1、ISAREG 模型在灌区土壤墒情预报中的应用研究 霍轶珍 李生勇 郭彦芬 内蒙古河套学院土木工程系 摘 要： 土壤墒情预报是农田土壤水分调控的基础和前提。针对当前灌区土壤墒情监测工作量大且预报精度不高的问题, 采用数值模拟和农田实测数据相结合的方法, 应用以水量平衡法为基本原理的 ISAREG 灌溉模型进行灌区土壤墒情预报, 并利用内蒙古河套灌区沙区灌溉试验站的大田实测数据对 ISAREG 模型的模拟精度进行验证, 结果表明:ISAREG 模型能较好地模拟作物土壤含水率的动态变化, 模型输出的模拟值与实测值对比, 回归系数约为 1.02, 决定系数在 0.6 以上, 误差在 10%以内, 表明
2、该模型参数经过校准和验证后, 可以用来进行土壤墒情预报。该模型还具有识别作物是否处于水分胁迫状态, 并对作物灌溉制度进行评价和优化的功能, 可进行灌区灌溉预报。关键词： ISAREG 模型; 墒情预报; 水量平衡; 河套灌区; 作者简介：霍轶珍 (1966) , 女, 内蒙古巴彦淖尔人, 教授, 主要从事节水灌溉技术研究工作。E-mail:收稿日期：2015-09-20基金：“十三五”国家重点研发计划项目 (2016YFC0400205) Study on Application of ISAREG Model in Soil Moisture Forecast System of Irrig
3、ation AreaHUO Yizhen LI Shengyong GUO Yanfen Department of Civil Engineering, Hetao University; Abstract： The soil moisture forecast is the basis and premise of farmland soil moisture control. In order to solve the problem of heavy workload of soil moisture monitoring and forecasting and its low acc
4、uracy, this article combined the numerical simulation and the measured data, applied ISAREG model based on water balance of farmland and used the observed field data of irrigation experimental station in Hetao irrigated area of Inner Mongolia to forecast the soil moisture. The results show that the
5、ISAREG model can simulate the dynamic change of soil moisture content very well, regression coefficient of comparing simulation value and measured values is about 1.02, decision factor above 0.6 and the error is within 10%. Therefore, ISAREG can be used for prediction of soil moisture after calibrat
6、ion and verification show that the model parameters, moreover, the model is able to recognize whether crop is under water stress, and to evaluate crop irrigation system and optimization function of irrigation. It is very recommended that all data relative to the model should be monitored to improve
7、accuracy in forecasting soil moisture, and to instruct the management in irrigation district.Keyword： ISAREG model; soil moisture forecast; water balance; Hetao; irrigation area; Received： 2015-09-20土壤墒情预报, 就是确定作物生育期根系层内未来某一时期的土壤中所含水分的变化, 它对于灌区管理和灌溉配水具有重要意义, 一直以来是农业水土领域的研究热点, 国内外专家对此进行了大量研究, 提出了多种计算
8、方法。LEWIN 等1最先根据土壤贮水量与土壤水分变化得出土壤含水量预报的经验模型;IDSO 等2用冠-气温差估算作物根区的含水量;DEJONG 等3应用土壤水动力学方法对土壤墒情进行预报;康绍忠4用气象数据等建立经验公式来预报墒情;卞艳丽等5分析了气象、作物蒸腾、地下水埋深、土壤特性等因子与大田土壤墒情之间的关系, 并提出了各参数的计算方法;王小兵等6建立了棉田不同生育期土壤墒情预报的经验模型, 但是预报公式中的经验系数取值范围太大, 造成预报的可靠性不高;曹治斌等建立了土壤水分消退系数与土壤含水量之间的关系7, 但模型中土壤水分消退指数的地域局限性较强;刘才良8根据土壤水分运动基本方程预报
9、土壤剖面含水量的变化, 但需要许多难以测定的作物和土壤参数9, 大田应用受到限制;尚松浩等10用 BP 神经网络模型预报土壤不同深度处的含水量, 该方法属于黑箱模型, 能反映出模型中参数与土壤水分之间的物理关系;裴步祥等11根据土壤水量平衡原理建立区域的土壤墒情预报模型, 原理简单, 便于理解, 缺点是需要大量实测资料才能达到较高的精度。综上所述, 在这些研究中受试验条件所限, 一般需要对建模所需的参数进行假设, 造成预报精度偏低。近年来, 全国各地的灌溉试验站积累了大量的试验资料, 完全涵盖了水量平衡方程中的各项参数, 利用土壤墒情预报模型进行墒情预报的精度得到提高12-13。笔者以内蒙古河
10、套灌区沙区灌溉试验站坝楞节水基地的土壤墒情监测站、土壤地下水监测站、小型气象站采集的数据为依据, 以数值模拟与田间试验相结合的方法来探讨 ISAREG 模型14-15在土壤墒情预报中的应用效果。1 模型简介及原理1.1 模型简介ISAREG 模型是葡萄牙里斯本科技大学农学院开发的灌溉模拟模型。它以水量平衡原理为基础, 将土壤、作物、气象、地下水、作物灌溉制度及实测田间含水率等数据输入模型, 进行水量平衡计算, 进而模拟农田水分变化, 根据模拟输入选项的差异输出不同的结果, 可以输出作物灌溉定额、深层渗漏量、水分利用效率、最大腾发量、实际腾发量、水分胁迫时的减产率、盐分胁迫时的减产率等数据。1.
11、2 建模原理模型采用水量平衡法在作物整个生育期内进行水量平衡计算, 其公式为式中:ET c为作物田间需水量, mm;I 为灌水量, mm;P 为降水量, mm;G 为地下水补给量, mm;D 为深层渗漏量, mm; 为土壤储水量变化, mm。由上式可知, 根据时段内的灌水量、降水量、地下水补给量、土壤水渗漏量和土壤储水量变化, 可得到作物生育期内的需水量。将土壤储水量变化用含水率代替并代入式 (1) , 公式变形为式中: i、 i-1分别为第 i、i-1 天根系层土壤含水率, %;P i为第 i 天的有效降水量, mm;I ni为第 i 天的净灌溉水量, mm;ET ai为第 i 天的作物实际
12、蒸发蒸腾量, mm;DPi为第 i 天的深层渗漏量, mm;GW i为第 i 天的地下水补给量, mm;z ri为第i 天的根系层深度, m。作物根层土壤含水量按照图 1 分区, 可分为过量含水区、实效含水区、水分亏缺区。(1) 过量含水区, 即 s田间持水量 Fc, 这一区内有重力排水, 土壤含水量不能被作物及时利用, 但部分可深层储水, 最终被作物利用。(2) 实效含水区, 即 i凋萎系数 Wp, 此区的作物因水分胁迫而不能达到最大蒸发蒸腾量, 故作物产量下降。田间墒情监测的主要任务是测试根层实时含水量处于哪个区域, 该模型可以从理论上较科学地预测田间的含水率。图 1 作物根层内土壤含水量
13、分区 下载原图2 田间试验田间试验在内蒙古河套灌区沙区灌溉试验站坝楞节水基地进行, 分别选择一块小麦田和玉米田作为典型试验处理进行监测, 灌溉方式为畦灌, 气象数据利用田间小型气象站采集, 准确记录灌溉时间, 采用梯形量水堰来测定灌溉水量, 用土钻取土并烘干测定土壤含水率, 试验畦田土壤质地均为粉壤土, 深度 0.8 m 以内土层平均土壤密度为 1.48 g/cm。2.1 参数计算及验证ISAREG 模型主要是通过输入作物、土壤、气象及灌溉资料来进行水量平衡计算。根据 2013 年观测的气象数据, 采用 Evap56 法计算得到小麦和玉米整个生育期的逐日参考作物腾发量 ET0, 结果见图 2。
14、图 2 2013 年试验区参考作物腾发量 ET0 下载原图小麦和玉米各生育阶段划分、作物系数以及实效水利用系数和产量反应系数等数据均采用戴佳信14、朱丽15的研究成果, 小麦、玉米各生育阶段对应的作物系数和实效水利用系数见图 3。图 3 小麦和玉米各生育阶段对应的作物系数和实效水利用系数 下载原图2.2 模拟结果分析评价图 4 给出了小麦和玉米试验中土壤含水率模拟值与实测值 (2013 年) 的相关关系。由图 4 (a) 可以看出:在小麦试验中模拟值与实测值回归系数为 1.021, 说明模拟值与实测值相近且稍微偏大, 其原因可能是模型中对地下水补给量的估值偏小;决定系数 R 为 0.604,
15、说明模拟值与实测值具有一定的相关性。从图 4 (b) 中可以看出:玉米试验表现出了同样的规律, 回归系数为 1.022, 同样说明模拟值误差极小;决定系数 R 为 0.694, 表明模拟值与实测值的相关性较好。经计算, 小麦试验田模拟值的误差为 6%, 玉米试验田模拟值误差为 8%, 均在 10%以内, 表明该模型模拟精度较高。图 5 为小麦和玉米试验的土壤含水率实测值 (2013 年) 与 ISAREG 模型模拟值的对比。从图 5 可以看出, 模拟值与对应的实测值基本吻合, 变化趋势也一致, 大体能反映出作物生育期内的土壤水分变化规律。对于小麦试验处理, 第一次和第二次灌溉的时间适宜, 有一
16、定的深层渗漏, 但是生育后期因未及时灌溉, 使得土壤含水率降低到水分亏缺区, 造成了一定的减产, 如果在日序数为 150 d 左右的时候增加一次灌溉, 就会避免产生水分胁迫。对于玉米处理, 灌溉时间比较适宜, 均在未出现水分胁迫就进行灌溉, 保证了玉米生长足够的土壤水分, 但是同小麦灌溉一样, 在每次灌溉时均有一定的深层渗漏, 造成了一定的水量损失。不仅如此, 对于最后一次灌溉, 玉米生长基本完成, 对水分需求较少, 故完全可以进行少量灌溉, 以节约灌溉水量。图 4 小麦和玉米试验处理的土壤含水率模拟值与实测值相关关系 下载原图图 5 小麦和玉米试验处理土壤含水率模拟值与实测值对比 下载原图3
17、 结论采用数值模拟和农田实测数据相结合的方法, 应用以水量平衡法为基本原理的ISAREG 模型进行灌区土壤墒情预报, 并利用内蒙古河套灌区沙区灌溉试验站坝楞节水基地试验田的农田实测数据对 ISAREG 模型的模拟精度进行了验证, 分析计算后得出以下结论。(1) ISAREG 模型采用水量平衡法模拟土壤含水率的动态变化, 与实测值比较, 回归系数约为 1.02, 决定系数在 0.6 以上, 相对误差在 10%以内, 表明该模型经过校准和验证后, 可以用来进行土壤墒情预报。(2) ISAREG 模型可以模拟作物生育期的土壤水分动态变化, 并能识别作物是否处于水分胁迫状态, 建议今后灌区的试验站全面
18、监测该模型所需的作物、土壤及地下水位相关数据, 进一步提高该模型的土壤墒情预报精度, 并进行土壤墒情预报和灌溉预报, 用于指导灌溉管理工作。参考文献1LEWIN J, LOMAS J.A Comparison of Statistical and SoilMoisture Modeling Techniques in a Long-Term Study ofWheat Yield Performance Under Semi-Arid ConditionsJ.Journal of Applied Ecology, 1974, 11 (3) :1081-1090. 2IDSO S B, EHRL
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20、-41. 5卞艳丽, 曹惠提, 杨一松, 等.田间土壤墒情预报模型关键参数确定方法研究J.人民黄河, 2012, 34 (10) :103-104. 6王小兵, 崔伟敏.基于经验模型的膜下滴灌棉田土壤墒情预报J.人民黄河, 2010, 32 (11) :84-86. 7长江流域规划办公室.水文预报方法M.北京:水利出版社, 1979:10-12. 8刘才良.农田水分预测模型J.水利学报, 1986, 17 (8) :45-51. 9马孝义, 王君勤, 李志军.基于土壤消退指数的田间土壤水分预报方法的研究J.水土保持研究, 2002, 9 (2) :93-96. 10尚松浩, 毛晓敏, 雷志栋,
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