模型計(jì)算河北省太行山區(qū)土壤水資源量與時空分布規(guī)律

1、模型計(jì)算河北省太行山區(qū)土壤水資源量與時空分布規(guī)律    摘要:本文在論述山區(qū)土壤水資源量計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，以河北省太行山區(qū)為研究對象，初步計(jì)算太行山區(qū)耕地1980-2000年21年間最小產(chǎn)生的土壤水資源總量為312.6億m3,土壤水資源量平均深度為349mm。土壤水資源量、徑流量分別占評價區(qū)降水量的61.45%和33.05%。通過計(jì)算分析得出土壤厚度是決定土壤蓄水能力的主要因素。由于不同土質(zhì)土壤儲水能力不同，因此在同一土層厚度范圍內(nèi)各土質(zhì)土壤水資源變化規(guī)律不同，表現(xiàn)為砂土>砂壤土>壤土>粘壤土>粘土。同時。土壤水資源量的年內(nèi)分配規(guī)

2、律表現(xiàn)為土壤水資源量與降水量年內(nèi)分配同頻率。握了上述規(guī)律，有效調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，開展農(nóng)業(yè)節(jié)水措施是十分必要的。 關(guān)健詞：土壤水資源量,計(jì)算模型,太行山,分配規(guī)律,種植結(jié)構(gòu) 1前言 土壤水是地球水體的重要組成部分之一。陸地上植被和作物所利用的水分主要是從土壤中直接吸取的。它影響著農(nóng)作物生長、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及水資源的合理分配與高效利用。因此提出一套適合不同分區(qū)、不同土質(zhì)的土壤水資源的計(jì)算方法，了解河北山區(qū)土壤水資源分布時空規(guī)律與土壤蓄水量的評估對實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)乃至整個山區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。 2土壤水資源評價模型     

3、;                                             土壤水資源計(jì)算模型的目的是摸清現(xiàn)狀我省山區(qū)土壤分區(qū)和土地利用條件下土壤水資源的分布規(guī)律，

4、為今后我省改進(jìn)耕作方式、調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，高效利用土壤水提供基本依據(jù)。并以此為目的，研究天然條件下土壤水資源的時空變化規(guī)律，分析在天然條件下可以得到補(bǔ)充，并且對作物有效的那一部分水量是本模型建立的基礎(chǔ)。因而在評價土壤水資源時不考慮灌溉水。 物理模型基礎(chǔ)                              

5、;                        范如華先生認(rèn)為：降雨補(bǔ)給土壤水，其過程如圖2-2示，是由土層上部達(dá)飽和含水量后逐漸下移，最后使土壤包氣帶達(dá)田間最大持水量后暫時平衡，這就是依靠土壤毛管力支持的懸著毛管水，可供作物根系吸收和棵間蒸發(fā)的雨水。 2.1模型建立的幾個基本假定 本次模型建立是研究大范圍內(nèi)的土壤水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律，考慮到降雨與下墊面條件的空間變異復(fù)雜，因此對模

6、型進(jìn)行假設(shè)概化。 2.1.1研究的狀態(tài)是一種假定的理想狀態(tài)。土壤水分的上行消耗為裸地的蒸發(fā)，而不考慮植物蒸發(fā)。得到的結(jié)果是一個潛在的最小土壤水資源量，從而根據(jù)河北省太行山區(qū)最少能產(chǎn)生土壤水資源的數(shù)量，達(dá)到合理利用有限的土壤水資源，指導(dǎo)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)的目的。 2.1.2評價層內(nèi)土壤為均質(zhì)土壤 2.1.3采用的五種土壤質(zhì)地類型（砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土），就某一種土壤質(zhì)地而言，土壤調(diào)蓄能力（儲水、入滲等特性）完全相同； 2.1.4年降雨及年內(nèi)分布決定了土壤水資源的狀況，因此采用降雨的頻率分析土壤水資源的頻率（程伍群）； 2.2.土壤水資源量模型確定   

7、0;                                                 

8、0;      本模型采用補(bǔ)給法計(jì)算土壤水資源，從土壤水資源可利用角度出發(fā)，利用含水量變化過程來推算土壤水資源量，不僅包含了本年降水的有效補(bǔ)給數(shù)量，由于年初土壤含水量是上一年土壤蓄水量的反映，因而使計(jì)算的土壤含水量，更接近本年的實(shí)際土壤水資源可利用量，較好地說明水分循環(huán)和水量平衡的全過程。 對于一個研究單元，確定的土壤水資源評價模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（1） 其中： 一次降雨產(chǎn)生的土壤水資源量； 日降水量 凝結(jié)水量； 為入滲到評價層以下的水量； 無效降水量； 雨期蒸發(fā)量； 為潛水蒸發(fā)量； 可以通過不同坡度、土層厚度的降雨徑流關(guān)系確定。 其中： 1、

9、（凝結(jié)水量），經(jīng)試驗(yàn)證明，該值的總量較大，但平均每天的數(shù)量較小，在轉(zhuǎn)化為土壤水之前主要用于蒸發(fā)，對土壤水資源量的影響不大，因此忽略不計(jì)； 2、(無效降雨量)，當(dāng)本日有降水時，根據(jù)降水歷時t和當(dāng)日蒸散發(fā)能力計(jì)算無效降水量。即/24×t采用氣象學(xué)方法計(jì)算，或采用E601蒸發(fā)皿折算。） 3、（雨期蒸發(fā)量），由于雨期的濕度大，溫度偏低，蒸發(fā)非常小，因此忽略不計(jì)； 4、（潛水蒸發(fā)量），河北省太行山區(qū)地下水位較深（30m），并有巖石不透水層隔離，因此可以忽略不計(jì)，對于山區(qū)丘可以認(rèn)為該值為零； 因此： 式（1）簡化為： （2） 在山丘區(qū)一般情況下，與最終流出評價層，不參與土壤水資源評價，因此，把、

10、統(tǒng)稱為徑流（）。 因此得出： （3） 假定評價層深度內(nèi)田間持水量為Wmax（mm），田間調(diào)萎含水量為W0（mm）其中 （4） （5） 徑流量是區(qū)域降水特征和下墊面特征相互作用的產(chǎn)物。由于包氣帶的土壤組成、水分動態(tài)的變化等因素的差異，造成產(chǎn)流機(jī)制不同。主要包括兩種基本的產(chǎn)流機(jī)制，即超滲產(chǎn)流與蓄滿產(chǎn)流。由于河北省太行山區(qū)土壤砂性顆粒含量高,降水特點(diǎn)為雨強(qiáng)大,歷時短，主要以超滲產(chǎn)流為主；又因?yàn)樵摰赝翆颖?降水到一定程度又容易蓄滿。因此，為了提高土壤水資源量計(jì)算精度，本模型徑流量計(jì)算同時考慮超滲、蓄滿兩種產(chǎn)流機(jī)制。 對于每一種類型土質(zhì)土壤，設(shè)置一個包氣帶日入滲能力FM，當(dāng)（PPw（無效降水）大于FM時

11、，超過部分產(chǎn)生徑流R超。即： 當(dāng)PPw>FM時 R超=PPwFM 當(dāng)PPwFM時 R超=0 如果單次降雨量、無效降水量、計(jì)算超滲產(chǎn)流量之差大于土壤田間持水量與起始含水量（W）的差，則，如果單次有效降雨量小于土壤田間持水量與起始含水量的差，則。 該值計(jì)算過程中需要確定降雨開始時的土壤實(shí)際平均含水量W/，需要通過的推求關(guān)系確定。計(jì)算公式為： （6） （7） （8） 其中： 第n+1日的土壤含水量； 第n日的土壤含水量； 第n日的有效降水量； 第n日的蒸發(fā)量； 為土壤濕度系數(shù)； 為水面蒸發(fā)量； 為土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的折減系數(shù)； 將各次降雨轉(zhuǎn)化而成的土壤水資源量累加，就可以得到一年內(nèi)的土壤水

12、資源量。對于一年，可以表示為： （9） 該值的計(jì)算可以的按日進(jìn)行全年累計(jì)，獲得全年的土壤水資源量，也可以對各作物的生長階段進(jìn)行累加，獲得不同生長階段的土壤水資源量，這樣得到的結(jié)果包括兩個部分，即：年土壤水資源總量和土壤水資源的年內(nèi)分配。 2.3太行山土壤水資源計(jì)算分區(qū)及計(jì)算單元 土壤水資源分區(qū)是土壤水資源評價的基礎(chǔ)。根據(jù)土壤類型分布及其性狀等，同時采用有關(guān)專題分區(qū)結(jié)果確定河北省太行山土壤水資源分區(qū)。即太行山土壤水資源分區(qū)共劃分為一個一級區(qū)，兩個二級區(qū)，三個三級區(qū)。（見表2-1）。在三級分區(qū)的基礎(chǔ)上，以縣為單位，根據(jù)五種土壤質(zhì)地（砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土）劃分計(jì)算單元。 太行山區(qū)土壤分區(qū)

13、表                                                  

14、0;                                               表2-1   

15、0;                                    2.4太行山區(qū)土壤水資源評價層確定 太行山區(qū)土層薄且礫石含量多，因此評價層確定為整個土層。由于山區(qū)土層厚度差異非常大，因此我們把太行山區(qū)不同土質(zhì)土層厚度劃分為四個范圍,分別為

16、>100cm、55-100cm、30-55cm、<=30cm，并計(jì)算位于不同土層范圍內(nèi)各計(jì)算單元土層厚度加權(quán)平均值，作為該范圍內(nèi)的評價層厚度。 2.5典型區(qū)土壤水資源模型參數(shù)率定 選用各試驗(yàn)站八十年代以來的實(shí)測及調(diào)查的降水、徑流、土壤含水量、灌溉水量資料，分別建立各典型區(qū)土壤水資源數(shù)量計(jì)算模型，進(jìn)行模型參數(shù)率定和檢驗(yàn)。 2.5.1入滲能力率定 包氣帶日入滲能力FM主要結(jié)合各典型區(qū)逐年的地表徑流量資料進(jìn)行率定。率定得到的包氣帶日入滲能力FM隨土質(zhì)不同變化較大，砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土的FM分別為50mm/d、45mm/d、40mm/d、35mm/d、30mm/d。 2.5.2

17、蒸發(fā)損失系數(shù)K率定 蒸發(fā)損失系數(shù)K與日蒸發(fā)能力和土壤水含量有關(guān)，由于兩影響因素均具有年變化規(guī)律，故率定k值時，按月采用同值進(jìn)行率定。 率定得到的各月蒸發(fā)損失系數(shù)k為多年平均值，綜合反映了氣象因素和土壤含水量的影響。比較各典型區(qū)率定得到的蒸發(fā)損失系數(shù)，代表不同土質(zhì)各分區(qū)的率定k值，基本差別不大，因此，推廣到土壤水資源計(jì)算單元時，同土層不同質(zhì)地可采用同一k值，作為模型初始試算值。見表2-2                  

18、60;               土壤水資源計(jì)算分區(qū)不同土層蒸發(fā)衰減系k值表                                

19、0;    2.6水分常數(shù)的確定 計(jì)算土壤水資源量必須首先確定田間持水量（c(z)）、凋萎含水量wp(z)兩個基本土壤水分常數(shù)。 經(jīng)過收集整理河北省山區(qū)不同土壤質(zhì)地代表點(diǎn)兩個基本土壤水分常數(shù)的有關(guān)資料，然后根據(jù)土壤計(jì)算單元的質(zhì)地及鄰近代表點(diǎn)相應(yīng)質(zhì)地，確定該土壤水資源計(jì)算單元兩個基本土壤水分常數(shù)的采用值。見表2-3 太行區(qū)各分區(qū)土壤水分常數(shù)表                    

20、;                                                  

21、;             表2-3                                      

22、;   3.河北省太行山區(qū)土壤水資源量計(jì)算 利用山區(qū)土壤水資源模型計(jì)算，在電子表格中分別輸入分區(qū)計(jì)算單元日降雨過程資料和日水面蒸發(fā)量，并根據(jù)各因子，利用建立的土壤水資源量（mm）、無效降水量、產(chǎn)生徑流量(mm)公式進(jìn)行計(jì)算。 河北省太行山區(qū)耕地總面積為4473.15km2。經(jīng)計(jì)算1980-2000年土壤水資源總量為312.360億m3；土壤水資源評價區(qū)降水總量為508.295億m3；無效降水總量為27.908億m3；徑流總量168.027億m3。土壤水資源量、徑流量分別占評價區(qū)降水量的61.45%和33.05%。 說明土壤水資源的總量比地表水與地下水之和還要多。正是因?yàn)橛辛?/p>

23、土壤水資源的存在，才滿足了作物生長發(fā)育的大部分需水要求，占太行山區(qū)耕地80%以上的旱地農(nóng)作物，完全靠土壤水生長發(fā)育，而且土壤水是農(nóng)、林、牧業(yè)和陸地生態(tài)環(huán)境最重要的水資源。土壤水資源實(shí)際上在很大程度上對地表淡水和地下淡水的使用起到了很大的替代作用。 3.1土壤水空間變化規(guī)律 由圖3-1可看出，1980-2000年太行山耕地土壤水資源量與逕流量變化幅度與土層厚度關(guān)系密切,土層越薄土壤水資源量與逕流量變化幅度越小,產(chǎn)生逕流量越大,土層越厚土壤水資源量與逕流量變化幅度越大,產(chǎn)生逕流量越小，可見土層厚度是決定土壤蓄水能力的主要因素。由于不同土質(zhì)土壤儲水能力不同，因此在同一土層厚度范圍內(nèi)各土質(zhì)土壤水資源變

24、化規(guī)律不同，表現(xiàn)為砂土>砂壤土>壤土>粘壤土>粘土。                                  太行山行政分區(qū)多年平均土壤水資源量表 表3-1        &#

25、160;                                                          表3-1可以看出太行山區(qū)耕地多年平均土壤水比較豐富的地區(qū)為永年、井陘礦區(qū)，土壤水資源量達(dá)到400mm以上；而涉縣、贊皇、行唐、淶水土壤水資源量比較少年平均量在300mm以下。 3.2壤水時間變化規(guī)律 經(jīng)過不同質(zhì)地典型單元豐、平、枯三個典型年進(jìn)行逐月土壤儲水量初步分析，不同土質(zhì)土壤典型年土壤儲水量年內(nèi)變化有如下規(guī)律：土質(zhì)為砂土?xí)r，各典型年1-5月份儲水量基本一致，6-12月份儲水量豐水年>平水年>枯水年;土質(zhì)為其它類型時