聊城市不同土質(zhì)土壤增退墑?lì)A(yù)報(bào)模型及精度分析

李廣杰，林長(zhǎng)清，范海玲

（1.聊城市水文中心,山東 聊城 252000；2. 山東省水文中心,山東 濟(jì)南 250000）

1 試驗(yàn)站概況

丁塊試驗(yàn)站地處位山引黃灌區(qū),西鄰位山引黃灌區(qū)一干渠,東到溫陳至王廟路,北至六支渠,控制總面積11.5 km2,耕地1.55 萬(wàn)畝。試區(qū)以研究水鹽動(dòng)態(tài)變化規(guī)律為主,采用烘干法監(jiān)測(cè)土壤含水率,監(jiān)測(cè)土層深度0～0.6 m以上。

王二莊試驗(yàn)站位于冠縣東北部的甘官屯鄉(xiāng),東臨位山引黃灌區(qū)三干渠,以地下水回灌均衡試驗(yàn)、土壤墑情變化規(guī)律研究為主,采用烘干法和中子儀法監(jiān)測(cè)土壤含水率,監(jiān)測(cè)土層深度達(dá)到1 m以上。

2 不同土質(zhì)土壤增退墑?lì)A(yù)報(bào)模型

聊城市農(nóng)田耕作層土壤土性、地下水埋深等東西部差別較大,土壤墑情增減變化規(guī)律同樣存在較大差異。以冠縣王二莊站分析成果代表沙土、亞沙土土質(zhì)；以丁塊試驗(yàn)站分析成果代表沙壤土土質(zhì)。

2.1 增墑?lì)A(yù)報(bào)模型

一定厚度的地表土層,按照水量平衡原理,得到土壤含水率增值方程：

圖1 沙土、亞沙土增墑曲線(xiàn)

丁塊試驗(yàn)站增墑成果,見(jiàn)圖2。

圖2 沙壤土增墑曲線(xiàn)

2.2 退墑?lì)A(yù)報(bào)模型

選擇不同時(shí)期無(wú)降水和灌溉時(shí)段相鄰測(cè)次的土壤平均含水率為分析依據(jù),土壤墑情消退的速度用消退系數(shù)K表示,計(jì)算公式為：

式中：K為土壤含水率消退系數(shù)；ρ0為時(shí)段初始土壤含水率,%；ρt為t日后土壤含水率,%；t為間隔日數(shù),d。

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別計(jì)算三個(gè)不同層次的垂線(xiàn)平均土壤含水率,以不同土壤層次土壤含水率與相應(yīng)消退系數(shù)K建立退墑曲線(xiàn)。

采用冠縣王二莊站1980年～1987 年8 年土壤含水率觀(guān)測(cè)資料,分別計(jì)算三個(gè)不同層次的垂線(xiàn)平均土壤含水率,依據(jù)降水相隔天數(shù)、時(shí)段始末土壤含水率差值,采用式（2）計(jì)算各個(gè)時(shí)段的土壤含水率消退系數(shù)。

圖3 沙土、亞沙土消退系數(shù)曲線(xiàn)

選取丁塊試驗(yàn)站賈白試區(qū)第七試驗(yàn)方種植夏秋兩熟作物的地塊,1976 年～1981 年6 年土壤含水率觀(guān)測(cè)資料,分別計(jì)算三個(gè)不同層次的垂線(xiàn)平均土壤含水率,依據(jù)降水相隔天數(shù)、時(shí)段始末土壤含水率差值,采用式（2）計(jì)算各個(gè)時(shí)段的土壤含水率消退系數(shù)。

圖4 沙壤土消退系數(shù)曲線(xiàn)

3 增退墑?lì)A(yù)報(bào)模型精度檢驗(yàn)

3.1 資料選取

為分析增退墑?lì)A(yù)報(bào)模型應(yīng)用于聊城市農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可行性,搜集整理了聊城市2012年～2019年全市28處墑情監(jiān)測(cè)站資料,23處常年雨量站降雨量觀(guān)測(cè)資料,所選年份中包括豐水年4年,平水年2年,枯水年1年,特枯水年1年,具有較好的代表性。

按照地下水埋深和地表土壤巖性的不同將聊城市農(nóng)田分為沙土亞沙土地區(qū)、沙壤土地區(qū)兩種類(lèi)型,沙土亞沙土地區(qū)選取莘縣、觀(guān)城等站為代表站,沙壤土地區(qū)選取劉橋、茌平等站為代表站,將墑情監(jiān)測(cè)資料采用不同的增墑、退墑?lì)A(yù)報(bào)模型進(jìn)行分析研究,盡可能使適用條件具有較好的一致性。

3.2 增墑模型精度檢驗(yàn)

3.2.1 增墑數(shù)據(jù)選取

查閱2012年～2019年8年墑情監(jiān)測(cè)資料與降雨量資料,僅2017年9月21日～10月1日一個(gè)時(shí)段,前期無(wú)灌溉且次降水量較大,符合降水增墑分析條件,墑情監(jiān)測(cè)資料與相應(yīng)降雨量監(jiān)測(cè)資料可供降雨增墑分析采用。

在沙壤土地區(qū)、沙土亞沙土地區(qū)分別統(tǒng)計(jì)各站時(shí)段初、時(shí)段末垂線(xiàn)平均含水率,時(shí)段各站累計(jì)降雨量,計(jì)算10月1日各站垂線(xiàn)平均含水率較降水前增加值,同時(shí)根據(jù)雨前土壤平均含水率,分別查驗(yàn)聊城市降雨量、起始含水率與雨后增墑相關(guān)圖,得到各站降雨后土壤墑情增加值,推求各站降雨后土壤墑情預(yù)測(cè)值。

3.2.2 增墑方案墑情預(yù)測(cè)精度分析評(píng)價(jià)

對(duì)比各監(jiān)測(cè)站土壤含水率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值,結(jié)果表明,分析時(shí)段各站土壤含水率預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差全部在4%以?xún)?nèi),預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差全部在18%以?xún)?nèi),相對(duì)誤差在5%以?xún)?nèi)的站5處,占41.6%。

表1 各監(jiān)測(cè)站土壤含水率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值結(jié)果

3.3 退墑模型精度檢驗(yàn)

3.3.1 退墑數(shù)據(jù)選取

根據(jù)各監(jiān)測(cè)站降雨量觀(guān)測(cè)資料,選取墑情觀(guān)測(cè)時(shí)段內(nèi)沒(méi)有發(fā)生降雨而且沒(méi)有灌溉的地塊的墑情監(jiān)測(cè)資料。按照上述要求在2012年～2019年實(shí)測(cè)墑情資料中共選取6個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)段。

3.3.2 增墑方案墑情預(yù)測(cè)精度分析評(píng)價(jià)

表2 區(qū)域代表站實(shí)測(cè)、預(yù)測(cè)土壤含水率比較對(duì)照表

對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果按照分區(qū)進(jìn)行分析,代表站平均誤差沙土亞沙土地區(qū)較大,有兩個(gè)段次平均含水率預(yù)測(cè)差值2.2%～2.4%,相對(duì)誤差在10%以上；沙壤土地區(qū)誤差較小,有兩個(gè)段次平均含水率預(yù)測(cè)差值1.4%～1.5%,其他段次平均含水率預(yù)測(cè)差值1%以?xún)?nèi)。

4 預(yù)報(bào)精度分析及結(jié)論

4.1 預(yù)報(bào)精度分析

采用聊城市分區(qū)代表站墑情預(yù)報(bào)方案對(duì)聊城市農(nóng)田墑情進(jìn)行預(yù)測(cè),將預(yù)測(cè)成果與實(shí)測(cè)墑情進(jìn)行分析對(duì)比,結(jié)果表明：增墑方案預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差全部在4%以?xún)?nèi),相對(duì)誤差全部在18%以?xún)?nèi)；退墑方案預(yù)測(cè)絕對(duì)誤差在4%以?xún)?nèi)的94.8%,相對(duì)誤差在20%以?xún)?nèi)的96.1%。

依據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》,土壤含水率按實(shí)測(cè)值的20%作為許可誤差進(jìn)行評(píng)價(jià),退墑?lì)A(yù)測(cè)成果全部合格,增墑?lì)A(yù)測(cè)成果合格率達(dá)到96.1%。

4.2 結(jié)論

依據(jù)《水文情報(bào)預(yù)報(bào)規(guī)范》評(píng)價(jià),增墑方案和退墑方案預(yù)測(cè)精度均達(dá)到甲級(jí)方案標(biāo)準(zhǔn),該方案可以應(yīng)用于聊城市農(nóng)田墑情作業(yè)預(yù)報(bào),預(yù)報(bào)成果可作為制定灌區(qū)農(nóng)田灌溉方案參考。