干旱區(qū)水資源利用效率模擬

張瑞琦

摘要：鑒于我國西北地區(qū)嚴重缺水，農(nóng)作物的產(chǎn)量與灌溉成了一個大問題，本文針對張掖地區(qū)水資源不足且灌溉不科學(xué)的問題做出了研究計劃。本文作者利用了Hydurs-1D軟件對2014年產(chǎn)出的敦玉46品種玉米的生長期間水資源吸收率和蒸騰率做出了數(shù)字模型，同時對不同深度的土壤水分運動和玉米生長過程中消耗水分的過程進行了模擬，結(jié)果表明，建立的模型不但可以很好地模擬土壤水分變化過程和玉米生長期間對水分的吸收和消耗規(guī)律，且與實驗數(shù)據(jù)吻合度高，證明了該模型的準確性。

通過數(shù)據(jù)和模型可以知道現(xiàn)在的灌溉量中有64.5%從 0-1.5m的土壤中滲漏損失。將每次灌溉量減少至現(xiàn)在的一半，其他條件保持不變。玉米生長消耗的水量（蒸發(fā)+ 蒸騰量）與原來幾乎沒有差別，說明0.5倍灌溉量的情況下仍然能夠滿足玉米對水分的需求。滲漏量減少至灌溉量的25.4%，說明灌溉水的利用效率和被吸收率大大提高。因此，減少全年內(nèi)的每次灌溉量為原灌溉量的一半，既可以滿足玉米對水分的需求，保證不減產(chǎn)、產(chǎn)量不下降的情況下，還能節(jié)約大量灌溉水資源，令緊繃的生態(tài)環(huán)境得到緩解。通過本次實驗數(shù)據(jù)，可以在當?shù)刂贫ê线m的灌溉計劃，節(jié)省水資源的同時提高水利用率，提高作物存活量，為穩(wěn)定張掖地區(qū)的生態(tài)平衡和生態(tài)環(huán)境做出微薄的努力。

關(guān)鍵詞：干旱地區(qū);節(jié)水;Hydurs-1D

1引言

在我國人均含水量稀少的現(xiàn)代，每一滴水都應(yīng)該被珍惜的利用，尤其是在一些水資源稀缺的地區(qū)（例如西北地區(qū)）。

在我國甘肅省張掖市擁有大型玉米試驗田，為典型的綠洲農(nóng)業(yè)。水分在其中起到了調(diào)整和生態(tài)循環(huán)，聯(lián)系了生物與自然。在大片荒漠化的土地之中，綠洲農(nóng)業(yè)在而張掖地區(qū)的灌溉農(nóng)業(yè)中的水資源來自黑河中段，保護上游生態(tài)情況和根據(jù)不同時期和地區(qū)的情況制定相應(yīng)的灌溉計劃也是節(jié)約水資源的好方法。黑河途徑的灌溉區(qū)主要為內(nèi)流河綠洲農(nóng)業(yè)，需要大量實驗數(shù)據(jù)才能制定出合理的灌溉計劃。憑借本次實驗對玉米真實吸水情況進行檢測和模擬得出的結(jié)論數(shù)據(jù)，可制定合理的灌溉計劃。在黑河流域地區(qū)，來自祁連山的降水和冰雪融水是全流域唯一的水源。黑河中游地區(qū)作為全國主要的玉米生產(chǎn)基地之一，消耗了黑河水86%的水資源，其中96%的水是用于灌溉，灌溉水幾乎全部依賴抽取地下水獲得。近幾十年來中游地區(qū)人口和農(nóng)田面積的增加導(dǎo)致了水量稀少，使下游生態(tài)退化。因此抽取地下水灌溉中游作物正顯現(xiàn)出日益增加的重要性。盡管如此由于中游地區(qū)的農(nóng)民普遍采用漫灌的浪費灌溉方式，大量灌溉水消耗于蒸發(fā)和深層滲漏。在中游地區(qū)推廣節(jié)水灌溉措施可以有效減少灌溉水損失。能夠有效減少灌溉水浪費的方法之一是減少土壤水分深層滲漏。合理利用水資源，將土壤水分深層讓滲漏量減少至最小，對于灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展意義重大。準確估計作物生育期內(nèi)的蒸散量、土壤儲水量變化和土壤水分深層滲漏量可以為制定科學(xué)合理的灌溉制度提供參考和借鑒，有利于提高灌溉水利用效率。

2文獻綜述

馬莉等（2013）研究了不通過情況的春小麥的生長情況，對小麥用水量和產(chǎn)量進行了分析。并認為420mm是該地區(qū)小麥最佳灌溉量。穗長隨灌水量的增加而增長。灌溉定額直接影響了春小麥的籽粒產(chǎn)量，過度干旱和過多灌水都對春小麥的生長有一定的抑制作用，延緩了春小麥地上部分重量的累積速率。趙麗雯等（2014）通過水量平衡模型估算了作物生長的實際蒸發(fā)量，認為在目前灌溉措施下，降雨和灌溉的水量主要蒸發(fā)（60%～80%），深層滲漏（20%～30%），僅有少量水分儲存在土壤區(qū)域（<10%）.這不僅造成了水資源的極大浪費，而且滲漏會帶走土壤養(yǎng)分。趙麗雯等（2015）利用了臨澤地區(qū)玉米和對應(yīng)土壤的情況，應(yīng)用雙元模型估算了玉米實際蒸散量。認為全生育期玉米共耗水640mm，其中作物蒸騰累積量為467mm，土壤蒸發(fā)累積量為173mm，分別占總量的72.9%和27.1%。李東生等（2015）運用HYdrus-1D模擬分析了臨澤縣制種玉米生育期的蒸發(fā)量、蒸騰量和0-1土層的滲漏量分別為：100.3、316.4，和339.5mm，認為當前灌溉制度下農(nóng)田水分利用率較低，在初生階段減少土壤蒸發(fā)和中后期階段增加灌溉頻率、減少灌溉定額是提高干旱區(qū)灌溉水分利用效率的有效手段。本研究在2014年臨澤灌溉農(nóng)田田間原位觀測數(shù)據(jù)上利用Hydrus-1D模型對數(shù)據(jù)進行了模擬，結(jié)合數(shù)據(jù)與模型分析了玉米的吸水規(guī)律和灌溉水的利用情況，為節(jié)約水資源做出貢獻。

3研究過程

3.1? 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于張掖市臨澤縣中科院綠洲灌溉農(nóng)業(yè)試驗田試驗場內(nèi)。（100°08'E，39°19'N，海拔1 381m）溫帶大陸性氣候，年均降水110mm左右，降水少。年均氣溫7.6℃，最高氣溫在7 月（39.1℃），最低氣溫在1 月（-27.3℃），土壤主要為砂質(zhì)壤土。地勢平坦，種植玉米且長勢一致。

3.2? 實驗設(shè)計

3.2.1????? 實驗時間設(shè)置

2014年 4月 13日年播種，2014年 9月 28日收獲。

3.2.2????? 實驗數(shù)據(jù)來源

利用實驗站內(nèi)氣象站自動監(jiān)測設(shè)備測量降水、氣溫等氣象數(shù)據(jù)。播種后使用測量從土壤表面至地下1.5m處深土壤含水率（每隔10cm一測），每隔3-5天測量一次，如有灌溉則前后都要加測。

3.2.3????? 實驗數(shù)據(jù)搜集

搜集數(shù)據(jù)時準確保證農(nóng)田內(nèi)的管理措施合理，利用監(jiān)測的實驗數(shù)據(jù)根據(jù)彭曼公式計算每天土壤蒸發(fā)和作物蒸騰，使用地下水位井測量地下測定間距，每日一測。

3.3? 模型介紹

本文研究使用“Hydrus-1D軟件”模擬降水和灌溉水在土壤中的運動和玉米根系吸水。

3.3.1????? 水分在土壤中運動的過程可以用公式（1）表示：

公式說明：

θ：土壤含水率（cm3/cm3）

K：水分傳導(dǎo)率（cm/天）

h：土壤吸力（cm）

3.3.2????? 根系吸水量的計算

可以用公式（2）計算：

公式說明：

Sp：表示根系最大吸水能力

α：是水分制約因子

h：玉米根系吸收量的時間

計算根系吸水時還考慮了玉米根系隨時間的生長變化。

3.3.3????? 水分運動過程中土壤的水力參數(shù)

由van Genuchten模型得到公式（3）：

公式說明：

θ：飽和含水率（cm3/cm3），

θr：滯留含水率（cm3/cm3），

Ks：飽和導(dǎo)水率模型的上邊界，選擇自由大氣邊界;下邊界選擇可以考慮地下水位，變化的變水頭邊界條件。

綜上所述，我們確定：初始條件為第一次灌溉前測定的各層土壤含水量值。

4???? 結(jié)果與討論

4.1? 實驗?zāi)甓冉涤炅浚?/p>

如圖1 所示，2014年全年共降雨41天，總降水量共102.8mm，玉米生育期內(nèi)共降水33次，共降雨93.2mm，最大一次降水發(fā)生在7 月22日（18.8m？），降水集中于7-8月，共降水55.4mm。

4.2? 實驗?zāi)甓葰鉁氐挠绊懀?/p>

如圖2 所示2014年平均氣溫8.72℃，氣溫在7 月27日達到頂峰（38.3℃）以后開始回落。玉米生育期內(nèi)平均氣溫27.9℃。全年氣溫先上升，達到頂峰后開始降低。

4.3? 實驗?zāi)甓日舭l(fā)/蒸騰的影響：

如圖3 所示，2014年全年蒸發(fā)量為81.27mm，玉米生育期內(nèi)平均蒸發(fā)0.36mm.降水越多，蒸發(fā)量越多，4-9月因地表不裸露，蒸發(fā)量降低，收成后蒸發(fā)量上升。

4.4? 實驗?zāi)甓裙喔葦?shù)據(jù)：

如圖4 灌溉總量示意圖，首次灌溉在4 月10日，每次灌溉量為121.2mm，共灌溉11次，總灌溉量1333.2mm。將0-1.5m的土層按照30cm的深度 間隔 統(tǒng)計 0cm-30cm、30cm-60cm、60cm-90cm、90cm-120cm、120cm-150cm共五層土壤實測的平均含水率。

Hydrus-1D軟件是一款建立水分子運動模型和模擬分子運動并得出各層含水率圖形的軟件。

實測含水率和模擬含水率隨時間變化過程，可以看出各層土壤的模擬含水率與實測含水率相差無幾，Hydrus-1D模型還可以準確地模擬玉米生育期內(nèi)降雨和灌溉水在土壤中的運動過程。

從地表到地下，土壤的含水率越來越高，越靠近地表，蒸發(fā)對含水率影響越大，所以0-30cm含水率最低。玉米的根系主要存在于80cm以上的土層，所以90cm以上的土壤含水率較低，證明了玉米根系的吸水性。90cm以下，根系吸收水分效率下降，土壤含水率逐漸上升。受土壤蒸發(fā)和玉米根系吸水影響，90cm以上土層含水率隨時間的波動比較大，90cm以下土層含水率隨時間變化的波動較輕微。

4.4實驗?zāi)甓葷B透量數(shù)據(jù)：

如圖5 所示，運用Hydrus-1D軟件，設(shè)計模型模擬得出的玉米生長期間每天的土壤蒸發(fā)量、玉米蒸騰量、土壤水存儲量，計算得到每天從0-1.5m土層滲漏到下面土壤或者地下水的水量，模型模擬得出的蒸騰總量44.8cm，蒸發(fā)總量7.3cm，蒸發(fā)與蒸騰總量為52.0cm。測量值蒸騰總量為50.2cm，總蒸發(fā)量為8.1cm，蒸騰與蒸發(fā)量為58.3cm，模擬較吻合。現(xiàn)在的灌溉量情況下，玉米生長期間總的滲漏量達到86cm，滲透量與灌溉量比值為64.6%。

以上通過數(shù)據(jù)比對之后，我們可以發(fā)現(xiàn)：灌溉水中有64.6%的水沒有被玉米吸收到。

4.5? 實驗?zāi)甓葷B透量數(shù)據(jù)：

經(jīng)過4.1至 4.4步驟的研究過程，我們初步可以假定：保持氣溫、降水、等氣象數(shù)據(jù)、玉米品種、作物管理條件保持不變，灌溉次數(shù)保持不變，每次灌溉量下降至原有一半，總灌溉量為66cm。

4.6? 新建模型，比較蒸騰量、蒸發(fā)量、含水率值關(guān)系

重新建立模型，模擬計算出新的蒸騰量、蒸發(fā)量、含水率值。

模型參數(shù)設(shè)定為：0.5倍現(xiàn)灌溉量條件下，蒸發(fā)總量7.3cm，蒸騰總量46.9cm，總蒸發(fā)量為54.2cm。

0.5倍灌溉量下，蒸發(fā)與蒸騰變化較小說明灌溉量下降對玉米生長幾乎沒有影響，也能滿足玉米生長的水分需求。

4.6.1????? 蒸騰量、蒸發(fā)量、含水率值關(guān)系

如圖6 所示，使用新建模型可得出，在只需之前0.5倍的灌溉量的條

件下，滲漏到地下水中的灌溉水量只有16.8cm，滲漏量與灌溉量的比值為25.4%，證明灌溉水中有25.4%沒有被玉米利用。

5???? 結(jié)論

5.1? Hydrus-1D模型

建立的Hydrus-1D模型可以很好地模擬研究區(qū)玉米生長時間內(nèi)不同深度土壤中水分的吸收過程和玉米根系對水分的吸收利用。

5.2? 灌溉水調(diào)整

玉米生長過程內(nèi)共灌溉11次，每次灌溉12.12cm，總灌溉量為133.3cm，滲透量為86.1cm，有64.6%的水分沒有被玉米利用到。將每次灌溉量減少到6cm，玉米蒸騰與蒸發(fā)量與原灌溉量的蒸發(fā)蒸騰量相差不大，說明了0.5倍灌溉量也能滿足玉米生長過程的需水量，此時滲漏量為16.8cm，只有25.4%的水分沒被根系吸收。說明可以將該灌溉區(qū)的灌溉量下調(diào)6cm，既能保證玉米需水量，提高灌溉水的利用率、節(jié)約水資源。

6???? 創(chuàng)新點與展望

6.1? 創(chuàng)新

本文作者通過對數(shù)篇張掖地區(qū)種植土壤的論文的研究，綜述總結(jié)水

分子在土壤中運動的過程，提煉總結(jié)水分子的活動率和土壤的不同區(qū)間的含水率，最終得到詳細的數(shù)據(jù)證明干旱地區(qū)水資源利用的依據(jù)。

6.2? 展望

本文作者希望能將提煉總結(jié)的實驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用到我國廣袤的干旱地區(qū)的種植業(yè)上，為水資源的充分利用和環(huán)境保護業(yè)上做出貢獻，為保護自然生態(tài)的平衡盡一份自己的綿薄之力。更希望，在今后高中乃至大學(xué)學(xué)習(xí)中，一直關(guān)注該領(lǐng)域的科研成果，未來從事環(huán)境和科學(xué)研究工作，

參考文獻：

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