VSMB 模型在甘肃典型引黄灌区的适用性研究

张春岚，任凤仪，邹邵楠，张一为

（1.黄河水文水资源科学研究院，河南郑州450004；2.黄河水利委员会 水文局，河南郑州450004；3.黄河水利委员会宁蒙水文水资源局，内蒙古包头014030；4.黄河水利委员会中游水文水资源局，山西晋中718200）

甘肃省黄河流域集中了全省70%的耕地和人口，共有不同类型灌区333处，灌溉面积31.47万hm2，其中：提水105处，灌溉面积12.59万hm2，占甘肃省黄河流域灌溉总面积的37.21%；自流引水209处，灌溉面积16.31万 hm2，占甘肃省黄河流域灌溉总面积的54.63%；其他类型灌溉面积占甘肃省黄河流域灌溉总面积的8.16%。

随着经济社会的快速发展，对水资源的需求量越来越大，水资源供需矛盾日趋突出，已成为经济社会可持续发展的主要瓶颈，严峻的水资源情势使全社会日益重视流域水资源的开发利用和调度配置。农田灌溉作为耗水大户，对用水总量及用水效率具有举足轻重的作用。本研究通过模型模拟，剖析农田灌溉耗水机理和水平衡关系，弄清灌溉耗水量的变化过程及机制，掌握农田灌溉耗水系数现状。本研究不仅具有一定的理论价值，对提高农田灌溉用水效率、节水灌溉、水资源管理等都具有重要意义。

1 灌区选择

本研究依据有关资料和现场查勘调研结果，从灌区集中度、灌溉水源、农业结构、主要农作物类型、灌区规模等方面进行综合分析，选择甘肃省黄河流域内具有代表性的洮惠渠灌区、泾河南干渠灌区和景电灌区进行土壤水分模拟。

所选典型灌区具有甘肃省黄河流域引黄灌区的典型特征，灌区类型分别为高扬程灌区（景电灌区）、自流引水灌区（洮惠渠灌区）和综合引水灌区（泾河南干渠灌区，自流引水与井灌结合）。

洮惠渠灌区位于临洮县洮河东岸，是定西市最大的自流灌区，也是临洮县重要的商品粮、蔬菜、瓜果和花卉生产基地。

泾河南干渠灌区位于平凉市境内，灌区农作物主要为小麦（占 60%）、玉米（占 20%）、经济作物（占20%）等。

景电灌区横跨甘蒙两省区，是国家为解决景泰、古浪、阿拉善左旗等地区干旱缺水、大量宜耕土地长期荒芜、沙漠南移威胁等问题而建设的大型高扬程灌溉工程。灌区内主要农产品有小麦、玉米、啤酒大麦、洋芋等。

2 模拟方法

本次通过 VSMB模型（Versatile Soil Moisture Budget，通用土壤水分平衡模型）进行土壤含水量的模拟。该模型以单个地块或点作为研究对象，以日为时间尺度，能较好地反映地块的降水和灌溉水分的入渗、蒸发、蒸腾、渗漏、地表径流、地表积水（短时段）、土壤水分亏缺、不同土层土壤含水量、地下水水位波动等水文要素[1]。

2.1 模拟原理

VSMB模型为土壤水分预测的概念模型，其特点是将土壤分为多层，采用日常气象数据和土壤参数模拟各层土壤的水分动态分布，特别适用于灌溉入渗过程中土壤水分的剖面分布和地下水位模拟[2]。其模拟原理见图1，下渗水通过根部土壤的架设路径见图2。

图1 VSMB模型模拟原理示意

本研究中泾河南干渠灌区以地下水位为模拟参数进行参数率定，洮惠渠灌区、景电灌区无地下水位观测资料，以剖面土壤水分为模拟参数进行参数率定。

2.2 模拟精度评价

为反映模拟结果的误差大小，用均方根误差（RMSE）作为评价模拟精度的指标。其表达式为

式中：xi为实测剖面土壤含水量或地下水埋深；yi为用VSMB模型模拟的同一天的土壤含水量或地下水埋深；n为观测值个数。

图2 下渗水通过根部土壤的架设路径

3 模拟结果

3.1 景电灌区

对景电灌区的玉米、小麦和苗木3种作物进行模拟，模拟期为2016年3月30日至2016年12月31日，模拟结果见图3、图4、图5、表1。

玉米典型地块中布设3个土壤水分观测点，由图4可知，3个观测点所测土壤水分变化趋势总体一致，表明地块土壤均一性较好。

模拟结果表明：景电灌区玉米典型地块实际蒸发量占进入田间总水量的97.1%，深层渗漏量占总水量的20.6%，土壤水分模拟结果中RMSE为2.56，模拟精度较高。2016年3月30日至12月31日地块实际蒸散发量大于灌溉水量，除当地灌溉水量100%消耗于农田蒸散发外，部分降水也参与了作物水分蒸腾，从量的角度看当地降水对玉米生长有一定的贡献，说明灌溉定额较合理。需要说明的是，模拟中经常出现某时段水分供给和消耗不平衡，这是年度间水量的传递造成的，另外短时间内可能出现实际蒸发量大于潜在蒸发量的情况。本次模拟其他灌区的典型地块也存在同样的情况。

小麦和苗木典型地块的土壤水分模拟结果显示，模拟期小麦地块实际蒸散发量占进入田间总水量的89.1%，灌溉过程中无地表径流（漫流）产生，渗漏量占总水量的28.6%；苗木典型地块实际蒸散发量占进入田间总水量的97.3%，灌溉过程中渗漏量占总水量的23.0%。

通过对比分析，苗木地块总耗水量最大，玉米地块次之，小麦地块最小，但总体接近。就灌溉水量而言，玉米耗水占灌溉水量的131.8%，小麦耗水占灌溉水量的120.3%，苗木耗水占灌溉水量的131.7%。尽管有深层渗漏，但3个典型地块水分消耗量均大于灌溉水量，从量的角度看，部分降水参与作物水分循环，灌溉水利用效率较高。

图3 景电灌区玉米典型地块降水和灌溉水量变化过程

图4 景电灌区玉米典型地块土壤水分模拟与观测结果

图5 景电灌区玉米典型地块蒸散发量变化过程

表1 典型地块不同作物土壤水分模拟结果 mm

3.2 洮惠渠灌区

洮惠渠灌区对马铃薯和白菜两个典型地块进行了土壤水分监测，以土壤监测数据为基础，进行地块土壤水分模拟。马铃薯典型地块模拟期为2016年4月2日至2016年12月31日，模拟结果见表2、图6、图7、图8。

表2 典型地块不同作物土壤水分模拟结果 mm

图6 洮惠渠灌区马铃薯典型地块降水和灌溉水量变化过程

图7 洮惠渠灌区马铃薯典型地块土壤水分模拟与实测结果

图8 洮惠渠灌区马铃薯典型地块蒸散发量变化过程

模拟结果显示，洮惠渠灌区马铃薯典型地块深层渗漏量占总水量的37.8%，典型地块模拟结果RMSE为0.989，模拟精度较高。2016年模拟期洮惠渠灌区马铃薯典型地块年实际蒸散发量接近当地降水量，而灌溉水量相当于深层渗漏和田间漫流量的总和，从量的角度来说，对于当地种植的马铃薯而言，降水量可以满足其生长发育需求。实际蒸散量占灌溉水量的108.2%，灌溉水利用效率较高。有短时段的地表径流产生，说明个别时段灌水定额偏大，灌溉过程中可能存在大水漫灌现象，也存在较多渗漏，灌区用水管理水平有待提高。

洮惠灌区白菜典型地块模拟期为2016年4月7日至2016年12月31日。模拟期典型地块降水和灌溉水量变化过程见图9。

图9 洮惠灌区白菜典型地块降水、灌溉水量变化过程

模拟期深层渗漏水量占总水量的36%，RMSE为1.52，模拟精度较高。土壤水分和蒸散发模拟结果见图10和图11。模拟结果表明，模拟期典型地块年实际蒸散发量大于当地降水量，必须进行灌溉才能补充作物生长发育所需的水分。实际蒸散量占灌溉水量的118.7%，用水效率较高。与马铃薯典型地块一样，灌溉过程中可能存在大水漫灌现象，也存在较多渗漏，灌区用水管理水平有待提高，用水效率还有提高的空间。

图10 洮惠渠灌区白菜典型地块土壤水分模拟与实测结果

图11 洮惠渠灌区白菜典型地块蒸发量变化过程

3.3 南干渠灌区

南干渠灌区灌溉水源为地表水和地下水。模拟期为2016年3月30日至2016年12月31日。在该典型地块不仅监测了土壤水分的变化，还监测了地下水位的变化，故从地下水位（埋深）和土壤水分两方面进行模拟。

模拟期灌区降水量为543.1 mm，灌溉引水量为28 mm。典型地块降水与灌溉水量变化过程见图12。

图12 南干渠灌区典型地块降水、灌溉水量变化过程

模拟结果显示，灌区潜在蒸散发量为779.5 mm，实际蒸散发量为449.1 mm，占进入田间总水量的82.7%，深层渗漏补给地下水166.8 mm，占总水量的30.7%，土壤水分模拟结果RMSE为1.14，地下水埋深模拟结果RMSE为1.57，模拟精度较高。模拟期灌区年实际蒸散发量小于当地降水量，灌溉水量较小，说明南干渠灌区属雨养农业区，灌溉仅提供少量的水分补充。土壤水分和蒸散发模拟结果见图13和图14。

图13 南干渠灌区典型地块土壤水分变化过程

4 结果分析

为比较3个灌区典型地块灌溉用水的去向，列出3个灌区深层渗漏量和蒸散耗水量（见图15），可以看出洮惠渠灌区白菜地块深层渗漏量最大，其次为景电灌区小麦、洮惠渠灌区马铃薯、景电灌区苗木、景电灌区玉米，南干渠灌区典型地块的深层渗漏量最小。景电灌区尽管深层渗漏量较小，但现有的少量深层渗漏还是会导致土壤盐碱化，故应尽量控制深层渗漏。而南干渠灌区因地处河谷，深层渗漏则为灌溉回归水，这部分水最终回归河道，环境影响较小。从蒸散耗水量来说，景电灌区蒸散耗水量较大，其中苗木最大，其次是玉米和小麦；洮惠渠灌区白菜和马铃薯、南干渠灌区蒸散耗水量均较小，其中洮惠渠灌区马铃薯蒸散耗水量最小。蒸散耗水量除与作物种类有关外，还更与气候差异相对应。

图15 灌区各典型地块蒸散耗水量和深层渗漏水量对比

灌溉作为一种人为控制的补充作物生长所需水分的措施，灌溉水量与蒸散耗水量的对比在一定程度上可以反映灌溉的合理性。因此，有必要分析3个灌区6个典型地块的蒸散耗水量与灌溉水量的比值，见图16。南干渠灌区因灌溉水量过小，不具有说明意义。其他灌区中，景电灌区苗木和玉米最高，其次是景电小麦、洮惠灌区白菜和马铃薯，说明景电灌区用水效率较高。

图16 灌区各典型地块耗灌比（蒸散耗水量与灌溉水量之比）

5 结 语

VSMB模型无论在内陆河流域的景电灌区，还是在相对湿润的洮惠渠灌区和黄土高原的泾河南干渠灌区，均有很好的敏感性，能准确反映降水和灌溉过程中农田土壤水分的动态变化，且模拟精度基本达到模拟要求，故本次模拟可满足不同区域农田灌溉耗水分析。但模型以单点模拟为基础，只能反映较小空间尺度上的水分循环过程，当模拟结果应用于较大灌区的水分消耗分析时，应注意灌区内典型地块的代表性，或者灌区土壤、作物等下垫面的差异。