Journal of Water Resources Research 水资源研究, 2012, 1, 454-459 http://dx.doi.org/10.12677/jwrr.2012.16072 Published Online December 2012 (http://www.hanspub.org/journal/jwrr.html) The Soil Water Movement Experiment and Simulation in Northern Shaanxi Province* Defu Dong, Lingmei Huang#, Bing Shen Northwest Key Laboratory of Water Resource and Environment Ecology, Ministry of Education, Xi’an University of Technology, Xi’an Email: dongdefu-382@163.com, #huanglm@xaut.edu.cn Received: Aug. 11th, 2012; revised: Aug. 26th, 2012; accepted: Sep. 11th, 2012 Abstract: The soil water movement in typical slope of the Mengcha Village, which is located in Mizhi Town, Northern Shaanxi Province, was analyzed by the Hydrus-1D model. The results showed that the straw mulch- ing slope had obvious water-holding effect, and it could control the rain storage as well as the water-holding applying slope. The change rates in different depth of soil moisture were significantly different, shallow soil moisture variation is larger than the deeper. Hydrus-1D can simulate soil water movement effectively in the vertical direction as a prediction way. Keywords: The Slope in Northern Shaanxi Province; Hydrus-1D; Infiltration; Soil Moisture Redistribution; Moisture Conservation Measure 陕北坡地土壤水分动态试验与模拟研究* 董得福,黄领梅#,沈 冰 西安理工大学西北水资源与环境生态教育部重点实验室,西安 Email: dongdefu-382@163.com, #huanglm@xaut.edu.cn 收稿日期:2012 年8月11 日;修回日期:2012 年8月26 日;录用日期:2012 年9月11日 摘 要:为分析坡地土壤水分运移规律,以陕北黄土高原米脂县孟岔村红枣基地典型坡地为研究对象, 应用 Hydrus-1D 模拟了坡地土壤水分运移过程。结果表明,秸秆覆盖的坡面保水保墒效果明显,且覆 盖秸秆和施保水剂对坡面降雨的调蓄有一定作用。降雨后不同深度土壤水分变化的幅度有明显差异, 浅层水分变化的幅度大于深层。利用软件模拟分析方法能够较合理地模拟土壤水分一维动态变化过 程,可以作为一种预测手段,对土壤水分动态变化问题的研究有一定的参考价值。 关键词:陕北坡地;Hydrus-1D ;入渗;土壤水分再分布;保墒措施 1. 引言 水土资源短缺和生态环境恶化已成为人类普遍 关注的问题,随着经济社会发展和生存环境破坏,人 们逐渐意识到节水和保护环境的重要性。我国目前农 业灌溉效率仅为 45%,是发达国家的一半[1]。黄土高 原大部分属于干旱半干旱地区,降水少而蒸发强烈, 使得土壤水分严重缺失。该地区面临着生态环境持续 恶化,水土流失严重,沙漠化加剧,林草植被建设不 完善的窘境,另一方面,地区缺水使得造林成活率低, 生产力低下。榆林市位于陕西省北部,属于干旱半干 旱大陆性季风气候。近年来,该地区工业的发展使得 农业与城市用水受到不同程度的影响,即便工业用水 *基金项目:国家自然科学基金(No. 50939004)。 #通讯作者。 作者简介:董得福(1987-),男,青海省西宁市人,硕士生,研究方 向:干旱水文与雨洪侵蚀。 Copyright © 2012 Hanspub 454 董得福,等:陕北坡地土壤水分动态试验与模拟研究 第1卷 · 第6期 量持续增加而农业用水逐年减少,农业依然是地区的 主要用水部门。当地受到地理环境、投入能力和传统 观念影响,农业灌溉依然采用大水漫灌、畦灌等大引 大排的粗放型灌溉方式,用水严重浪费。另外,灌溉 设施配套不齐全,老化失修,输灌水过程中跑漏水现 象严重,致使农业用水效率普遍较低[2,3]。 2. 研究区概况 试验区位于陕西省榆林市米脂县银州镇孟岔村, 米脂县地处陕西省北部,榆林市中部偏东,属无定河 中游。地理位置东经 109˚49′~110 ˚29′,北纬 37˚39′~ 38˚50′,东西最大距离 59 km,南北长 47 km,面积 1212 km2。海拔最高 1252 m,最低843 m,平均海拔 1049 m, 属于典型的黄土高原丘陵沟壑区。地貌主要以峁、梁、 沟为主,境内山峁达20,378 个,沟道 16,120 条,构 成沟壑纵横、梁峁起伏的地貌景观。米脂属中温带半 干旱性气候区,全年降雨量不足,气候干燥,冬长夏 短,四季分明,日照充沛,春季多风。昼夜温差大, 适宜农作物生长。年平均气温 8.5℃,极端最高气温 38.2℃,极端最低气温−25.5℃,无霜期 162 天。年平 均降雨量451.5 mm,集中 7~9月,最大年降雨量 704.8 mm,最小年降雨量 186.1 mm。试验区土壤类型为黄 绵土,容重 1.29~1.38 g/cm3。 3. 材料与方法 3.1. 径流小区 考虑到地形、坡向、土壤、植被和土地利用等, 在研究小区内布设 10 个径流小区。小区宽度均为 3 m。 考虑坡长影响因素特别设置 2个小区的坡长分别为 10 m和15 m,其余小区均为 5 m;考虑到坡度影响设置 2个小区坡度分别为21˚和26˚,剩余坡度均为 16˚。 此外,试验还研究表层土壤经不同处理后土壤水分的 运动状况,故将 2个小区的表层土壤进行施加保水剂 和进行秸秆覆盖的处理。 3.2. 试验方法 径流小区四周做防渗处理,仅在小区底部设置一 排水口,收集坡面产生的径流。为了避免杂草对产流 和入渗产生影响,在试验前需要对其进行清理。模拟 降雨前在小区内均匀布设若干雨量筒,收集雨量。雨 前测量 1 m深土层含水率垂向变化情况,每0.1 m测 量一次。含水率测量在小区内坡上、坡下位置多点进 行以提高数据的可靠程度。降雨过程中,在坡面全部 产流之前,不收集小区产生的径流。待到坡面全部产 流,记录时间,收集径流。此后间隔 2 min记录一次 累积产流量,计算 2 min的径流量,与上一时段产流 对比,分析变化趋势,前后时段数据接近说明产流已 趋于稳定。模拟降雨历时 30 min,若最终产流依然不 够稳定,可以适当延长降雨时间,并分析原因。降雨 接受即测量雨量筒收集的雨量,计算雨强。还需测量 雨后 1 h、1天、3天、5天、7天、15 天、20天1 m 土层含水率垂向变化情况,以获得土层的水分运动状 况。另外,期间若有天然降雨,则需增加测量次数。 试验所需的气象数据通过陕西省黄土高原治理研究 所在当地设置的气象站获取。 3.3. 模型介绍 土壤水分运移模拟采用 Hydrus-1D 模型[4],其可 将降水、蒸散发、土壤水分运移等过程进行完整的模 拟,并且能够处理各类的水流边界[5],包括定水头和 变水头边界、给定流量边界、渗水边界、自由排水边 界、大气边界以及排水沟等[6]。模型土壤水分运动方 程为 水流控制方程: cos , h K hS tz z zt 初始条件: 0z 01z 0t 上边界条件(大气边界): 0 0 0 a h KhKhEt hhzt z 0 0 aa hhhhzt 下边界条件(自由排水边界): 11 nn n hh qKhz 1 ml0t 时间步长: 2* 5~ 7tz D 式中: K h为非饱和导水率; 为根系吸水率; h为压力水头;α为水流方向与垂直方向上夹角,因 坡度而异; ,Szt Et 为最大潜在有效降雨或蒸发速率;l 为评价土层的厚度;ha为地表最小的压力水头。hn为 1 m深处的压力水头;Δt为时间步长;Δz为空间步长; Copyright © 2012 Hanspub 455 董得福,等:陕北坡地土壤水分动态试验与模拟研究 Copyright © 2012 Hanspub 第1卷 · 第6期 456 D*为计算中出现的扩散度的最大值。 壤经不同处理的 3个小区为例,如图1。 由于前期无有效降雨,且表层土壤蒸发强烈,该 地区地下水埋深很大,地下水补给可以忽略,故土壤 初始含水率较低且沿垂向逐渐增大。另外,试验期间 天然降雨量都不大,且雨后的蒸发较为强烈,所以对 土壤水分变化影响并不明显。当地枣树刚刚发芽,植 物的蒸腾作用对含水率的影响也可以忽略。经试验可 以看出,表层土壤进行处理后对保水保墒有一定的影 响,秸秆覆盖和施保水剂的小区雨后 1天的土壤浅层 含水率明显比未处理的小区的高。秸秆覆盖小区土壤 水率的变化相对其他小区比较缓慢且始终保持在 4. 结果与分析 4.1. 降雨后 15 天内 1 m深土层含水率变化过程 土壤含水率可以直接反映土壤的干湿程度,是表 征土壤特性的一个重要参数。在模拟降雨后的 1天、 3天、5天、7天和15天,以及期间天然降雨发生的 第二天于各个径流小区不同点分别取土样,每 0.1 m 取一次,取至1 m 深为止。用烘干法测量各土样含水 率,获得结果很好地反映了 1 m深土层在不同时间的 含水率的变化情况。以坡长 5 m,坡 度16˚坡面表层土 含 未处理小区 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.00 0.050.10 0.150.20 0.25 土壤含水率(%) 土层深度(cm) 0d 1d 3d 5d 7d 15d 施保水剂小区 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.000.05 0.100.15 0.200.25 0.30 土壤含水率(%) 土层深度(cm) 0d 1d 3d 5d 7d15d 秸秆覆盖小区 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.00 0.05 0.10 0.150.20 0.25 0.30 土壤含水率(%) 土层深度(cm) 0d 1d 3d 5d 7d 15d Figure 1. Variation of hydrological variables during 15 days in 5 meters, 16 degrees slope with different treatment 图1. 坡长5 m,坡度16˚坡面表层土壤经不同处理 3个小区15 d内土壤含水率变化对比 董得福,等:陕北坡地土壤水分动态试验与模拟研究 第1卷 · 第6期 较高水平,在 15 天时仍保持在 17%左右,可以看出 秸秆覆盖对于土壤蓄水保墒的效果较好。施保水剂小 区土壤含水率变化异常,分析可能是在建立小区时选 择到了比较土质疏松的土壤,具体原因有待进一步研 究。 4.2. 土壤水分动态模拟与实测结果对比 从图 2可以看出 Hydrus-1D 模拟全坡面土壤水分 动态变化时总的趋势是一致的。模拟与实测过程的初 始含水率都设定为雨后 1小时各点的实测值,过程为 20 天。模拟和实测图均显示,随观测点的深度增加土 壤含水率的变化趋于平缓。软件的模拟过程中涉及根 系吸水项,但由于相关参数的设定使得根系吸水对土 壤含水率变化的影响较小,这与实测情况基本一致。 通过对比可知 Hydrus-1D 的模拟结果具有一定的可靠 性,在缺乏实际资料的情况下可以依靠软件模拟对研 究对象进行定性了解,有助于研究进行。 4.3. 1 m深土层水量动态变化模拟与实测 结果对比 通过烘干法得到单点 1 m深土层水分的质量,结 合取土钻口的截面面积等参数,折算出 1 m深土层所 含水量(mm)。各小区均是多点取样,将同一小区内各 点含水量取平均值视为该小区的1 m 土层含水量。模 拟时根据需要输入相应土壤特征参数,从而获得该参 数下的动态模拟结果。以坡长 10 m,坡度 16˚小区1 m 深土层含水量实测与模拟结果对比为例,如图 3。 通过 1 m土层含水量实测值与模拟过程的对比, 并计算二者相对误差,可以看出依靠 Hydrus-1D 软 件对 Soil Water Storage模拟结果可靠性较好,该小 区二者相对误差最大值只有7.76%( 见表 1)。另外,针 对不同坡度、坡长小区的实测数据和模拟过程的相对 误差基本都能控制在 10%以内。在今后的坡地土壤水 动态的研究中,可以通过已有的相关参数利用 分 (a) 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0481216 时间(d) 土壤含水率(%) 20 10cm 30cm 60cm 100cm (b) Figure 2. Variation of different depth simulant soil moisture content (a) in comparison with measured value (b) in 5 meters, 16 degrees slope 图2. 坡长5 m,坡度16˚坡面下不同深度土壤含水率动态变化模拟(a)与实测(b)对比 Copyright © 2012 Hanspub 457 董得福,等:陕北坡地土壤水分动态试验与模拟研究 第1卷 · 第6期 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 1234567891011121314151617181920 时间(d) 1m土层土壤含水量(mm) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 降雨量(mm) 降水量 实测含水量 模拟含水量 Figure 3. The actual 1 meter soil moisture content comparison with simulation in 10 meters, 16 degrees slope 图3. 坡度为 16˚,10 m坡长小区 1 m深土壤含水量实测值与模拟结果的对比 Table 1. The error analysis of soil moisture content 表1. 土壤含水量模拟与实测结果误差分析表 日期 时间段/天 实测值/mm 模拟值/mm 误差 相对误差(%) 5月12日 1 216.03 210.40 5.63 2.60 5月13日 2 215.03 205.23 9.80 4.56 5月15日 4 193.50 198.32 4.82 2.49 5月17日 6 209.62 199.50 10.12 4.83 5月18日 7 203.44 194.24 9.20 4.52 5月21日 10 195.20 185.74 9.46 4.85 5月26日 15 171.96 184.51 12.55 7.30 5月28日 17 178.74 192.45 13.71 7.67 5月31日 20 185.81 181.13 4.68 2.52 Hydrus-1D 软件对 Soil Water Storage进行模拟。作为 一种预测手段,模拟结果对土壤水分问题的研究有很 重要的参考价值。 4.4. 土壤含水率模拟于实测结果对比 针对不同坡长、坡度的小区,利用Hydrus-1D 软 件模拟获得的不同时间段土壤含水率垂向变化曲线 与实测曲线对比,整体效果并不理想,但大致趋势、 线形基本能够拟合。图 4为坡长 5 m,坡度 26˚小区 1 m土层含水率垂向分布实测与模拟结果的对比。烘干 法计算土壤含水率,虽然可靠性高,但仅仅凭借几个 测点代替整个小区,存在着不合理的地方。另外, Hydrus-1D 软件模拟获得的动态过程同样存在偏差, 大致可归纳为两方面:第一,模拟时所需参数的设定, 比如土壤分层的设定、初始含水率、Qr、Qs、Alpha、 n、Ks、l等参数的确定;第二,利用 Hydrus-1D 软件 模拟时各分模型选取不能完全符合当地情况,且软件 自身的设计也可能存在不足。因此,在使用该软件模 拟土壤含水率垂向变化时,获得的结果只具有一定的 参考价值,在利用时要仔细分析其可靠程度。 5. 结论与建议 试验以陕北坡地为研究对象,通过现场试验、统 计分析和数值模拟等方法了解了土壤水分垂向的动 态变化,并利用 Hydrus-1D 软件对土壤水分动态变化 进行模拟,得到以下主要结论: 1) 秸秆覆盖的坡面保 水保墒效果非常明显,且覆盖秸秆和施保水剂对坡面 降雨的调蓄也有一定作用。 2) 在模拟降雨后,不同深 度土壤水分变化都有减小的趋势,但由于土壤水运动 向深层传递的滞后性和土壤自身的调节作用,不同深 度土壤水分变化的幅度有明显差异,浅层水分变化的 幅度大于深层。3) 利用软件模拟分析方法能够较合 Copyright © 2012 Hanspub 458 董得福,等:陕北坡地土壤水分动态试验与模拟研究 第1卷 · 第6期 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.00 0.050.10 0.15 0.20 0.25 土壤含水率(%) 土层深度(m) 5d 7d 15d S5dS7d S15d Figure 4. The vertical change of soil moisture content in 5 meters, 26 degrees slope 图4. 坡长5 m坡度26˚小区 1 m深土层含水率垂向变化实测与模拟结果对比 理地模拟土壤水分一维动态变化过程,可以作为实际 中的一种预测手段,对土壤水分垂向动态变化问题的 研究有很重要的参考价值。 在今后坡地土壤水分动态研究中,可以考虑秸秆 和保水剂施加量的差异对土壤水分运动的影响;对于 降雨强度、蒸发强度、土壤初始含水率等因素对坡面 入渗的影响,在HYDRUS-1D 中都可以模拟研究,争 取将来能够深入开展更多因素对坡面产流入渗过程 的研究和探索。 参考文献 (References) [1] 雷志栋, 胡和平. 关于 提高灌溉水利用率的认 识[J]. 中国水 利, 1999, 7: 13-14. LEI Zhidong, HU Heping. Improving the understanding of the utilization of irrigation water. China Water Resources News, 1999, 7: 13-14. (in Chinese) [2] 张炜, 杨茂盛. 陕北地区坡耕地特色种植农业的优化研究[J]. 安徽农业科学, 2011, 39(23): 14303-14304. ZHANG Wei, YANG Maosheng. Study on the optimization of characteristic agriculture in slope farmland of Shanbei region. Journal of Anhui Agricultural Science, 2011, 39(23): 14303- 14304. (in Chinese) [3] 尚爱军, 栾爱梅, 张雄, 等. 陕北荒漠化地区农业持续发展技 术体系研究[J]. 干旱地区农业研究, 2002, 20(3): 121-123. SHANG Aijun, LUAN Aimei, ZHANG Xiong, et al. 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