陕北坡地土壤水分动态试验与模拟研究 The Soil Water Movement Experiment and Simulation in Northern Shaanxi Province

doi:10.12677/JWRR.2012.16072

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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。

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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 ,

tz z



 









 





初始条件：







 01z



 0t

上边界条件(大气边界)：

  

0 0 0

KhKhEt hhzt









0 0

hhhhzt





下边界条件(自由排水边界)：



qKhz



















1 ml0t

时间步长：





5~ 7tz D

式中：





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；

董得福，等：陕北坡地土壤水分动态试验与模拟研究

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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

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

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

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(%)

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

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160

170

180

190

200

210

220

230

240

250

1234567891011121314151617181920

时间(d)

1m土层土壤含水量(mm)

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

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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。

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