VSMB 模型在甘肅典型引黃灌區(qū)的適用性研究

張春嵐，任鳳儀，鄒邵楠，張一為

（1.黃河水文水資源科學(xué)研究院，河南鄭州450004；2.黃河水利委員會 水文局，河南鄭州450004；3.黃河水利委員會寧蒙水文水資源局，內(nèi)蒙古包頭014030；4.黃河水利委員會中游水文水資源局，山西晉中718200）

甘肅省黃河流域集中了全省70%的耕地和人口，共有不同類型灌區(qū)333處，灌溉面積31.47萬hm2，其中：提水105處，灌溉面積12.59萬hm2，占甘肅省黃河流域灌溉總面積的37.21%；自流引水209處，灌溉面積16.31萬 hm2，占甘肅省黃河流域灌溉總面積的54.63%；其他類型灌溉面積占甘肅省黃河流域灌溉總面積的8.16%。

隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，對水資源的需求量越來越大，水資源供需矛盾日趨突出，已成為經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的主要瓶頸，嚴峻的水資源情勢使全社會日益重視流域水資源的開發(fā)利用和調(diào)度配置。農(nóng)田灌溉作為耗水大戶，對用水總量及用水效率具有舉足輕重的作用。本研究通過模型模擬，剖析農(nóng)田灌溉耗水機理和水平衡關(guān)系，弄清灌溉耗水量的變化過程及機制，掌握農(nóng)田灌溉耗水系數(shù)現(xiàn)狀。本研究不僅具有一定的理論價值，對提高農(nóng)田灌溉用水效率、節(jié)水灌溉、水資源管理等都具有重要意義。

1 灌區(qū)選擇

本研究依據(jù)有關(guān)資料和現(xiàn)場查勘調(diào)研結(jié)果，從灌區(qū)集中度、灌溉水源、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)、主要農(nóng)作物類型、灌區(qū)規(guī)模等方面進行綜合分析，選擇甘肅省黃河流域內(nèi)具有代表性的洮惠渠灌區(qū)、涇河南干渠灌區(qū)和景電灌區(qū)進行土壤水分模擬。

所選典型灌區(qū)具有甘肅省黃河流域引黃灌區(qū)的典型特征，灌區(qū)類型分別為高揚程灌區(qū)（景電灌區(qū)）、自流引水灌區(qū)（洮惠渠灌區(qū)）和綜合引水灌區(qū)（涇河南干渠灌區(qū)，自流引水與井灌結(jié)合）。

洮惠渠灌區(qū)位于臨洮縣洮河?xùn)|岸，是定西市最大的自流灌區(qū)，也是臨洮縣重要的商品糧、蔬菜、瓜果和花卉生產(chǎn)基地。

涇河南干渠灌區(qū)位于平?jīng)鍪芯硟?nèi)，灌區(qū)農(nóng)作物主要為小麥（占 60%）、玉米（占 20%）、經(jīng)濟作物（占20%）等。

景電灌區(qū)橫跨甘蒙兩省區(qū)，是國家為解決景泰、古浪、阿拉善左旗等地區(qū)干旱缺水、大量宜耕土地長期荒蕪、沙漠南移威脅等問題而建設(shè)的大型高揚程灌溉工程。灌區(qū)內(nèi)主要農(nóng)產(chǎn)品有小麥、玉米、啤酒大麥、洋芋等。

2 模擬方法

本次通過 VSMB模型（Versatile Soil Moisture Budget，通用土壤水分平衡模型）進行土壤含水量的模擬。該模型以單個地塊或點作為研究對象，以日為時間尺度，能較好地反映地塊的降水和灌溉水分的入滲、蒸發(fā)、蒸騰、滲漏、地表徑流、地表積水（短時段）、土壤水分虧缺、不同土層土壤含水量、地下水水位波動等水文要素[1]。

2.1 模擬原理

VSMB模型為土壤水分預(yù)測的概念模型，其特點是將土壤分為多層，采用日常氣象數(shù)據(jù)和土壤參數(shù)模擬各層土壤的水分動態(tài)分布，特別適用于灌溉入滲過程中土壤水分的剖面分布和地下水位模擬[2]。其模擬原理見圖1，下滲水通過根部土壤的架設(shè)路徑見圖2。

圖1 VSMB模型模擬原理示意

本研究中涇河南干渠灌區(qū)以地下水位為模擬參數(shù)進行參數(shù)率定，洮惠渠灌區(qū)、景電灌區(qū)無地下水位觀測資料，以剖面土壤水分為模擬參數(shù)進行參數(shù)率定。

2.2 模擬精度評價

為反映模擬結(jié)果的誤差大小，用均方根誤差（RMSE）作為評價模擬精度的指標。其表達式為

式中：xi為實測剖面土壤含水量或地下水埋深；yi為用VSMB模型模擬的同一天的土壤含水量或地下水埋深；n為觀測值個數(shù)。

圖2 下滲水通過根部土壤的架設(shè)路徑

3 模擬結(jié)果

3.1 景電灌區(qū)

對景電灌區(qū)的玉米、小麥和苗木3種作物進行模擬，模擬期為2016年3月30日至2016年12月31日，模擬結(jié)果見圖3、圖4、圖5、表1。

玉米典型地塊中布設(shè)3個土壤水分觀測點，由圖4可知，3個觀測點所測土壤水分變化趨勢總體一致，表明地塊土壤均一性較好。

模擬結(jié)果表明：景電灌區(qū)玉米典型地塊實際蒸發(fā)量占進入田間總水量的97.1%，深層滲漏量占總水量的20.6%，土壤水分模擬結(jié)果中RMSE為2.56，模擬精度較高。2016年3月30日至12月31日地塊實際蒸散發(fā)量大于灌溉水量，除當(dāng)?shù)毓喔人?00%消耗于農(nóng)田蒸散發(fā)外，部分降水也參與了作物水分蒸騰，從量的角度看當(dāng)?shù)亟邓畬τ衩咨L有一定的貢獻，說明灌溉定額較合理。需要說明的是，模擬中經(jīng)常出現(xiàn)某時段水分供給和消耗不平衡，這是年度間水量的傳遞造成的，另外短時間內(nèi)可能出現(xiàn)實際蒸發(fā)量大于潛在蒸發(fā)量的情況。本次模擬其他灌區(qū)的典型地塊也存在同樣的情況。

小麥和苗木典型地塊的土壤水分模擬結(jié)果顯示，模擬期小麥地塊實際蒸散發(fā)量占進入田間總水量的89.1%，灌溉過程中無地表徑流（漫流）產(chǎn)生，滲漏量占總水量的28.6%；苗木典型地塊實際蒸散發(fā)量占進入田間總水量的97.3%，灌溉過程中滲漏量占總水量的23.0%。

通過對比分析，苗木地塊總耗水量最大，玉米地塊次之，小麥地塊最小，但總體接近。就灌溉水量而言，玉米耗水占灌溉水量的131.8%，小麥耗水占灌溉水量的120.3%，苗木耗水占灌溉水量的131.7%。盡管有深層滲漏，但3個典型地塊水分消耗量均大于灌溉水量，從量的角度看，部分降水參與作物水分循環(huán)，灌溉水利用效率較高。

圖3 景電灌區(qū)玉米典型地塊降水和灌溉水量變化過程

圖4 景電灌區(qū)玉米典型地塊土壤水分模擬與觀測結(jié)果

圖5 景電灌區(qū)玉米典型地塊蒸散發(fā)量變化過程

表1 典型地塊不同作物土壤水分模擬結(jié)果 mm

3.2 洮惠渠灌區(qū)

洮惠渠灌區(qū)對馬鈴薯和白菜兩個典型地塊進行了土壤水分監(jiān)測，以土壤監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行地塊土壤水分模擬。馬鈴薯典型地塊模擬期為2016年4月2日至2016年12月31日，模擬結(jié)果見表2、圖6、圖7、圖8。

表2 典型地塊不同作物土壤水分模擬結(jié)果 mm

圖6 洮惠渠灌區(qū)馬鈴薯典型地塊降水和灌溉水量變化過程

圖7 洮惠渠灌區(qū)馬鈴薯典型地塊土壤水分模擬與實測結(jié)果

圖8 洮惠渠灌區(qū)馬鈴薯典型地塊蒸散發(fā)量變化過程

模擬結(jié)果顯示，洮惠渠灌區(qū)馬鈴薯典型地塊深層滲漏量占總水量的37.8%，典型地塊模擬結(jié)果RMSE為0.989，模擬精度較高。2016年模擬期洮惠渠灌區(qū)馬鈴薯典型地塊年實際蒸散發(fā)量接近當(dāng)?shù)亟邓?，而灌溉水量相?dāng)于深層滲漏和田間漫流量的總和，從量的角度來說，對于當(dāng)?shù)胤N植的馬鈴薯而言，降水量可以滿足其生長發(fā)育需求。實際蒸散量占灌溉水量的108.2%，灌溉水利用效率較高。有短時段的地表徑流產(chǎn)生，說明個別時段灌水定額偏大，灌溉過程中可能存在大水漫灌現(xiàn)象，也存在較多滲漏，灌區(qū)用水管理水平有待提高。

洮惠灌區(qū)白菜典型地塊模擬期為2016年4月7日至2016年12月31日。模擬期典型地塊降水和灌溉水量變化過程見圖9。

圖9 洮惠灌區(qū)白菜典型地塊降水、灌溉水量變化過程

模擬期深層滲漏水量占總水量的36%，RMSE為1.52，模擬精度較高。土壤水分和蒸散發(fā)模擬結(jié)果見圖10和圖11。模擬結(jié)果表明，模擬期典型地塊年實際蒸散發(fā)量大于當(dāng)?shù)亟邓?，必須進行灌溉才能補充作物生長發(fā)育所需的水分。實際蒸散量占灌溉水量的118.7%，用水效率較高。與馬鈴薯典型地塊一樣，灌溉過程中可能存在大水漫灌現(xiàn)象，也存在較多滲漏，灌區(qū)用水管理水平有待提高，用水效率還有提高的空間。

圖10 洮惠渠灌區(qū)白菜典型地塊土壤水分模擬與實測結(jié)果

圖11 洮惠渠灌區(qū)白菜典型地塊蒸發(fā)量變化過程

3.3 南干渠灌區(qū)

南干渠灌區(qū)灌溉水源為地表水和地下水。模擬期為2016年3月30日至2016年12月31日。在該典型地塊不僅監(jiān)測了土壤水分的變化，還監(jiān)測了地下水位的變化，故從地下水位（埋深）和土壤水分兩方面進行模擬。

模擬期灌區(qū)降水量為543.1 mm，灌溉引水量為28 mm。典型地塊降水與灌溉水量變化過程見圖12。

圖12 南干渠灌區(qū)典型地塊降水、灌溉水量變化過程

模擬結(jié)果顯示，灌區(qū)潛在蒸散發(fā)量為779.5 mm，實際蒸散發(fā)量為449.1 mm，占進入田間總水量的82.7%，深層滲漏補給地下水166.8 mm，占總水量的30.7%，土壤水分模擬結(jié)果RMSE為1.14，地下水埋深模擬結(jié)果RMSE為1.57，模擬精度較高。模擬期灌區(qū)年實際蒸散發(fā)量小于當(dāng)?shù)亟邓?，灌溉水量較小，說明南干渠灌區(qū)屬雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，灌溉僅提供少量的水分補充。土壤水分和蒸散發(fā)模擬結(jié)果見圖13和圖14。

圖13 南干渠灌區(qū)典型地塊土壤水分變化過程

4 結(jié)果分析

為比較3個灌區(qū)典型地塊灌溉用水的去向，列出3個灌區(qū)深層滲漏量和蒸散耗水量（見圖15），可以看出洮惠渠灌區(qū)白菜地塊深層滲漏量最大，其次為景電灌區(qū)小麥、洮惠渠灌區(qū)馬鈴薯、景電灌區(qū)苗木、景電灌區(qū)玉米，南干渠灌區(qū)典型地塊的深層滲漏量最小。景電灌區(qū)盡管深層滲漏量較小，但現(xiàn)有的少量深層滲漏還是會導(dǎo)致土壤鹽堿化，故應(yīng)盡量控制深層滲漏。而南干渠灌區(qū)因地處河谷，深層滲漏則為灌溉回歸水，這部分水最終回歸河道，環(huán)境影響較小。從蒸散耗水量來說，景電灌區(qū)蒸散耗水量較大，其中苗木最大，其次是玉米和小麥；洮惠渠灌區(qū)白菜和馬鈴薯、南干渠灌區(qū)蒸散耗水量均較小，其中洮惠渠灌區(qū)馬鈴薯蒸散耗水量最小。蒸散耗水量除與作物種類有關(guān)外，還更與氣候差異相對應(yīng)。

圖15 灌區(qū)各典型地塊蒸散耗水量和深層滲漏水量對比

灌溉作為一種人為控制的補充作物生長所需水分的措施，灌溉水量與蒸散耗水量的對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個灌區(qū)6個典型地塊的蒸散耗水量與灌溉水量的比值，見圖16。南干渠灌區(qū)因灌溉水量過小，不具有說明意義。其他灌區(qū)中，景電灌區(qū)苗木和玉米最高，其次是景電小麥、洮惠灌區(qū)白菜和馬鈴薯，說明景電灌區(qū)用水效率較高。

圖16 灌區(qū)各典型地塊耗灌比（蒸散耗水量與灌溉水量之比）

5 結(jié) 語

VSMB模型無論在內(nèi)陸河流域的景電灌區(qū)，還是在相對濕潤的洮惠渠灌區(qū)和黃土高原的涇河南干渠灌區(qū)，均有很好的敏感性，能準確反映降水和灌溉過程中農(nóng)田土壤水分的動態(tài)變化，且模擬精度基本達到模擬要求，故本次模擬可滿足不同區(qū)域農(nóng)田灌溉耗水分析。但模型以單點模擬為基礎(chǔ)，只能反映較小空間尺度上的水分循環(huán)過程，當(dāng)模擬結(jié)果應(yīng)用于較大灌區(qū)的水分消耗分析時，應(yīng)注意灌區(qū)內(nèi)典型地塊的代表性，或者灌區(qū)土壤、作物等下墊面的差異。