不同地下水埋深的有效降水量试验分析

王傲霜 熊竹阳 吴先超 章启兵 赵家良

天然条件下降落在旱地上的任一次降水过程中，降水入渗并能储存在根系吸水层内的雨量称为有效降水量或降水有效利用量；其量与降水量之比称之为降水有效利用系数。它是影响制定灌溉制度和研究农业节水的基本参数之一。欲使更多降水量转化成有利于农作物吸收利用的土壤水和地下水，从而实现减少灌溉次数或灌溉水量，实现农业节水增效目标就必须通过试验研究，寻求不同水文气象条件下降水入渗并储存在农作物根系吸水层内的有效降水量及其变化规律。

试验组依托“蚌埠市砂姜黑土区农业节水综合技术研究”项目，利用五道沟水文水资源实验站地下水位控制埋深为 1.0m、1.5m、2.0m，测筒面积为2.0m2和4.0m2，土样为原状砂姜黑土的6套大型地中蒸渗仪，以小麦、夏玉米为对象，各设计3个水平、6个处理，开展有效降水量的观测试验研究。

一、有效降水量试验装置及试验设计

（一）有效降水量试验装置简介

根据有效降水量定义，在对其进行试验研究时，主要考虑自然条件下，从不同降水强度及其过程中产生的4个水量入手进行观测研究。4个水量依次是：次（或场）降水量、降水过程中的陆面蒸腾蒸发量（简称腾发量）、降水及产流过程中向土壤中入渗并储存在土壤中的水量、深层渗漏量（或称入渗补给地下水量）。这几个量中较难测定的是入渗并储存在土壤中的雨量，所以试验研究的重点在分析入渗规律、确定不同条件下入渗雨量。对其测定的方法有很多种，本次采用五道沟水文水资源实验站大型地中蒸渗仪装置进行试验研究。依据本装置较容易测定一次或一场降水产生的地表径流量、深层渗漏量，并通过相关要素譬如水面蒸发量等观测，利用水量平衡原理，分析计算储存在根系吸水层中的有效降水量。

（二）有效降水量试验设计

安徽淮北平原区浅层地下水资源较丰富，多年平均地下水位埋深一般为1～5m，其中南部1.0～2.5m，中部3.5m左右，北部4.0～7.0m，有利于旱田发展井灌，以改善土壤水分状况。而土壤水分的大小决定农作物根系的发育、分布以及主根的延伸深度。试验结果表明，降水或灌溉使表层（0～0.5m），即根系发育层的土壤水分经常保持在田间持水量55%～85%，就会有60%～85%的根系量分布在该层，农作物的主根一般都可延伸到1.0m以下；当降水量少且灌溉次数也少，表层土壤水分仅占田持水量的50%～55%，分布在该层的根系量一般也能达到60%～70%，小麦的主根可延伸到2.0m甚至更深，并从地下水中获取一定的水量。显然，科学有效地调控农作物根系层内的土壤水分状况，对作物的正常生长发育至关重要。依据本地区的地下水埋深和作物根系延伸的一般特点，设计地下水位控制埋深为1.0m、1.5m、2.0m共3个水平的大型地中蒸渗仪装置共6套，即同一地下水埋深2套（或称2个处理），以小麦、夏玉米为对象进行为期3年的平行试验观测。藉此探求可供实际应用的有效降水量及其降水有效利用系数。

二、有效降水量及其相关要素观测计算方法

（一）降水量观测

降水量直接取用五道沟实验站口径为20cm的雨量器和虹吸式自记雨量记的观测资料。对任一次（降水间断时间小于1h）或一场（两次降水间隔时间小于24h）降水过程的降雨入渗量进行分析时，以虹吸式自记降雨量资料为准，以了解同等条件下的降雨历时、降雨强度及雨期蒸发量等对入渗雨量和渗漏量的影响。

（二）径流量和渗漏量观测

供试验用的地中蒸渗仪装置就是一个较完美的降雨—径流—入渗—腾发量等水平衡要素相互转化的观测试验装置。降雨后从径流量观测筒中测得的水量为地表径流量；降雨入渗并使包气带土壤达到田间持水量后的降水量，在重力作用下入渗补给地下水，即从渗漏量观测筒中测得的水量为渗漏量。

（三）雨期腾发量观测计算方法

雨期腾发量采用五道沟实验站的E601型水面蒸发量进行计算，计算方法如下：

式中：Pe为雨期腾发量（mm）；E0为降水过程中的日水面蒸发量（mm）；i，n为降水过程日数；T为降水开始至结束总历时（h）；t为降水过程中的净降雨历时（h）。

（四）有效降水量计算方法

平原区降水过程中，一般视被测试单元（或系统）侧向流进和流出的地下水水量相等，并且不考虑雨期潜水蒸发量。对旱地而言，有效降水量系天然条件下任一次降水过程中降雨入渗并能储存在根系吸水层内的雨量，可记为：

式中：P0，α0为有效降水量和降水量有效利用系数；P为一次降水过程的总降水量；Rs为地表径流量；D为渗漏量；Pe为雨期腾发量。

三、有效降水量观测试验计算分析实例

以2004年度观测试验为实例。2003年10月～2004年9月灌溉年降水日数累计达58天，累计降水量为734.8mm，属偏枯年份。6套地中蒸渗仪均未测到地表径流，但其中使根系发育层的土壤得到充分补充，即一次连续降水（两次降水间隙时间小于24h）的降水量大于等于30mm的降水过程共有10次，其中第10次、第9次和第7次分别使地下水埋深为1.0m、1.5m和2.0m的试验处理产生了渗漏量。地下水控制埋深为1.0m的试验处理全年测得渗漏量为202.5m，雨期腾发量为92.4mm，有效降水量为440.0mm，其中小麦生长期的10～5月为216.3mm，大豆、玉米等夏季作物生长期的6～9月为223.7mm。年和午秋二季的有效降水量系数分别为0.599、0.568和0.632。2004年度不同地下水埋深地中蒸渗仪有效降水量试验成果见表1。

四、结语

表1 2004年度不同地下水埋深地中蒸渗仪有效降水量试验成果表

本文主要依据五道沟水文水资源实验站地中蒸渗仪装置探求有效降雨量的计算方法，并给出了2004年度试验观测有效降水量和降水有效利用系数计算结果。有效降水量是灌溉制度制定和农业节水规划方案的基本参数之一，寻求其计算方法和变化规律意义重大。地中蒸渗仪是一个降雨—径流—入渗—腾发量等水平衡要素相互转化的试验装置，为研究有效降雨量及其变化规律提供了条件，但仍存在雨期腾发量无法观测等问题。另外，结合地中蒸渗仪长系列观测资料对不同地下水埋深情况下次降水量、前期影响雨量及降水有效利用系数三变量相关关系分析尚需进一步研究■