基于Hydrus-1D模型的淮北平原冬小麥地潛水蒸發規律

摘要：選取淮北平原五道溝水文水資源實驗站作為研究區，評價Hydrus-1D模型在淮北平原冬小麥地潛水蒸發過程模擬的適用性，并探討不同降水條件下冬小麥各生育期潛水蒸發規律。結果表明，基于Hydrus-1D模型模擬的潛水蒸發過程與基于水量平衡和Bouchet互補關系理論的潛水蒸發變化過程基本一致，相關系數為0.82、絕對誤差為0.04 mm/d、相對誤差為12.4%；冬小麥生育期潛水蒸發量受降水條件影響，當降水量偏多時，潛水蒸發總量較大；從冬小麥各生育期的潛水蒸發量來看，灌漿期-成熟期gt;抽穗期-灌漿期gt;拔節期-抽穗期gt;返青期-拔節期。研究結果可為制定淮北平原合理灌溉制度提供理論依據。

關鍵詞：Hydrus-1D模型；冬小麥；土壤含水量；潛水蒸發量；淮北平原

中圖分類號：S161.4；TV11" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2023）06-0018-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2023.06.004 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Study on phreatic evaporation of winter wheat field in Huaibei Plain based on Hydrus-1D model

XU Min1，WANG Jie1，ZHU Yong-hua2，LYU Hai-shen2，LI Yuan2

（1. Nanjing Water Resources Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Nanjing" 210004， China；2. College of Hydrology and Water Resources， Hohai University， Nanjing" 210098，China）

Abstract： This study selected Wudaogou hydrological and water resources experimental station in Huaibei plain as a study area. The applicability of Hydrus-1D model in simulating the phreatic evaporation process of Winter Wheat in Huaibei plain was studied， and the law of phreatic evaporation during the growth period of winter wheat under different precipitation conditions was also discussed. The results suggested that the phreatic evaporation process simulated based on Hydrus-1D model was in high consistent with the phreatic evaporation process based on water balance and Bouchet complementary relationship theory. The correlation coefficient was 0.82， the absolute error was 0.04 mm/d， and the relative error was 12.4%. The total amount of phreatic evaporation during the growth period of winter wheat was affected by the precipitation amount， while higher phreatic evaporation was observed when the precipitation amount was higher. According to the phreatic evaporation of winter wheat at each growth stage， filling stage-maturity stage gt; heading stage-filling stage gt; jointing stage-heading stage gt; returning to green stage-jointing stage. The results could provide a theoretical basis for formulatina reasonable irrigation schedule in Huaibei plain.

Key words： Hydrus-1D model；winter wheat；soil moisture；phreatic evaporation；Huaibei Plain

潛水蒸發是指淺層地下水向包氣帶傳輸水分，并通過土壤蒸發和植物蒸騰進入大氣的過程［1］。科學掌握潛水蒸發估算方法及其規律，對制定合理的農作物灌溉制度以及地下水資源合理開發利用具有重要意義［2］。

潛水蒸發估算研究集中于裸地情況，大致可以分為經驗公式、半經驗-半機理公式、機理公式等3類。其中，經驗公式主要包括葉水庭公式、阿維里揚諾夫公式、反Logistic公式等［3］。與經驗公式相比，半經驗-半機理公式具有一定的物理基礎，但形式較復雜，主要包括清華公式等［4］。機理公式具有明確的物理意義，然而，在實際計算過程中，往往難以獲取土水勢梯度和導水率等關鍵參數，不便于應用。

與裸土潛水蒸發研究相比，植被生長情況下的潛水蒸發規律更復雜。作物生長條件下的潛水蒸發與作物耗水過程密切相關。關于植被生長條件下的潛水蒸發估算研究較少。毛曉敏等［5］根據裸地潛水蒸發量估算作物生長條件下潛水蒸發量。王小贊等［6］將作物增量用于計算逐日潛水蒸發量，提出有作物條件下的潛水蒸發量計算方法。

數值模擬將潛水蒸發作為地下水—土壤—植物—大氣連續體 （GSPAC）水分運動的一個環節，能夠完整模擬蒸散發與降水量（灌溉）、土壤水運移及地下水位變化等過程，是開展植被生長條件下潛水蒸發估算的重要手段［1］。然而，數值模擬對輸入條件等要求較高，目前基于數值模擬的潛水蒸發估算研究仍較少。同時，不同地區的土壤質地、作物條件、灌溉制度等均存在較大差異，有必要針對不同地區分別開展潛水蒸發數值模擬及估算研究，掌握不同地區的潛水蒸發規律。

淮北平原是中國冬小麥主要種植基地之一，了解淮北平原冬小麥地潛水蒸發的規律，能夠為冬小麥生育期灌溉制度的制定提供科學依據。本研究選取淮北平原五道溝水文實驗站作為典型研究區，采用Hydrus-1D數值模型模擬冬小麥典型生育期潛水蒸發過程，分析典型生育期潛水蒸發規律，為淮北平原冬小麥生育期灌溉制度的制定提供科學合理依據。

1 研究區概況與方法

1.1 研究區概況

淮北平原位于中國安徽省北部、淮河干流以北（東經114°55′—118°10′、北緯32°25′—34°35′），是中國冬小麥的主要糧食產區（圖1）。五道溝水文水資源實驗站是淮北平原的大型綜合實驗站，實驗站內的代表土壤為砂姜黑土和黃潮土，其中砂礓黑土面積的占比為54%。

1.2 觀測數據

本研究土壤數據來自五道溝水文水資源實驗站。逐日降水量、氣溫等氣象數據來自中國氣象科學數據共享服務網，共包含蚌埠市、阜陽市、碭山縣、宿縣和亳州市的5個氣象站氣象數據，根據5個氣象站逐日氣象資料，采用泰森多邊形法［7］計算淮北平原面降水量和面平均氣溫。冬小麥的生育期為每年的10月至次年6月初，因此，本研究選擇2004年10月1日至2005年5月31日作為研究時間段。土壤含水量測量取樣的土柱深度為100 cm，分為8層：0～10、10～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～80、80～100 cm，在每層中心附近重復抽取3個樣本進行稱重，然后烘干后再次稱重，測量土壤含水量。

1.3 生育期劃分

采用P-Ⅲ型頻率曲線對淮北平原1951—2013年冬小麥生育期降水量數據進行頻率分析，經試線法得到相關參數：[CV]=0.26，[CS/CV]=1.60（圖2）。

選取降水量保證率[Pm]=25%、[Pm]=50%和[Pm]=75%的降水量分別作為降水量偏多、降水量正常、降水量偏少閾值。根據淮北平原冬小麥生育期降水量數據，選取1997年生育期（降水量為604.6 mm）為降水量偏多時期，1999年生育期（降水量為294.9 mm）為降水量正常時期，1998年生育期（降水量227.9 mm）為降水量偏少時期。

淮北平原冬小麥在每年10月播種，經過約140 d返青。本研究從冬小麥返青日（2月17日）起，將返青后生育期分為返青期-拔節期（2月17日至3月20日）、拔節期-抽穗期（3月21日至4月20日）、抽穗期-灌漿期（4月21日至5月15日）以及灌漿期-成熟期（5月16—31日）。

1.4 Hydrus-1D模型建立

2 結果與分析

2.1 土壤含水量模擬結果分析

運用Hydrus-1D模型模擬2004年冬小麥生育期近地表層（5 cm）、中層（45 cm）和下層（90 cm）土壤含水率，并與五道溝實驗站實測值比較，結果見圖3。近地表層、中層和下層的土壤含水率模擬值與實測值變化趨勢較一致，尤其是中層和下層的擬合效果較好。

2.2 潛水蒸發模擬結果合理性分析

圖4比較了Hydrus-1D模型模擬的潛水蒸發過程與基于水量平衡的潛水蒸發過程差異。Hydrus-1D模型模擬的潛水蒸發量與水量平衡方程計算值（正值為潛水蒸發量，負值為土壤水下滲量）整體上擬合較好，變化較一致。由誤差分析（表2）可知，Hydrus-1D模型模擬結果與水量平衡方程計算值相關性較好，相關系數為0.82，并且絕對誤差和相對誤差都較小。因此，參數率定后的Hydrus-1D模型可以較好地模擬淮北平原冬小麥地潛水蒸發過程。

2.3 不同降水條件生育期潛水蒸發規律分析

圖5為淮北平原冬小麥3個不同降水條件典型生育期土壤底部通量、逐日潛水埋深及降水量過程。降水量偏多時期（1997年）冬小麥在返青后的潛水蒸發量明顯比返青前大，最大日潛水蒸發量在冬小麥生育期的第230天，為5.0 mm。降水量正常時期（1999年）在冬小麥返青后潛水蒸發量變化較小，相對比較平穩。日潛水蒸發量最大值在冬小麥生育期的第157天和第209天，均為1.9 mm。降水量偏少時期（1998年）冬小麥返青后潛水蒸發量變化較平緩，土壤水入滲量較小，最大日潛水蒸發量為冬小麥生育期第233天，為0.9 mm。

根據Hydrus-1D模型對淮北平原不同降水條件冬小麥潛水蒸發量的計算結果，計算冬小麥潛水蒸發總量及冬小麥各生育期潛水蒸發量。由表3可知，冬小麥生育期潛水蒸發量大小依次為1997年（降水量偏多時期）gt;1999年（降水量正常時期）gt;1998年（降水量偏少時期）。從冬小麥各生育期的潛水蒸發量來看，返青期-拔節期的潛水蒸發量相對較小，抽穗期一直到成熟期的潛水蒸發量相對較大，其中灌漿期-成熟期的潛水蒸發量最大。

3 小結

Hydrus-1D模型能夠較好地模擬不同土層深度土壤含水量變化過程和潛水蒸發變化過程；冬小麥生育期潛水蒸發量受降水條件影響，當降水量偏多時，潛水蒸發總量較大；返青期-拔節期的潛水蒸發量相對較小，抽穗期一直到成熟期的潛水蒸發量相對較大，其中灌漿期-成熟期的潛水蒸發量最大。 因資料有限，本研究僅使用2004年10月1日至2005年5月31日數據對Hydrus-1D模型進行率定。今后在條件允許下，將采用更多數據進行率定驗證，為Hydrus-1D模型分析和評估提供更科學的依據。

參考文獻：

［1］ 尚松浩， 毛曉敏. 潛水蒸發研究進展［J］. 水利水電科技進展， 2010， 30（4）： 85-89.

［2］ 丁佳楠，王振龍，呂海深，等. 基于氣象要素和潛水埋深的裸地潛水蒸發計算模型研究［J］. 灌溉排水學報，2021，40（10）：125-130.

［3］ 王怡寧，丁佳楠，呂海深，等. 基于水面蒸發量及氣溫因子的潛水蒸發量計算模型研究［J］. 灌溉排水學報，2022，41（3）： 69-74.

［4］ 雷志棟，楊詩秀，謝森傳. 潛水穩定蒸發的分析與經驗公式［J］. 水利學報，1984（8）： 60-64.

［5］ 毛曉敏，雷志棟，尚松浩，等. 作物生長條件下潛水蒸發估算的蒸發面下降折算法［J］. 灌溉排水，1999（2）：26-29.

［6］ 王小贊，孔凡哲. 有作物條件下的潛水蒸發計算方法［J］. 人民黃河，2014，36（2）：40-42.

［7］ 芮孝芳. 水文學原理［M］. 北京：高等教育出版社，2013. 59-60.

［8］ 徐 敏，朱永華，李 源，等. 淮北平原實際蒸散量計算及時空分布特征分析［J］. 水電能源科學，2016，34（1）：10-14.

收稿日期：2022-04-18

基金項目：國家自然科學基金重點項目（41830752）；國家自然科學基金項目（42071033；52009027）

作者簡介：徐 敏（1990-），女，江蘇南通人，工程師，碩士，主要從事水文學及水資源研究，（電話）18905163572（電子信箱）minxu0917@163.com；通信作者，李 源（1991-），男，湖北黃石人，副研究員，博士，主要從事水文學及水資源研究，（電話）17702518075（電子信箱）liyuan_hhu@hhu.edu.cn。