聊城市不同土質土壤增退墑預報模型及精度分析

李廣杰，林長清，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 濟南 250000）

1 試驗站概況

丁塊試驗站地處位山引黃灌區,西鄰位山引黃灌區一干渠,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 萬畝。試區以研究水鹽動態變化規律為主,采用烘干法監測土壤含水率,監測土層深度0～0.6 m以上。

王二莊試驗站位于冠縣東北部的甘官屯鄉,東臨位山引黃灌區三干渠,以地下水回灌均衡試驗、土壤墑情變化規律研究為主,采用烘干法和中子儀法監測土壤含水率,監測土層深度達到1 m以上。

2 不同土質土壤增退墑預報模型

聊城市農田耕作層土壤土性、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；以丁塊試驗站分析成果代表沙壤土土質。

2.1 增墑預報模型

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

丁塊試驗站增墑成果,見圖2。

圖2 沙壤土增墑曲線

2.2 退墑預報模型

選擇不同時期無降水和灌溉時段相鄰測次的土壤平均含水率為分析依據,土壤墑情消退的速度用消退系數K表示,計算公式為：

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

各監測點分別計算三個不同層次的垂線平均土壤含水率,以不同土壤層次土壤含水率與相應消退系數K建立退墑曲線。

采用冠縣王二莊站1980年～1987 年8 年土壤含水率觀測資料,分別計算三個不同層次的垂線平均土壤含水率,依據降水相隔天數、時段始末土壤含水率差值,采用式（2）計算各個時段的土壤含水率消退系數。

圖3 沙土、亞沙土消退系數曲線

選取丁塊試驗站賈白試區第七試驗方種植夏秋兩熟作物的地塊,1976 年～1981 年6 年土壤含水率觀測資料,分別計算三個不同層次的垂線平均土壤含水率,依據降水相隔天數、時段始末土壤含水率差值,采用式（2）計算各個時段的土壤含水率消退系數。

圖4 沙壤土消退系數曲線

3 增退墑預報模型精度檢驗

3.1 資料選取

為分析增退墑預報模型應用于聊城市農業生產可行性,搜集整理了聊城市2012年～2019年全市28處墑情監測站資料,23處常年雨量站降雨量觀測資料,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田分為沙土亞沙土地區、沙壤土地區兩種類型,沙土亞沙土地區選取莘縣、觀城等站為代表站,沙壤土地區選取劉橋、茌平等站為代表站,將墑情監測資料采用不同的增墑、退墑預報模型進行分析研究,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

3.2.1 增墑數據選取

查閱2012年～2019年8年墑情監測資料與降雨量資料,僅2017年9月21日～10月1日一個時段,前期無灌溉且次降水量較大,符合降水增墑分析條件,墑情監測資料與相應降雨量監測資料可供降雨增墑分析采用。

在沙壤土地區、沙土亞沙土地區分別統計各站時段初、時段末垂線平均含水率,時段各站累計降雨量,計算10月1日各站垂線平均含水率較降水前增加值,同時根據雨前土壤平均含水率,分別查驗聊城市降雨量、起始含水率與雨后增墑相關圖,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測值。

3.2.2 增墑方案墑情預測精度分析評價

對比各監測站土壤含水率實測值與預測值,結果表明,分析時段各站土壤含水率預測絕對誤差全部在4%以內,預測值相對誤差全部在18%以內,相對誤差在5%以內的站5處,占41.6%。

表1 各監測站土壤含水率實測值與預測值結果

3.3 退墑模型精度檢驗

3.3.1 退墑數據選取

根據各監測站降雨量觀測資料,選取墑情觀測時段內沒有發生降雨而且沒有灌溉的地塊的墑情監測資料。按照上述要求在2012年～2019年實測墑情資料中共選取6個監測時段。

3.3.2 增墑方案墑情預測精度分析評價

表2 區域代表站實測、預測土壤含水率比較對照表

對預測結果按照分區進行分析,代表站平均誤差沙土亞沙土地區較大,有兩個段次平均含水率預測差值2.2%～2.4%,相對誤差在10%以上；沙壤土地區誤差較小,有兩個段次平均含水率預測差值1.4%～1.5%,其他段次平均含水率預測差值1%以內。

4 預報精度分析及結論

4.1 預報精度分析

采用聊城市分區代表站墑情預報方案對聊城市農田墑情進行預測,將預測成果與實測墑情進行分析對比,結果表明：增墑方案預測絕對誤差全部在4%以內,相對誤差全部在18%以內；退墑方案預測絕對誤差在4%以內的94.8%,相對誤差在20%以內的96.1%。

依據《水文情報預報規范》,土壤含水率按實測值的20%作為許可誤差進行評價,退墑預測成果全部合格,增墑預測成果合格率達到96.1%。

4.2 結論

依據《水文情報預報規范》評價,增墑方案和退墑方案預測精度均達到甲級方案標準,該方案可以應用于聊城市農田墑情作業預報,預報成果可作為制定灌區農田灌溉方案參考。