实用土壤墒情监测预报技术：前沿研究成果

在旱情评估和用水管理的进一步研究中，将涉及到墒情预报，目前国内外土壤墒情预报模型比较成熟的主要有以下四种模型：一是经验性或半经验性模型，根据田间实测资料或大量的生产实践，用经验拟合方法和数理统计方法求得墒情消退规律，可用于增墒和退墒预报；二是非饱和带土壤水量平衡模型；三是根系层土壤水量平衡模型；四是机理性模型，最常见的是土壤水动力学模型，比上述模型更深入的是SPAC模型，可采用大叶模式提出土壤—植物—大气的冠层湿温方程，并构造了耦合迭代求解法。

无论采用哪种模型，其预报模型的应用和预报方案的编制要靠广大的技术人员来完成，墒情预报模型的推广应用应具备两个条件，一是预报精度要满足实际应用要求；二是模型结构要尽可能简化，即模型参数尽可能减少，且参数易得，便于基层应用。安徽省水利科学研究院经过在淮北地区多年试验研究，提出一种实用土壤墒情预报模型，属于半经验半理论模型。该模型通过在淮北地区农业生产实际中应用，已取得较好的效果。

（一）实用土壤墒情预报方法与模型

1.预报方法原理与模型

表层土壤含水量是随着降水、灌溉、径流、下渗、蒸发等因素的变化而变化。根据降雨产流理论和包气带水运移理论，对于一次降水而言，降水量为P，产流量为R，初损失量为I，则三者关系式为

而在降雨初损历时中，表层土壤与地面的水量平衡关系可简要表达为

式中 Im——流域中的最大初损，实际上也间接代表地表的蓄水量；

Pa——本次降雨开始时的前期影响雨量。

显然，影响损失（或产流量）的最主要因素是前期影响雨量（即前期土壤含水量），其计算公式为

当ti=1天，并且前、后两日连续晴天时，用下式计算

如果在t日有降雨，但未产流，则

式中 Pa——前期影响雨量；

Pi——前期降水量；

K——土壤含水量的日消退系数；

ti——对应于Pi的前期降水距本次降水的时间；

Pa，t、Pa，t+1——分别为t时的和t时一日后的前期影响雨量；

Pt——t时降雨量，以上各量单位均以mm计。

当Pa，t+Pt≥Im时，以Im值作为Pa的上限值计算。

考虑灌溉和农作物根系分布特点，其研究的目的层选定为失墒敏感层（0～0.2m）和根系发育层（0～0.5m）。依据上述降雨径流预报理论，把表示根系发育层（0～0.5m）土壤水分的量化指标称为墒情指数，则墒情指数计算模型可表示为式（6 6）。其特点是结构简单、参数易得、精度可靠，满足预报作业精度要求。且

式中 θa，t+1、θa，t——t+1日和第t日墒情指数，mm；

Pt——第t日的降水量（雨量较小不产流情况下）；

qt——第t日的灌水量，mm；

Kt——第t日的土壤水分消退系数。

2.实用土壤墒情预报模型

（1）实测土壤含水率计算模型。主要包括失墒敏感层（0～0.2m）和根系发育层（0～0.5m）土层平均含水率。其计算公式为

式中 θ1、θ2、…、θi——表示相应于测点深度为5、15、25、35、45cm处的实测土壤含水率（%）。

（2）50cm土层墒情指数计算模型。采用20cm土层土壤平均含水率计算50cm土层墒情指数，考虑两种主要土壤类型：砂姜黑土和砂壤土。经多种相关曲线优选，其相关曲线为抛物线型。

式中 θ0～0.2——20cm深土壤含水率实测值，%；

θa——墒情指标，表征50cm土层水分状况，mm。

（3）50cm土层墒情指数预测模型。预测期为未来5d和10d。用第t日的50cm土层的实时墒情指数预测第t+n日的50cm土层的墒情指数。计算公式为

式中 θa，t——第t日的墒情指数计算值，mm；

θa，t+n——第t+n日的墒情指数预测值，mm；

Pt——预测期间的预期降雨量累计值，mm；

Qt——预测期间的预期灌水量累计值，mm；

Kt——土壤水分消退系数，根据土壤类型和预测时段具有不同值。

如果预测时段为跨月份的，说明Kt值不同，则要根据所跨月份的天数来进行积运算，如：2002年4月28日预测今后5d的墒情指数，时段跨了4月和5月，计算公式演变为

（4）20cm土层土壤含水率预测模型。根据未来5d和10d的50cm土层墒情指数预测值预测未来5d和10d的20cm土层土壤含水率。计算时根据测站的土壤类型和预测时间所处月份采用下列公式：

式中 θa——50cm深墒情指数预测值，%；

θ0～0.2——20cm深土壤含水率预测值，%。

（5）50cm土层土壤含水率预测模型。根据未来5d和10d的20cm土壤含水率预测值预测未来5d和10d的50cm深土壤含水率。计算公式如下：

式中 θ0～0.5——50cm深土壤含水率实测值，%；

θ0～0.2——20cm深土壤含水率预测值，%。

（6）灌水时间预测模型。从数据库中获取土壤含水率，用50cm土层的实时墒情指数预测模型获得50cm土层的墒情指数预测值，用灌溉时间预测模型和灌溉定额预测模型分别计算旱情发生时的灌溉时间和灌水定额。灌水时间包括适时灌水时间和抗旱灌水时间。预测指标值根据土壤类型不同，适时灌水时间：砂姜黑土——墒情指数预测值不大于35，砂壤土——墒情指数预测值不大于30；抗旱灌溉时间（重旱开始时间）：砂姜黑土——墒情指数预测值不大于20，砂壤土——墒情指数预测值不大于15。计算公式为

式中 θa，t——第t日的墒情指数计算值，mm；

θa，t+n——第t+n日的墒情指数预测值，预测指标值，mm；

Kt——土壤水分消退系数，根据土壤类型和预测时段具有不同值，具体值同50cm深墒情指数预测模型；

Qt——为第t日灌水量，mm。

如果预测时段为跨月份的，说明Kt值不同，则要根据所跨月份的天数来进行积运算，如：2002年4月28日预测今后n天的墒情指数，时段跨了四月和五月，计算公式演变为

计算结果n即适时/抗旱灌水时间，取小数点后一位，若实测数据计算所得墒情指数已经达到轻旱或重旱指标时，n值取0，反映相应旱情开始日期即为实测日期。

（7）灌水定额预测模型。包括适时灌水定额和抗旱灌水定额。计算公式为

式中 q——适时抗旱灌水定额，m3/亩；

γ——土壤容重，取值与土壤类型及预测时段有关，t/m3；

H——计划湿润层厚度，m；

θ上——适宜作物生长的土壤含水率上限，%，取值与土壤类型和所预报的时段有关；(www.xing528.com)

θ0.5预——轻旱/重旱开始时的50cm深预测土壤含水率，%。

各参数取值见表6-10。

（二）土壤水分消退系数的试验分析

土壤水分消退系数K是墒情预报模型中的重要参数之一，它反映了土壤特性、下垫面、农作物生长阶段和需水、气象等综合因素。据五道沟试验站和20多个灌溉实验站多年试验资料分析，淮北地区主要农作物各生长阶段的消退系数见表6-11，砂姜黑土和砂壤土各月的简化取值表如表6-12所示。

表6-10　灌水定额计算模型参数取值表

表6-11　淮北地区主要农作物不同生育阶段土壤水分日消退系数成果表

表6-12　淮北地区土壤日消退系数K值各月取值分析成果表

注 K1为E601蒸发皿实测资料分析计算值；K2为潜水控制埋深为零的潜水蒸发实测资料分析计算值；K为取用值。

（三）旱情评估指标研究

干旱是许多不同因素作用下的产物，国内外通用的干旱定义有三种：即气象干旱、农业干旱和水文干旱，每种干旱型式其研究和评估方法皆不相同。目前国内干旱指标评估模型多数只能在无灌溉条件下旱作物的旱情评估，其评估指标大致有三种：以土壤储水量为评估指标，以产量比为指标，以缺水量为指标。

（1）以土壤储水量SW作为评估指标，现定义KS作为是否受旱及受旱程度的指标

式中 SWF——相当于田间持水量的储水量；

SWRi——本时段适宜生长的储水量下限；

SWi——本时段实际储水量。

此外，也可以按经验（在试验基础上）或按模型预测的下时段作物日需水量DW计算的耐旱天数TD及抗旱极限天数TK作为受旱或抗旱的指标

式中 SWRi——下阶段土壤适宜储水量；

SWW——相当于凋萎含水率的储水量。

（2）以产量作为指标，作物受旱将影响作物的产量，若受旱指标与产量相联系，则可与可能发生的灾情联系起来。目前一般认为Jensen模型较好地反映了产量与需水量之间的关系，其模型为

式中 γ——可获得实际产量；

γm——水分不受胁迫时的产量；

ETmi——阶段的最大需水量（腾发量）；

ETi——阶段实际腾发量；

λi——阶段水分敏感指数。

在非充分灌溉条件下，计划预期产量γp可比γm小。设γm/γp=ξ，将式（6-30）定义的产量比Kγ作为受旱程度的指标

Kγi考虑本阶段及以前已发生的各个阶段受旱对产量的影响，此时受旱程度的Kγi分级值应分阶段给出。

（3）以缺水量为指标，根据对需水量和区域内可供水量的供需分析，用缺水量WD或缺水程度KW作为抗旱指标时，考虑了区域的水利供水设施，可服务于区域性抗旱

式中，可供水量WNE应考虑区域的地表水可供水量WR（水库放水，河道引水及提水等），地下水可供水量WG（应考虑可开采量，机井设施等）及预测期有效降雨量P，在地下水埋深较浅地区还应考虑地下水的利用量。需水量WDE中应考虑本阶段至预测期末的各阶段腾发量ETi及田间灌溉回归补给量。根据预测期需水量，可知每日需水量DW，不考虑降雨利用时，区域水利设施所具有抗旱天数

式中 η1、η2——地表水、地下水有效利用系数。

安徽省水利科学研究院利用五道沟实验站及淮北地区多年实验资料，提出同时采用墒情指数法、降水距平法和降水频率法来评估一次旱情，方法简便，便于基层单位应用，这种方法称为旱情评估简易法。

（四）旱情指标评估简易法

1.墒情指数法

墒情指数是表示根系活动层（0～0.5m）土壤水分的量化指标，其计算公式见式（6-6）。

墒情指数的大小直接反映土壤的干旱程度，据五道沟试验站多年试验资料分析，淮北地区砂姜黑土和砂壤土按照墒情指数划分的干旱级别分级见表6-13。

表6-13　淮北地区墒情指数干旱分级表

续表

2.降水距平法

一次旱情或旱灾发生之后，在评估灾害造成的损失时，习惯用干旱期间的降水量与同期正常年份降水量作比较，用来衡量旱情的严重程度。但由于降水量指标只考虑天然降水，没有考虑下垫面和农作物生长等情况，单独应用时很难确定与农业干旱相一致的旱情开始和结束时间。尤其是在干旱条件下，气象干旱不能准确反映人工供水（人工降雨、灌溉）后的下垫面变化情况。当把降水量距平法与墒情指数法相结合进行旱情分析时，可弥补单独取用一种方法的不足。

降水距平法认为：多年平均降水量是一个较适宜的水量。当某时段降水量大于多年平均值时，认为偏湿，反之认为偏旱。降水距平法的计算公式为

式中 P——实际降水量，mm；

α——降雨距平系数，一般取1.2、0.8、0.6、0.4；P均——历史同期平均降水量，mm。

经分析确定，采用距平法表示的干旱指数见表6-14。

表6-14　淮北地区降水距平法干旱指数分级表

3.降水频率法（重现期法）

一次旱情发生后，人们习惯用历史上同期曾经发生的严重旱灾作比较。因此，对于干旱期间的降水频率，即旱灾重现期，便成为分析旱情严重程度的又一个尺度。采用三点适线法，用式（6-34）和式（6-35）计算降水频率和重现期。该方法与上述两种方法相结合，不仅能了解整个旱情的严重程度，而且能知道旱情在面上的分布特点，从而构成一套评价旱情最基本最简便的方法之一。即

式中 p——经验频率，%；

m——排列序号；

n——年数；

N——重现期。

4.旱情开始和结束日期的确定

图6-1　信息中心墒情预报作业流程图

确定一次旱情的开始和结束时间，对于评估一次旱情至关重要。根据五道沟实验站试验资料分析，砂姜黑土区：把墒情指标θa消退至35mm的时间定义为轻旱开始时间；砂壤土：把墒情指标θa消退至30mm的时间定义为轻旱开始时间。而把一次旱情直到迎来一场丰富的降水过程或透墒水前的最后一个晴天作为一次旱情的结束日期。因此，把轻旱开始时间，即墒情指数消退至35mm或30mm的日期定为适时适量灌水时间；把重旱开始时间，即墒情指标消退至20mm或15mm的日期定为抗旱灌水时间。

（五）墒情预报作业流程图

一次墒情预报的作业和墒情信息的发布，都需要经过信息采集、预报地区和土壤类型的选择、模型计算、干旱级别判断等几个过程。现采用微机技术，通过建立墒情、农业生产、作物需水、灌溉等基本信息数据库，从而解决了大范围农田的墒情预报问题。其墒情预报作业流程图如图6-1所示。