DRAINMOD模型在農(nóng)田排水中的應(yīng)用

王寧 俞雙恩

摘 要：為驗(yàn)證DRAINMOD模型的準(zhǔn)確性，該文采用泗陽(yáng)縣運(yùn)南灌區(qū)4次降雨后農(nóng)田短系列排水過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，兩系列相關(guān)系數(shù)均在0.98以上，具有較好的相關(guān)性；Nash系數(shù)均在0.9以上，模型模擬效率較高，實(shí)用性較強(qiáng)。

關(guān)鍵詞：DRAINMOD；模擬；驗(yàn)證；短系列

中圖分類號(hào) S276 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-7731（2018）08-0118-03

Application of DRAINMOD Model in Farmland Drainage

Wang Ning1 et al.

（1Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower， Hefei 230088，China）

Abstract：The paper analyses the difference between the simulation and measurement results of short series farmland drainage after four rainstorms in Yunnan irrigation area in Siyang County to test and verify the accuracy of DRAINMOD. The two series have preferable relativity with the correlation coefficient exceeds 0.98； and the efficiency and practicability of model are perfect with Nash coefficient outnumbers 0.9.

Key words：DRAINMOD；Simulating；Verification；Short series

DRAINMOD模型是Skaggs于1978年提出的一個(gè)淺層土壤水分管理模型[1]。模型基于田間尺度，可以根據(jù)給定的初始場(chǎng)預(yù)測(cè)田間地下水位，地表、地下排水量，土壤剖面含水量，作物產(chǎn)量等。1992年Kandil[2]在DRAINMOD模型基礎(chǔ)上加入了水鹽運(yùn)移模塊，將土壤鹽分運(yùn)移分為土壤水飽和區(qū)和非飽和區(qū)分別計(jì)算；1994年Breve等[3]在DRAINMOD排水模型基礎(chǔ)上提出了DRAINMOD-N氮素模型，2004年Youssef[4]完善了氮素模型，將碳循環(huán)過(guò)程引入其中，提出了DRAINMOD-NII模型，至此模型能夠較為全面的描述土壤、水、大氣中氮素循環(huán)交互過(guò)程。隨著研究的逐漸深入，范圍不斷延伸，DRAINMOD模型已經(jīng)逐漸發(fā)展為多元聯(lián)動(dòng)耦合模型，如與綜合作物模型系統(tǒng)DSSAT耦合的DRAINMOD-DSSAT模型[5]，與地理信息聯(lián)合運(yùn)用的DRAINMOD-GIS模型[6]、DRAINMOD-Geostatistical模型[7]，以及與林地生長(zhǎng)模型3-PG model耦合的DRAINMOD-FOREST模型[8]等，DRAINMOD模型不斷發(fā)展，具有較高的模擬精度和預(yù)測(cè)合理性。本文擬采用2012年夏季泗陽(yáng)縣運(yùn)南灌區(qū)4次降雨后農(nóng)田排水過(guò)程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)系列與模擬數(shù)據(jù)系列進(jìn)行比較，分析降雨后預(yù)測(cè)的短系列排水量與實(shí)測(cè)排水量差異，以驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性與合理性。

1 DRAINMOD模型基本原理

DRAINMOD模型利用地表水量與土壤內(nèi)部水量平衡原理，以天或小時(shí)為模擬單位，以氣象資料、土壤特性、入滲過(guò)程、作物種植、排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)等為參數(shù)，用于預(yù)測(cè)地下水位變化過(guò)程，地表、地下排水量，土壤含水量等。模型計(jì)算過(guò)程中將土壤自動(dòng)劃分為土壤水飽和區(qū)和非飽和區(qū)，認(rèn)為非飽和區(qū)為一維垂向土壤水運(yùn)動(dòng)，忽略側(cè)向土壤水運(yùn)動(dòng)的影響，而飽和區(qū)則考慮垂向和側(cè)向的土壤水運(yùn)動(dòng)，然后分別進(jìn)行地表和地下土壤水量平衡計(jì)算。

2 試驗(yàn)區(qū)概況與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)區(qū)屬于暖溫帶季風(fēng)氣候，年均降雨量892.3mm，其中，主汛期（6—9月）雨量占年降雨量近70%。該區(qū)年均水面蒸發(fā)量900mm，年平均氣溫14.1℃。土壤類型為砂壤土，總孔隙度為44.97%，pH值為7.02，土壤有機(jī)質(zhì)21.88g·kg-1。

試驗(yàn)種植粳稻，采用常規(guī)灌溉排水的方式，6月20日泡田翻耕，6月26日移栽，重復(fù)進(jìn)行3組試驗(yàn)，各生育期控水指標(biāo)見表1。降雨排水前在農(nóng)溝出口處設(shè)置三角量水堰，監(jiān)測(cè)降雨后地表排水情況，同時(shí)，采用水尺量取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水位變化情況，以得到降雨前后總排水量變化，過(guò)程中每30min觀測(cè)一次。

3 模型參數(shù)確定及評(píng)價(jià)方法

3.1 模型參數(shù)確定 模型的主要輸入?yún)?shù)包括試驗(yàn)區(qū)的氣象、土壤、水力設(shè)計(jì)參數(shù)、作物資料等。降雨資料為DRAINMOD的基本輸入項(xiàng)之一，地表徑流、地下排水及深層滲漏量等指標(biāo)的預(yù)測(cè)需要準(zhǔn)確的降雨資料作為支撐。試驗(yàn)期間降雨分別發(fā)生在：7月24日、8月15日、9月7日及9月17日，降雨量分別為102.6mm、169.1mm、74.2mm及59.5mm；排水設(shè)計(jì)參數(shù)中排水間距、深度分別為1500cm、80cm，排水系數(shù)為2cm/d，不透水層深度為550cm，排水農(nóng)溝底寬為60cm，邊坡系數(shù)為1.0；作物根系深度根據(jù)不同時(shí)期分為7月3日～7月28日、7月29日～8月20日、8月21日至9月1日、9月2—20日，分別為15cm、25cm、30cm、30cm。土壤參數(shù)與實(shí)測(cè)試驗(yàn)一致，見表2和表3。

3.2 模擬效果的評(píng)價(jià)參數(shù) 模擬效果的評(píng)價(jià)參數(shù)采用Nash效率系數(shù)（Nash-Sutcliffe efficiency）[9-10]，Nash反應(yīng)了模擬值、實(shí)測(cè)值及實(shí)測(cè)值均值間的離差情況，進(jìn)而反應(yīng)模型的模擬效率，Nash∈（-∞，1），1表示模擬效果最優(yōu)，Nash值越小模擬效果越差，計(jì)算公式如下：

[Nash=1-i=1nSi-Oi2i=1nOi-O2] （1）

式中：Oi為第i時(shí)段的觀測(cè)值；[O]為整個(gè)時(shí)段觀測(cè)值的平均值；Si為第i時(shí)段的模擬值。

4 結(jié)果與分析

從模擬值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差來(lái)看，各次降雨模擬值與實(shí)測(cè)值誤差絕對(duì)值在1.68%～9.09%，未超過(guò)10%，對(duì)于降雨總量而言，誤差絕對(duì)值均在1%以內(nèi)，較各次降雨?。粚?duì)于相關(guān)系數(shù)，徑流、側(cè)滲及排水總量系列模擬值均與實(shí)測(cè)值具有較好的相關(guān)性；對(duì)于Nash，排水總量與徑流系列Nash均在0.95以上，而側(cè)滲系列僅為0.9，說(shuō)明模型模擬過(guò)程中對(duì)于地表排水及排水總量的過(guò)程擬合較為準(zhǔn)確，而側(cè)滲過(guò)程有所欠缺，總體而言模擬結(jié)果較為可信（表4）。

由此可見，DRAINMOD模型能夠在降雨后農(nóng)田短系列排水應(yīng)用方面提供較為可信的成果，為今后農(nóng)田排水預(yù)測(cè)控制提供了一種便捷有效的工具。

參考文獻(xiàn)

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（責(zé)編：張宏民）