基于SHAW模型的干旱區農田水量平衡模擬研究

陳軍武

(甘肅省水利水電學校，甘肅 蘭州 730021)

水資源緊缺是一個全球性的問題。在中國內陸河流域水土資源的開發利用主要集中在山前綠洲帶，是在生態環境脆弱條件下進行的人類經濟和社會活動。由于可利用水資源相對較少，水資源與區域經濟和環境的發展關系更為密切，加之水資源的時空分布極其不平衡，造成了水資源浪費和不合理開發利用，直接影響到區域社會經濟的可持續發展[1]。

農業節水在干旱區水資源管理和生態環境維護上有著重要的、特殊的意義。降低農業生產的耗水量，提高農田水分利用的效率，是制定農業節水措施的出發點，而這一切依賴于對農田水量平衡過程的了解[2]。農田的水量平衡主要與農田土壤物理特性、作物發育狀況、天氣狀況和灌溉等人類活動的影響。掌握和利用農田水量平衡和水分轉換的特點將進一步改進農業水資源的調度與利用方式，為區域水資源的綜合利用和生態環境的維持與改善提供可靠的科學依據。

SHAW(Simultaneous Heat And Water)模型是土壤-植被-大氣傳輸(soil vegetation atmosphere transfer，SVAT)系統通量模型中具有代表性的模型之一[3]。SHAW模型可以模擬包括作物覆蓋層、凋落物和積雪、土壤等在內的一維(垂直)剖面上的水量、熱量等通量的傳輸與交換，用來評價農田管理和氣候變化對農田水文過程的影響。SHAW模型對模擬系統各層之間的物質和能量傳輸的物理過程有清晰的數學描述，對作物冠層中蒸騰作用和水汽傳輸有成熟的機理描述。模型輸入氣象數據要素較容易從常規氣象站獲得，而輸入的土壤及植被特征參數較容易確定，模型能夠輸出系統剖面各層的物質、能量和水量平衡要素，模型適應性強，已被用來模擬農田小氣候要素[3- 5]、農田土壤水分動態[6]、土壤水熱特征[7- 8]、農田水分傳輸[9]和節水灌溉制度[10]等。

本研究選擇在內陸河流域中具有代表性的黑河流域張掖綠洲區。黑河流域一直是我國重要的商品糧基地，目前制種業得以長足發展。本研究以張掖綠洲區農田為研究對象，利用試驗站的觀測數據，通過SHAW模型模擬的方法探討農田生態系統水量平衡的主要機理和特征，為當地制定適宜的農田灌溉制度提供科學依據，也為進一步從機理上探尋氣候變化對干旱區農田生態系統的影響奠定基礎。

1 研究區和觀測設施概況

觀測試驗地位于甘肅省張掖市甘州區黨寨鄉，地理坐標為38O50′N，100O26′E。試驗區海拔1570m，多年平均氣溫7.3℃，多年年平均降水量127mm，多年平均風速2.2m·s-1，年日照時數3085h，年太陽輻射總量達6208MJ·m-2，地下水水位埋深約為30m。2004年全年降水量為83mm，其中作物生長期降水量為71mm。

試驗區土壤屬輕壤土，0～200cm平均土壤容重為1380kg·m-3，田間持水率34%，土壤有機質1.59%～1.68%，pH為8.7～8.8。試驗地塊南北寬24m，東西長27m，與觀測場相鄰的仍是大片作物種植區，2004年為小麥和玉米間作。作物主要通過灌溉獲取水分，灌溉用水主要為黑河河水渠道灌溉，部分時段以井水灌溉做補充。

在試驗地中心6m×7m小區內布設了自動氣象站一座。主要觀測項目有氣溫(HMP45D，Vaisala，芬蘭)、相對濕度(HMP45A，Vaisala，芬蘭)、風速(014A，MetOne，美國)、輻射(CNR- 1，Kipp and Zonen，荷蘭)等[1]。氣象數據記錄和采集用CR10數據采集器，獲取的氣象數據用來驅動SHAW模型。自動氣象站兩側4m左右各布有一套TDR系統，用以觀測和記錄10cm、20cm、30cm、50cm、80cm、100cm、120cm、150cm、180cm和210cm深度的土壤水分，數采儀使用CR23X。土壤水分數據用來驗證SHAW模型的模擬效果。

2 研究方法與數據獲取

SHAW模型的理論基礎可參考文獻[4]，文獻[3]也有較詳細的說明。模擬系統中能量和水分輸入采用上邊界以上的天氣形式和下邊界以下的土壤狀況來定義系統中的水熱通量，步長為日或小時[4]。模型可選擇性地輸出水分平衡等項目。

模型的主要輸入項包括以下幾個部分：

(1)試驗點特征屬性數據。包括試驗地的坡度、坡向、緯度、海拔高度等。本研究中由區域DEM提取得到。

(2)驅動變量。主要是一些氣象要素，如氣溫(包括日最高氣溫、日最低氣溫和露點溫度)、相對濕度、輻射(日均太陽輻射)、風速、降水(包括灌溉)等。本研究中以觀測數據為主。

(3)初始狀態。主要是初始的土壤溫度和土壤含水量剖面。由于模擬期內無積雪存在，因此積雪初始厚度設為0cm。本研究中以觀測數據為主。

(4)作物屬性參數。主要有作物種類、高度、葉面積指數、葉片尺度特征值、臨界氣孔阻力、作物根深、葉子傾向和傾角、作物反射率、作物殘茬層的特征值等，主要特征值由觀測得到。

(5)土壤參數。包括土壤容重、飽和水力傳導系數、土壤粒徑組成、進氣值、有機質含量等。本研究通過觀測得到主要的土壤參數。

由于觀測資料從2004年5月起比較完整，因此本文利用SHAW模型對間作農田在2004年主要生長期的5月1日(DOY122，DOY為儒略日，指該日在一年中按順序排列的天數)至9月20日(DOY264)的土壤含水量、蒸散量和水分平衡等的日變化進行模擬。

模擬效果用模型效率(Model Efficiency， ME)、平均偏差(Mean Bias Error， MBE)和標準差(Root Mean Square Error，RMSE)來描述，計算形式如下：

(1)

(2)

(3)

3 結果與討論

3.1 土壤含水量的模擬

利用模型對10～120cm土壤層含水量進行了模擬，并與同期實測土壤含水量數據進行了比較見圖1。

從圖1和表1可看出，整體上來說，模型模擬出了土壤含水量的變化趨勢，但高估了土壤層的含水量：20cm層和30cm層分別高估了4%和3%，50cm及以下層高估在1%左右。在10～30cm土壤層含水量的模擬效果較差，隨著土壤剖面深度的增大模擬效果相對較好。

表1 不同土壤層土壤含水量模擬效果

淺層(0～30cm)土壤含水量模擬不好的主要原因：

(1)淺層土壤含水量的影響因素更復雜，使模擬更加困難，誤差增大。

(2)TDR在淺層測含水率時可能產生更大的誤差。

(3)灌溉引起的土壤含水量的突變(在表層非常明顯)也使得誤差增大。

圖1 實測與模擬的土壤含水量比較

3.2 蒸散的模擬

利用水文平衡法得到的日蒸散值與SHAW模型的模擬值進行對比，蒸散的模擬值和實測值吻合較好見圖2，其ME為0.82，MBE為0.02mm，RMSE為1.04mm。蒸散被稍高估計，但差值很小。用水文平衡法計算和用SHAW模型模擬的累積蒸散量(DOY122-DOY264)分別為728.9mm和733.1mm，基本沒有差別，其過程曲線也基本重合見圖3。

圖2 實測和模擬日蒸散的比較

圖3 實測和模擬累積蒸散的比較

SHAW模型還可對蒸散量中蒸騰和蒸發進行分割。圖4是利用模擬的土壤蒸發(蒸散與蒸騰的差值)和用微型蒸滲儀測得的土壤蒸發進行的對比。從圖中可看出，實測的蒸發一般要比模擬的大，這主要可能與微型蒸滲儀不銹鋼材質有關。鋼有熱傳導性，把能量由上向下傳導，引起蒸發的增加[11]。

圖4 模擬期內實測與模擬土壤蒸發比較

考慮到這點，模擬的土壤蒸發應該是可信的。

在模擬期(DOY122-DOY264)，SHAW模型得到的蒸騰總量為588.6mm，占同期蒸散的80.3%。在不同月份，蒸騰占蒸散的比例有一定差異見表2。5月份，間作農田中小麥剛進入生長中期，玉米處于苗期階段，葉面積指數(LAI)小，地面覆蓋相對較小，因此蒸騰在蒸散中的比例也小。6月是兩種作物最主要的生長時期，LAI在這一時期增加迅速并達到最大，作物蒸騰作用強烈，地面植被覆蓋度高，因此蒸騰在蒸散中的比例在這一時期最大的88%。7月，由于小麥的成熟及收割，農田作物在中下旬為單一的玉米，LAI減小，盡管玉米在這個月生長迅速，溫度和輻射的增大使農田蒸散在7月達到最大，但蒸騰在蒸散構成中的作用下降。進入8月，玉米營養體的增長基本停止，蒸騰作用強度下降，雄株的鏟除及葉片的脫落使LAI減小，地面裸露增大使土壤蒸發有所增加，因此蒸騰在蒸散中的比例進一步降低。

表2 不同月份蒸騰和蒸散的比較

3.3 水分平衡的模擬

結合觀測的降水、灌溉量和SHAW模型對蒸發、蒸騰和滲漏的模擬，模擬期間農田的水分平衡結果見圖5。

圖5 模擬期內模擬水量平衡各分量的變化

模擬期間，灌溉共進行了7次，灌溉量合計為815mm；有記錄的降水日數為21天，降水量為62.6mm，合計水分收入877.6mm。

在水分消耗的分配上，有37.6mm被作物冠層截留，這部分水量小，在干旱環境下很快又被蒸發，因此不做討論。根據模擬結果，733.1mm用作蒸散，161.0mm滲漏出土壤剖面?？傮w上講，在收入水分的利用上，80%用于蒸散，約20%滲漏進入土壤深層。

由于對水分滲漏沒有進行專門的觀測，現利用模擬結果做一簡單說明見圖6。2004年農田第一次灌溉在DOY123，灌溉量為120mm。由于3—4月降水少，2003年10月進行的冬灌補給的土壤水分在經過6個月的消耗后，土壤處于比較干燥的狀態，2004年第一次灌溉未能對土壤剖面以下的深層土壤(即深度大于210cm的土壤)進行補充。第二次灌溉在DOY142，灌溉量為110mm，這次灌溉對深層土壤水分有所補充。第三次灌溉于DOY148發生，雖然灌溉量為70mm，但由于前期土壤水分含量高，灌溉引起了強烈滲漏，這次灌溉到第四次期間滲漏量達到約60mm，占到模擬期滲漏量的50%。換句話說，第三次灌溉水量基本用于滲漏，基本是一次無效灌溉。后四次灌溉均形成一定的滲漏，但滲漏量相對較小。從圖5中還可直觀地看出，土壤滲漏量與灌溉強度并不是直接相關。

圖6 灌溉與土壤滲漏

4 結論

利用SHAW模型對干旱區綠洲農田在2004年主要生長期(5月1日(DOY122)至9月20日(DOY264))的土壤含水量、蒸散量和水分平衡等的日變化進行模擬。結果表明：

(1)土壤含水量的模擬中，淺層(10～30cm)模擬效果較差，隨著土壤剖面深度的增大模擬效果相對較好。模型模擬出了土壤含水量的變化趨勢，但普遍高估了土壤層的含水量。

(2)模型對蒸散、蒸發的模擬效果好，接近實測值。SHAW模型模擬的蒸散量為733.1mm，其中蒸騰量為588.6mm，占同期蒸散的80.3%。

(3)模擬期間，灌溉量為815mm，降水量為62.6mm，合計水分收入894.1mm；模擬結果顯示，733.1mm用作蒸散，161.0mm滲漏出土壤剖面。在收入水分的利用上，80%用于農田蒸散，約20%滲漏進入土壤深層。土壤滲漏與灌溉強度無直接對應關系，與灌溉前期土壤含水量相關。

(4)模擬總體結果好，說明在輸入資料較充足的前提下，SHAW模型可用于對農田水量平衡過程的研究和應用。