干旱区水资源利用效率模拟

张瑞琦

摘要：鉴于我国西北地区严重缺水，农作物的产量与灌溉成了一个大问题，本文针对张掖地区水资源不足且灌溉不科学的问题做出了研究计划。本文作者利用了Hydurs-1D软件对2014年产出的敦玉46品种玉米的生长期间水资源吸收率和蒸腾率做出了数字模型，同时对不同深度的土壤水分运动和玉米生长过程中消耗水分的过程进行了模拟，结果表明，建立的模型不但可以很好地模拟土壤水分变化过程和玉米生长期间对水分的吸收和消耗规律，且与实验数据吻合度高，证明了该模型的准确性。

通过数据和模型可以知道现在的灌溉量中有64.5%从 0-1.5m的土壤中渗漏损失。将每次灌溉量减少至现在的一半，其他条件保持不变。玉米生长消耗的水量（蒸发+ 蒸腾量）与原来几乎没有差别，说明0.5倍灌溉量的情况下仍然能够满足玉米对水分的需求。渗漏量减少至灌溉量的25.4%，说明灌溉水的利用效率和被吸收率大大提高。因此，减少全年内的每次灌溉量为原灌溉量的一半，既可以满足玉米对水分的需求，保证不减产、产量不下降的情况下，还能节约大量灌溉水资源，令紧绷的生态环境得到缓解。通过本次实验数据，可以在当地制定合适的灌溉计划，节省水资源的同时提高水利用率，提高作物存活量，为稳定张掖地区的生态平衡和生态环境做出微薄的努力。

关键词：干旱地区;节水;Hydurs-1D

1引言

在我国人均含水量稀少的现代，每一滴水都应该被珍惜的利用，尤其是在一些水资源稀缺的地区（例如西北地区）。

在我国甘肃省张掖市拥有大型玉米试验田，为典型的绿洲农业。水分在其中起到了调整和生态循环，联系了生物与自然。在大片荒漠化的土地之中，绿洲农业在而张掖地区的灌溉农业中的水资源来自黑河中段，保护上游生态情况和根据不同时期和地区的情况制定相应的灌溉计划也是节约水资源的好方法。黑河途径的灌溉区主要为内流河绿洲农业，需要大量实验数据才能制定出合理的灌溉计划。凭借本次实验对玉米真实吸水情况进行检测和模拟得出的结论数据，可制定合理的灌溉计划。在黑河流域地区，来自祁连山的降水和冰雪融水是全流域唯一的水源。黑河中游地区作为全国主要的玉米生产基地之一，消耗了黑河水86%的水资源，其中96%的水是用于灌溉，灌溉水几乎全部依赖抽取地下水获得。近几十年来中游地区人口和农田面积的增加导致了水量稀少，使下游生态退化。因此抽取地下水灌溉中游作物正显现出日益增加的重要性。尽管如此由于中游地区的农民普遍采用漫灌的浪费灌溉方式，大量灌溉水消耗于蒸发和深层渗漏。在中游地区推广节水灌溉措施可以有效减少灌溉水损失。能够有效减少灌溉水浪费的方法之一是减少土壤水分深层渗漏。合理利用水资源，将土壤水分深层让渗漏量减少至最小，对于灌溉农业的可持续发展意义重大。准确估计作物生育期内的蒸散量、土壤储水量变化和土壤水分深层渗漏量可以为制定科学合理的灌溉制度提供参考和借鉴，有利于提高灌溉水利用效率。

2文献综述

马莉等（2013）研究了不通过情况的春小麦的生长情况，对小麦用水量和产量进行了分析。并认为420mm是该地区小麦最佳灌溉量。穗长随灌水量的增加而增长。灌溉定额直接影响了春小麦的籽粒产量，过度干旱和过多灌水都对春小麦的生长有一定的抑制作用，延缓了春小麦地上部分重量的累积速率。赵丽雯等（2014）通过水量平衡模型估算了作物生长的实际蒸发量，认为在目前灌溉措施下，降雨和灌溉的水量主要蒸發（60%～80%），深层渗漏（20%～30%），仅有少量水分储存在土壤区域（<10%）.这不仅造成了水资源的极大浪费，而且渗漏会带走土壤养分。赵丽雯等（2015）利用了临泽地区玉米和对应土壤的情况，应用双元模型估算了玉米实际蒸散量。认为全生育期玉米共耗水640mm，其中作物蒸腾累积量为467mm，土壤蒸发累积量为173mm，分别占总量的72.9%和27.1%。李东生等（2015）运用HYdrus-1D模拟分析了临泽县制种玉米生育期的蒸发量、蒸腾量和0-1土层的渗漏量分别为：100.3、316.4，和339.5mm，认为当前灌溉制度下农田水分利用率较低，在初生阶段减少土壤蒸发和中后期阶段增加灌溉频率、减少灌溉定额是提高干旱区灌溉水分利用效率的有效手段。本研究在2014年临泽灌溉农田田间原位观测数据上利用Hydrus-1D模型对数据进行了模拟，结合数据与模型分析了玉米的吸水规律和灌溉水的利用情况，为节约水资源做出贡献。

3研究过程

3.1  研究区概况

研究区位于张掖市临泽县中科院绿洲灌溉农业试验田试验场内。（100°08'E，39°19'N，海拔1 381m）温带大陆性气候，年均降水110mm左右，降水少。年均气温7.6℃，最高气温在7 月（39.1℃），最低气温在1 月（-27.3℃），土壤主要为砂质壤土。地势平坦，种植玉米且长势一致。

3.2  实验设计

3.2.1      实验时间设置

2014年 4月 13日年播种，2014年 9月 28日收获。

3.2.2      实验数据来源

利用实验站内气象站自动监测设备测量降水、气温等气象数据。播种后使用测量从土壤表面至地下1.5m处深土壤含水率（每隔10cm一测），每隔3-5天测量一次，如有灌溉则前后都要加测。

3.2.3      实验数据搜集

搜集数据时准确保证农田内的管理措施合理，利用监测的实验数据根据彭曼公式计算每天土壤蒸发和作物蒸腾，使用地下水位井测量地下测定间距，每日一测。

3.3  模型介绍

本文研究使用“Hydrus-1D软件”模拟降水和灌溉水在土壤中的运动和玉米根系吸水。

3.3.1      水分在土壤中运动的过程可以用公式（1）表示：

公式说明：

θ：土壤含水率（cm3/cm3）

K：水分传导率（cm/天）

h：土壤吸力（cm）

3.3.2      根系吸水量的计算

可以用公式（2）计算：

公式说明：

Sp：表示根系最大吸水能力

α：是水分制约因子

h：玉米根系吸收量的时间

计算根系吸水时还考虑了玉米根系随时间的生长变化。

3.3.3      水分运动过程中土壤的水力参数

由van Genuchten模型得到公式（3）：

公式说明：

θ：饱和含水率（cm3/cm3），

θr：滞留含水率（cm3/cm3），

Ks：饱和导水率模型的上边界，选择自由大气边界;下边界选择可以考虑地下水位，变化的变水头边界条件。

综上所述，我们确定：初始条件为第一次灌溉前测定的各层土壤含水量值。

4     结果与讨论

4.1  实验年度降雨量：

如图1 所示，2014年全年共降雨41天，总降水量共102.8mm，玉米生育期内共降水33次，共降雨93.2mm，最大一次降水发生在7 月22日（18.8m？），降水集中于7-8月，共降水55.4mm。

4.2  实验年度气温的影响：

如图2 所示2014年平均气温8.72℃，气温在7 月27日达到顶峰（38.3℃）以后开始回落。玉米生育期内平均气温27.9℃。全年气温先上升，达到顶峰后开始降低。

4.3  实验年度蒸发/蒸腾的影响：

如图3 所示，2014年全年蒸发量为81.27mm，玉米生育期内平均蒸发0.36mm.降水越多，蒸发量越多，4-9月因地表不裸露，蒸发量降低，收成后蒸发量上升。

4.4  实验年度灌溉数据：

如图4 灌溉总量示意图，首次灌溉在4 月10日，每次灌溉量为121.2mm，共灌溉11次，总灌溉量1333.2mm。将0-1.5m的土层按照30cm的深度 间隔 统计 0cm-30cm、30cm-60cm、60cm-90cm、90cm-120cm、120cm-150cm共五层土壤实测的平均含水率。

Hydrus-1D软件是一款建立水分子运动模型和模拟分子运动并得出各层含水率图形的软件。

实测含水率和模拟含水率随时间变化过程，可以看出各层土壤的模拟含水率与实测含水率相差无几，Hydrus-1D模型还可以准确地模拟玉米生育期内降雨和灌溉水在土壤中的运动过程。

从地表到地下，土壤的含水率越来越高，越靠近地表，蒸发对含水率影响越大，所以0-30cm含水率最低。玉米的根系主要存在于80cm以上的土层，所以90cm以上的土壤含水率较低，证明了玉米根系的吸水性。90cm以下，根系吸收水分效率下降，土壤含水率逐渐上升。受土壤蒸发和玉米根系吸水影响，90cm以上土层含水率随时间的波动比较大，90cm以下土层含水率随时间变化的波动较轻微。

4.4实验年度渗透量数据：

如图5 所示，运用Hydrus-1D软件，设计模型模拟得出的玉米生长期间每天的土壤蒸发量、玉米蒸腾量、土壤水存储量，计算得到每天从0-1.5m土层渗漏到下面土壤或者地下水的水量，模型模拟得出的蒸腾总量44.8cm，蒸发总量7.3cm，蒸发与蒸腾总量为52.0cm。测量值蒸腾总量为50.2cm，总蒸发量为8.1cm，蒸腾与蒸发量为58.3cm，模拟较吻合。现在的灌溉量情况下，玉米生长期间总的渗漏量达到86cm，渗透量与灌溉量比值为64.6%。

以上通过数据比对之后，我们可以发现：灌溉水中有64.6%的水没有被玉米吸收到。

4.5  实验年度渗透量数据：

经过4.1至 4.4步骤的研究过程，我们初步可以假定：保持气温、降水、等气象数据、玉米品种、作物管理条件保持不变，灌溉次数保持不变，每次灌溉量下降至原有一半，总灌溉量为66cm。

4.6  新建模型，比較蒸腾量、蒸发量、含水率值关系

重新建立模型，模拟计算出新的蒸腾量、蒸发量、含水率值。

模型参数设定为：0.5倍现灌溉量条件下，蒸发总量7.3cm，蒸腾总量46.9cm，总蒸发量为54.2cm。

0.5倍灌溉量下，蒸发与蒸腾变化较小说明灌溉量下降对玉米生长几乎没有影响，也能满足玉米生长的水分需求。

4.6.1      蒸腾量、蒸发量、含水率值关系

如图6 所示，使用新建模型可得出，在只需之前0.5倍的灌溉量的条

件下，渗漏到地下水中的灌溉水量只有16.8cm，渗漏量与灌溉量的比值为25.4%，证明灌溉水中有25.4%没有被玉米利用。

5     结论

5.1  Hydrus-1D模型

建立的Hydrus-1D模型可以很好地模拟研究区玉米生长时间内不同深度土壤中水分的吸收过程和玉米根系对水分的吸收利用。

5.2  灌溉水调整

玉米生长过程内共灌溉11次，每次灌溉12.12cm，总灌溉量为133.3cm，渗透量为86.1cm，有64.6%的水分没有被玉米利用到。将每次灌溉量减少到6cm，玉米蒸腾与蒸发量与原灌溉量的蒸发蒸腾量相差不大，说明了0.5倍灌溉量也能满足玉米生长过程的需水量，此时渗漏量为16.8cm，只有25.4%的水分没被根系吸收。说明可以将该灌溉区的灌溉量下调6cm，既能保证玉米需水量，提高灌溉水的利用率、节约水资源。

6     创新点与展望

6.1  创新

本文作者通过对数篇张掖地区种植土壤的论文的研究，综述总结水

分子在土壤中运动的过程，提炼总结水分子的活动率和土壤的不同区间的含水率，最终得到详细的数据证明干旱地区水资源利用的依据。

6.2  展望

本文作者希望能将提炼总结的实验数据，应用到我国广袤的干旱地区的种植业上，为水资源的充分利用和环境保护业上做出贡献，为保护自然生态的平衡尽一份自己的绵薄之力。更希望，在今后高中乃至大学学习中，一直关注该领域的科研成果，未来从事环境和科学研究工作，

参考文献：

[1]   李东生，吉喜斌，赵丽雯.黑河流域中游制种玉米农田土壤水分运移规律.[J].生态水文.2015.03.08，467-475

[2]   马莉，王全九.黑河中游春小麦产量与水分利用效率研究.[J].生态水文.（2013）02-0131-03

[3]   赵丽雯，吉喜斌.基于FAO-56双作物系数法估算农田作物蒸腾和土壤蒸发研究——以西北干旱区黑河流域中游绿洲农田为例.[J].2010，43（19）：4016-4026

[4]   赵丽雯，赵文智，吉喜斌.西北黑河中游荒漠绿洲农田作物蒸腾与土壤蒸发区分及作物耗水规律.[J].生态水文.201304220778

[5]   赵丽雯，赵文智.西北绿洲农田玉米水量平衡和水分运移规律.[J].2014，59：4829–4837