李坤霖,孫 勇,衛(wèi) 琦,2,季婧鈺,徐俊增,2
(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098; 2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098; 3.江蘇省高郵市水利局,江蘇 高郵 225600)
灌溉制度是編制和執(zhí)行灌區(qū)用水計劃的重要依據(jù),而借助水量平衡模型模擬土壤水分動態(tài)是制定合理灌溉方案的主要手段。目前國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者關(guān)于稻田水量平衡模型的構(gòu)建、灌溉模型的優(yōu)化以及灌溉制度制定已開展了大量的工作[1-3]。孫景生等[4, 5]運(yùn)用水量平衡方程確定了旱作物的灌溉制度。Hatfield[6-8]等人為獲得高額穩(wěn)定的單位面積產(chǎn)量,并控制土壤濕度,配合相應(yīng)的農(nóng)業(yè)管理技術(shù),使作物產(chǎn)量達(dá)到最高,以此制定灌溉制度;李青[9-15]等通過對比分析多種灌溉制度在不同水文年的應(yīng)用,提出了不同作物的節(jié)水、增產(chǎn)灌溉制度。Kuo[16-21]等國內(nèi)外專家學(xué)者通過CROPWAT、ISAREG、Aquacrop 等模型,在保證作物正常生長的條件下,模擬了不同的灌水方案,并對灌區(qū)灌溉制度提出優(yōu)化建議。而關(guān)于通過調(diào)整作物不同階段的灌水延續(xù)時間以達(dá)到節(jié)水灌溉效果的研究還比較少。
“集水期灌”制度是指在灌溉用水管理過程中, 采取“集約調(diào)水、生理配水、定時供水、制度節(jié)水”的灌溉制度和用水管理模式[22]。高郵灌區(qū)自2001年起開始實(shí)行“集水期灌”制度以來,灌水周期采取泡田栽插期4 d左右、分蘗期5 d、曬田以后6 d左右,簡稱“456”灌溉制度。多年來,該灌溉制度仍存在著灌水次數(shù)多、灌溉定額大、灌溉水利用系數(shù)不高等問題,在灌水資源越發(fā)嚴(yán)峻的背景下,優(yōu)化灌溉制度、提高灌溉水利用效率對于解決農(nóng)業(yè)用水危機(jī)具有重要的理論意義。因此,針對傳統(tǒng)“456”灌溉制度存在的不足,本研究擬對灌水間隔進(jìn)行調(diào)整,提出“467”灌溉制度(灌水周期采取泡田栽插期4 d左右、分蘗期6 d、曬田以后7 d左右),并借助率定后的水量平衡模型對兩種灌溉制度的效果進(jìn)行分析比較,其研究結(jié)果對于高郵灌區(qū)“集水期灌”灌溉制度的改進(jìn)調(diào)整具有重要的指導(dǎo)意義和應(yīng)用價值。
試驗(yàn)區(qū)位于江蘇省高郵市卸甲鎮(zhèn)周莊村(119°11′E,32°35′N)境內(nèi),屬北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫14.6 ℃,常年降雨量1 037 mm,多年平均蒸發(fā)量1 060 mm。無霜期242 d,最高氣溫38.5 ℃,最低氣溫-18.5 ℃,相對濕度75%左右,寒暑顯著,易旱易澇。受海洋季風(fēng)的影響,6-9月份降雨偏多,多年平均汛期降雨量占多年平均雨量的59.5%。淺層地下水位埋深0.5~1.2 m,土壤耕層質(zhì)地為黏壤土,適宜水稻、小麥、棉花、油菜等多種糧經(jīng)作物生長。
根據(jù)高郵市1955-2014年的降水資料,將所有年份的降雨量按從大到小進(jìn)行排序,依次得到n=1、2、3、4、5.....的降雨量,將上述排列的各數(shù)值換算為對應(yīng)頻率的降雨量,計算公式為:p=n/(i+1),i為總共的統(tǒng)計年份,在頻率紙上將上述各值回歸,連成平順曲線,用內(nèi)插法在曲線上查出對應(yīng)25%、50%、75%及95%頻率時的降雨量值,確定了1974、1986、1999和1978年分別為豐水年、平水年、枯水年和特枯年。
稻田水平衡方程為:
hi=hi-1+Pi+Ii-Di-Si-ETi
(1)
式中:hi為第i天的田間水層深度,mm;hi-1為第i-1天的田間水層深度,mm;Pi為第i天的降雨量,mm;Ii為第i天的灌溉量,mm;Di為第i天的排水量,mm;Si為第i天的滲漏量,mm;ETi為第i天的騰發(fā)量,mm。
1.2.1 水稻需水量計算
水稻采用常規(guī)灌溉,其蒸發(fā)蒸騰量計算公式為:
ETi=KsiKciET0i
(2)
式中:ETi為第i天的耗水量,mm;Ksi為第i天的土壤水分脅迫修正系數(shù);Kci為第i天的作物系數(shù)。其中參考作物蒸發(fā)蒸騰量根據(jù)FAO-56推薦的Penman-Monteith公式來計算。式中所需的氣象資料來源于中國氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)。Kci采用單作物系數(shù)法確定,其中水稻生育階段按照初始期、發(fā)展期、中期和末期4個階段劃分,生育天數(shù)分別為20、25、45、30 d。Ksi應(yīng)用以下的數(shù)學(xué)模型,在逐日作物需水量預(yù)測中計算土壤水分脅迫修正系數(shù):
(3)
式中:θi-1為第i-1日實(shí)際土壤含水率, 對于水稻, 以占飽和含水率百分?jǐn)?shù)計;θc為土壤水分脅迫臨界含水率百分?jǐn)?shù),水稻為80%;ε為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),取0.95。
1.2.2 滲漏量
根據(jù)稻田有無水層2種情況,分別計算其滲漏量:
(1)若田間有水層,滲漏量可按照與水層深度之間的線性關(guān)系進(jìn)行計算,其公式為:
Si=ahi+b
(4)
式中:Si為第i天的滲漏量,mm;hi為稻田水層深度,mm;a、b為擬合參數(shù)。
(2)若田間出現(xiàn)無水層,在稻田土壤含水率高于田間持水率時仍會有少量的滲漏,此時稻田滲漏可按下式計[23]:
(5)
式中:Si為第i天自由排水通量,mm;K0為飽和水力傳導(dǎo)度,主要與土壤質(zhì)地有關(guān),土壤愈黏重,其值愈小,一般取0.1~1.0 m/d;α為經(jīng)驗(yàn)常數(shù),一般為50~250,土壤愈黏重,其值愈大;ti為土壤含水率從飽和狀態(tài)達(dá)到第i天水平所經(jīng)歷的天數(shù);H為水稻主根層深度,m。
1.2.3 降雨容蓄
當(dāng)一次降雨不超過田面允許水深上限時,其降雨量均為有效降雨量;當(dāng)降雨量超過大于田面允許的最大水深時,其超過部分為排水量,其公式為:
(6)
式中:Re為一次降雨的有效降雨量,mm;R為一次降雨量,mm;H0為一次降雨開始時田面水層深度,mm;Hmax為田面允許最大蓄水深度,mm。
基于2010年田間A和B田塊的實(shí)測土壤水分與水層數(shù)據(jù)為率定樣本,借助水量平衡模型對作物系數(shù)Kci、飽和水力傳導(dǎo)度K0、擬合參數(shù)a和b以及經(jīng)驗(yàn)常數(shù)α等變量進(jìn)行率定,以實(shí)測水層深度和模擬水層深度之間的誤差平方和最小為目標(biāo),利用最小二乘法進(jìn)行求解。以田塊C為驗(yàn)證樣本對參數(shù)率定結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。模型效率主要取決于Nash-Sutucliffe模型有效系數(shù)R2,R2越接近于1表明模型效率越高,同時ME也是衡量模型效率的重要指標(biāo),其值越接近于0表明模型模擬效果越好。為使模型效率較高,即需要目標(biāo)函數(shù)最小。
在現(xiàn)行“集水期灌”456灌溉制度的基礎(chǔ)上對灌水間隔進(jìn)行調(diào)整,提出“467”灌溉制度。并通過率定的模型推求“456”和“467”灌溉制度,分析和對比兩種灌溉制度的差異及灌水后的水分特征和降雨利用率等效果,其中降雨的有效利用率采用下式計算:
ρ=∑R0/∑R
(7)
式中:ρ為降雨利用率;其余符號意義同上。
由最小二乘法計算得到的水稻作物系數(shù)Kc值取Kc1=1.006,Kc2=1.400,Kc3=0.910;滲漏量模型參數(shù)分別取a=0.15,b=1.00,K0=0.35,α=175.03。
通過對田塊水層深度的模擬數(shù)學(xué)統(tǒng)計,率定樣本誤差平均值分別為4.23和2.28;絕對值誤差平均值同樣相對較低,分別為9.08和5.50。比較其相關(guān)系數(shù)發(fā)現(xiàn),各田塊實(shí)際觀測值與模擬值的相關(guān)系數(shù)較高,均達(dá)到0.85以上。由圖1(a)可見各典型田塊水層深度模擬值與實(shí)測水層深度值吻合較好,模型參數(shù)設(shè)置合理,模型可靠。
在水量平衡原理的基礎(chǔ)上,利用率定參數(shù)計算驗(yàn)證樣本的田間水位,通過研究可以發(fā)現(xiàn),率定模型模擬的驗(yàn)證樣本的田間水位也能較好的反應(yīng)田間實(shí)際水位情況[如圖1(b)所示]。
采用率定模型推求了高郵灌區(qū)不同典型降水年的“456”和“467”兩種灌溉制度,其灌水次數(shù)、灌水量和灌溉定額如圖2和表1所示。
圖1 基于模型模擬的田間水層與實(shí)測值對比情況Fig.1 Comparison of field water layer and measured value based on model simulation
圖2 不同降水年下兩種灌溉制度的灌水量比Fig.2 Comparison of irrigation volume under two irrigation systems among annual rainfall levels
由圖2可以看出,不同典型降水年型下“456”灌溉制度的灌水次數(shù)和灌水定額分別為11~14次和4 000~5 000 m3/hm2,而“467”灌溉制度的灌水次數(shù)和灌水定額范圍則分別為9~12次和3 300~4 305 m3/hm2。其中,1978年(特枯年)灌水次數(shù)減少了2次,灌溉定額相比較減少14.1%;1999年(枯水年)灌水次數(shù)減少了2次,灌溉定額相比較減少10.7%;1986年(平水年)灌水次數(shù)減少了2次,灌溉定額相比較減少15.7%;1974年(豐水年)灌水次數(shù)減少了2次,灌溉定額相比較減少17.6%。總體上,與傳統(tǒng)“456”灌溉制度相比,不同典型降水年下的“467”灌溉制度均能有效減少灌水次數(shù)及灌溉定額,在節(jié)約灌溉用水的同時,節(jié)省了時間和經(jīng)濟(jì)成本。
表1 不同降水年型下兩種灌溉制度灌水次數(shù)、灌溉定額比較Tab.1 Comparison of irrigation times and quota of two irrigation systems among annual rainfall levels
注:“456”灌溉制度是指灌水周期采取泡田栽插期4 d、分蘗期5 d、曬田以后6 d,“467”灌溉制度是指泡田栽插期4 d、分蘗期6 d、曬田以后7 d。
不同降水年型下兩種灌溉制度的土壤水層和含水率變化如圖3所示??梢钥闯?,與“456”灌溉制度相比,“467”灌溉制度下的土壤水層和含水率均較為相似。其中在土壤水層方面,“456”灌溉制度在1978(特枯年)、1999(枯水年)、1986(平水年)和1974(豐水年)年的平均水層深度分別為2.27、3.49、3.04 和3.77 cm,而“467”灌溉制度的平均水層深度為1.96、3.30、2.91和3.32 cm。而在土壤含水率方面,“456”灌溉制度在各降水年型黃熟期前的土壤相對含水率范圍分別為68.9%~100%、76.9%~100%、92.6%~100%和94.2%~100%;“467”灌溉制度的含水率范圍則分別為67.7~100%、68.1%~100%、85.7%~100%和94.2%~100%。1978(特枯年)采用“456”的灌溉制度,在分蘗期的土壤含水率最低達(dá)到86.7%,高于規(guī)范的灌水下限60%,在拔節(jié)孕穗-乳熟期,田間長期保持有水層,土壤含水率最低為72.7%,均高于各時期的灌水下限;1978年采用“467”的灌溉制度,在分蘗末期的土壤含水率最低達(dá)到85.3%,高于規(guī)范的灌水下限60%,在拔節(jié)孕穗期-黃熟期,田間呈現(xiàn)干濕交替的狀態(tài),土壤含水率最低為67.7%,各生育階段含水率均高于灌水下限。1999(枯水年)采用“456”的灌溉制度,在分蘗期的土壤含水率最低達(dá)到86.8%,高于規(guī)范的灌水下限60%,在拔節(jié)孕穗-乳熟期,田間長期保持有水層,土壤含水率最低為78.9%,均高于各時期的灌水下限;1999年采用“467”的灌溉制度,在分蘗末期的土壤含水率最低達(dá)到82.0%,高于規(guī)范的灌水下限60%,在拔節(jié)孕穗期-黃熟期,田間長期保持有水層,土壤含水率最低為75.4%,均高于各時期的灌水下限。1986(平水年)采用“456”的灌溉制度,在分蘗期田間基本保持有水層,其余時期的土壤含水率最低為92.6%,高于各時間段的灌水下限;1986年采用“467”的灌溉制度,在拔節(jié)孕穗期以前田面均保持有水層,拔節(jié)孕穗期最小土壤含水率為85.7%,抽穗開花期最小土壤含水率為86.5%,乳熟期的最小土壤含水率為91.8%,均高于各階段的灌水下限。1974(豐水年)采用“456”的灌溉制度,在分蘗-抽穗開花期田間長期保持有水層,乳熟期最小土壤含水率為98.1%,高于灌水下限;1974年采用“467”的灌溉制度,在分蘗-抽穗開花期田間長期保持有水層,乳熟期最小土壤含水率為94.3%,高于灌水下限。兩種灌溉制度下的土壤水分差異并不顯著 (p>0.1)。由此可以看出,與“456”灌溉制度相比,“467”灌溉制度較好地保證了灌溉后的土壤水分特征,使土壤水層和含水率范圍均維持在水稻適宜生長的范圍內(nèi)。
不同灌溉制度下的降雨利用率如表2所示,可以看出,不同水平年下“456”灌溉制度的降雨利用率范圍為86.2%~100%,而“467”灌溉制度下的降雨利用率則增加了1.2%~6.5%。這主要是由于在不同年型降雨量均確定的前提下,“467”灌溉制度下的排水量較“456”灌溉制度的值減小了7.2~23.8 mm,因此,其降雨利用率有所增加??梢姡?67”灌溉制度的降雨利用率總體上高于“456”灌溉制度下的值,且其在特枯年的降雨利用率最高,達(dá)到100%,其余降水年型降雨利用率較為接近。
表2 不同降水年型下不同灌溉制度的降雨利用率比較Tab.2 Comparison of rainfall utilization rate of different irrigation systems among annual rainfall levels
注:“456”是指灌水周期采取泡田栽插期4 d、分蘗期5 d、曬田以后6 d,“467”是指泡田栽插期4 d、分蘗期6 d、曬田以后7 d。
基于田間實(shí)測土壤水分與水層數(shù)據(jù),借助水量平衡模型對作物系數(shù)進(jìn)行了率定,并利用率定模型推求了不同典型降水年下“集水期灌”稻田的“456”和“467”灌溉制度。通過對比分析兩種灌溉制度的效果,可以得出:與傳統(tǒng)“456”灌溉制度相比,不同降水年下的“467”灌溉制度均有效減少了灌水次數(shù)和灌溉定額,提高了降雨利用率,在實(shí)現(xiàn)節(jié)水的同時,保證了土壤水層和含水率均維持在作物適宜生長的范圍內(nèi)。
圖3 不同降水年型下不同灌溉制度土壤水分變化規(guī)律Fig.3 Variations of soil moisture of different irrigation regimes among annual rainfall levels
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