 排 水 學(xué) 報(bào)， 量及水 分 利 用 效 率 的 影 響 研 究J 2006 ， 25 （ 2 ） ： 20 23 2 劉 浩， 孫景生， 段愛旺， 等

15、不同灌水水平對(duì)日光溫室蘿 節(jié) 水 灌 溉， 2007 卜產(chǎn)量 及 水 分 利 用 效 率 的 影 響J （ 6 ） ： 21 23 + 27 3 宋 文， 張玉龍， 韓 巍， 等 滲灌灌水定額對(duì)溫室黃瓜產(chǎn)量 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào)， 2010 ， 26 和水分利 用 效 率 的 影 響J （ 8 ） ： 61 66 4 張平良， 郭天文， 李書田， 等 不同覆蓋種植方式與平衡 干 施肥對(duì)旱地春玉米產(chǎn)量及水分利用效率的影響J 2014 ， 32 （ 4 ） ： 169 173 旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究， 5 張洪波 不同補(bǔ)灌時(shí)期和擬濕潤(rùn)層深度對(duì)小麥產(chǎn)量和水 D 泰安市： 山東農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2015 分利用效

16、率的影響 6 樊峻江， 周綱， 王潔 灌區(qū)灌溉水利用系數(shù)測(cè)試方法的 J 水利水電科技進(jìn)展， 2013 ， 33 （ 6 ） ： 44 47 改進(jìn) 7 周英捷， 傅豐貝， 李伏生 水肥調(diào)控下糯玉米生長(zhǎng) 、 產(chǎn)量 J 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究， 2014 ， 32 和水分利用效率研究 （ 3 ） ： 114 118 + 126 8 彭世彰， 徐俊增， 黃 乾， 等 控制灌溉水稻葉片水平的水 農(nóng) 業(yè) 工 程 學(xué) 報(bào) 2006 ， 22 分利 用 效 率 試 驗(yàn) 研 究J （ 11 ） ： 47 52 9 楊 玫， 孫西歡， 栗巖峰， 等 灌水定額對(duì)田間水利用系數(shù) J 太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)， 2003 ， 34

17、（ 3 ） ： 364 366 的影響 10 許建中， 趙競(jìng)成， 高 峰， 等 灌溉水利用系數(shù)傳統(tǒng)測(cè)定 中國(guó)水利， 2004 方法存在問題及影響因素分析 J （ 17 ） ： 39 41 J 11 彭世彰， 高曉麗 提高灌溉水利用系數(shù)分析的探討 2012 （ 1 ） ： 33 35 中國(guó)水利， 檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵 （ 上接第 232 頁(yè)） 10 劉 蓉， 文 軍， 張?zhí)锰茫?等 利用 MEIS 和 AATS 資料 高 原 氣 象， 估算 黃 土 高 原 塬 區(qū) 蒸 散 發(fā) 量 研 究J 2008 ， 27 （ 5 ） ：

18、 949 988 11 周方錄， 黃金柏， 王 斌 黃土高原水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)水分有 J 農(nóng)機(jī)化研究， 2012， 34（ 12） ： 40 47 效性的季節(jié)變化 12 Lee L M， Kassim A， Gofar N Performances of two instrumented laboratory models for the study of rainfall infiltration into unsaturated soils J Engineering Geology， 2010 ， 117 （ 1 ） ： 78 89 13 樊 軍 水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)帶土壤水分運(yùn)動(dòng)與數(shù)值模擬研究 D

19、 楊凌： 中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所 ， 2005 14 梁 冰， 姜利國(guó) 非飽和帶水分運(yùn)動(dòng)模型的 Picard 解法 J 水資源與水工程學(xué)報(bào)， 2009 ， 及參數(shù)靈敏度分析 20 （ 5 ） ： 23 27 15 朱忠禮， 林柳鶯， 徐同仁 海河流域不同下墊面土壤水分 J 地球科學(xué)進(jìn)展， 2012， 27（ 7） ： 778 787 動(dòng)態(tài)模擬研究 16 周立花， 延軍平， 徐小玲， 等 黃土高原淤地壩對(duì)土壤 以綏德縣辛店溝為例 J 水分及地表徑流的影響 2006 ， 20 （ 3 ） ： 112 115 干旱區(qū)資源與環(huán)境， 17 邸蘇闖， 游松財(cái)， 劉喆惠 基于 GIS 的水量平衡模型在 中國(guó)農(nóng)村 黃土高原地區(qū)土壤水分模擬中的應(yīng)用J 2012 （ 5 ） ： 11 17 水利水電， 18 盧龍彬 中小尺度流域降雨 徑流數(shù)值模型研究 以 D 哈爾濱： 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2014 六道溝流域?yàn)槔?19 趙培培 黃土高原小流域典型壩地土壤水分和泥沙空 D 北京： 中國(guó)科學(xué)院研究生院 （ 教育部 間分布特征 2010 水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心 ） ， 20 Kimura ，Liu Y，Takayama N，et al H