模型计算河北省太行山区土壤水资源量与时空分布规律

1、模型计算河北省太行山区土壤水资源量与时空分布规律    摘要:本文在论述山区土壤水资源量计算模型的基础上，以河北省太行山区为研究对象，初步计算太行山区耕地1980-2000年21年间最小产生的土壤水资源总量为312.6亿m3,土壤水资源量平均深度为349mm。土壤水资源量、径流量分别占评价区降水量的61.45%和33.05%。通过计算分析得出土壤厚度是决定土壤蓄水能力的主要因素。由于不同土质土壤储水能力不同，因此在同一土层厚度范围内各土质土壤水资源变化规律不同，表现为砂土>砂壤土>壤土>粘壤土>粘土。同时。土壤水资源量的年内分配规

2、律表现为土壤水资源量与降水量年内分配同频率。握了上述规律，有效调整农作物种植结构，降低了农业生产成本，开展农业节水措施是十分必要的。 关健词：土壤水资源量,计算模型,太行山,分配规律,种植结构 1前言 土壤水是地球水体的重要组成部分之一。陆地上植被和作物所利用的水分主要是从土壤中直接吸取的。它影响着农作物生长、生态环境建设以及水资源的合理分配与高效利用。因此提出一套适合不同分区、不同土质的土壤水资源的计算方法，了解河北山区土壤水资源分布时空规律与土壤蓄水量的评估对实现农业乃至整个山区经济的可持续发展都具有重要意义。 2土壤水资源评价模型     

3、;                                             土壤水资源计算模型的目的是摸清现状我省山区土壤分区和土地利用条件下土壤水资源的分布规律，

4、为今后我省改进耕作方式、调整农村产业结构，高效利用土壤水提供基本依据。并以此为目的，研究天然条件下土壤水资源的时空变化规律，分析在天然条件下可以得到补充，并且对作物有效的那一部分水量是本模型建立的基础。因而在评价土壤水资源时不考虑灌溉水。 物理模型基础                              

5、;                        范如华先生认为：降雨补给土壤水，其过程如图2-2示，是由土层上部达饱和含水量后逐渐下移，最后使土壤包气带达田间最大持水量后暂时平衡，这就是依靠土壤毛管力支持的悬着毛管水，可供作物根系吸收和棵间蒸发的雨水。 2.1模型建立的几个基本假定 本次模型建立是研究大范围内的土壤水资源转化规律，考虑到降雨与下垫面条件的空间变异复杂，因此对模

6、型进行假设概化。 2.1.1研究的状态是一种假定的理想状态。土壤水分的上行消耗为裸地的蒸发，而不考虑植物蒸发。得到的结果是一个潜在的最小土壤水资源量，从而根据河北省太行山区最少能产生土壤水资源的数量，达到合理利用有限的土壤水资源，指导土地利用结构调整和生产的目的。 2.1.2评价层内土壤为均质土壤 2.1.3采用的五种土壤质地类型（砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土），就某一种土壤质地而言，土壤调蓄能力（储水、入渗等特性）完全相同； 2.1.4年降雨及年内分布决定了土壤水资源的状况，因此采用降雨的频率分析土壤水资源的频率（程伍群）； 2.2.土壤水资源量模型确定   

7、0;                                                 

8、0;      本模型采用补给法计算土壤水资源，从土壤水资源可利用角度出发，利用含水量变化过程来推算土壤水资源量，不仅包含了本年降水的有效补给数量，由于年初土壤含水量是上一年土壤蓄水量的反映，因而使计算的土壤含水量，更接近本年的实际土壤水资源可利用量，较好地说明水分循环和水量平衡的全过程。 对于一个研究单元，确定的土壤水资源评价模型的数学表达式为：（1） 其中： 一次降雨产生的土壤水资源量； 日降水量 凝结水量； 为入渗到评价层以下的水量； 无效降水量； 雨期蒸发量； 为潜水蒸发量； 可以通过不同坡度、土层厚度的降雨径流关系确定。 其中： 1、

9、（凝结水量），经试验证明，该值的总量较大，但平均每天的数量较小，在转化为土壤水之前主要用于蒸发，对土壤水资源量的影响不大，因此忽略不计； 2、(无效降雨量)，当本日有降水时，根据降水历时t和当日蒸散发能力计算无效降水量。即/24×t采用气象学方法计算，或采用E601蒸发皿折算。） 3、（雨期蒸发量），由于雨期的湿度大，温度偏低，蒸发非常小，因此忽略不计； 4、（潜水蒸发量），河北省太行山区地下水位较深（30m），并有岩石不透水层隔离，因此可以忽略不计，对于山区丘可以认为该值为零； 因此： 式（1）简化为： （2） 在山丘区一般情况下，与最终流出评价层，不参与土壤水资源评价，因此，把、

10、统称为径流（）。 因此得出： （3） 假定评价层深度内田间持水量为Wmax（mm），田间调萎含水量为W0（mm）其中 （4） （5） 径流量是区域降水特征和下垫面特征相互作用的产物。由于包气带的土壤组成、水分动态的变化等因素的差异，造成产流机制不同。主要包括两种基本的产流机制，即超渗产流与蓄满产流。由于河北省太行山区土壤砂性颗粒含量高,降水特点为雨强大,历时短，主要以超渗产流为主；又因为该地土层薄,降水到一定程度又容易蓄满。因此，为了提高土壤水资源量计算精度，本模型径流量计算同时考虑超渗、蓄满两种产流机制。 对于每一种类型土质土壤，设置一个包气带日入渗能力FM，当（PPw（无效降水）大于FM时

11、，超过部分产生径流R超。即： 当PPw>FM时 R超=PPwFM 当PPwFM时 R超=0 如果单次降雨量、无效降水量、计算超渗产流量之差大于土壤田间持水量与起始含水量（W）的差，则，如果单次有效降雨量小于土壤田间持水量与起始含水量的差，则。 该值计算过程中需要确定降雨开始时的土壤实际平均含水量W/，需要通过的推求关系确定。计算公式为： （6） （7） （8） 其中： 第n+1日的土壤含水量； 第n日的土壤含水量； 第n日的有效降水量； 第n日的蒸发量； 为土壤湿度系数； 为水面蒸发量； 为土壤蒸发量与水面蒸发量的折减系数； 将各次降雨转化而成的土壤水资源量累加，就可以得到一年内的土壤水

12、资源量。对于一年，可以表示为： （9） 该值的计算可以的按日进行全年累计，获得全年的土壤水资源量，也可以对各作物的生长阶段进行累加，获得不同生长阶段的土壤水资源量，这样得到的结果包括两个部分，即：年土壤水资源总量和土壤水资源的年内分配。 2.3太行山土壤水资源计算分区及计算单元 土壤水资源分区是土壤水资源评价的基础。根据土壤类型分布及其性状等，同时采用有关专题分区结果确定河北省太行山土壤水资源分区。即太行山土壤水资源分区共划分为一个一级区，两个二级区，三个三级区。（见表2-1）。在三级分区的基础上，以县为单位，根据五种土壤质地（砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土）划分计算单元。 太行山区土壤分区

13、表                                                  

14、0;                                               表2-1   

15、0;                                    2.4太行山区土壤水资源评价层确定 太行山区土层薄且砾石含量多，因此评价层确定为整个土层。由于山区土层厚度差异非常大，因此我们把太行山区不同土质土层厚度划分为四个范围,分别为

16、>100cm、55-100cm、30-55cm、<=30cm，并计算位于不同土层范围内各计算单元土层厚度加权平均值，作为该范围内的评价层厚度。 2.5典型区土壤水资源模型参数率定 选用各试验站八十年代以来的实测及调查的降水、径流、土壤含水量、灌溉水量资料，分别建立各典型区土壤水资源数量计算模型，进行模型参数率定和检验。 2.5.1入渗能力率定 包气带日入渗能力FM主要结合各典型区逐年的地表径流量资料进行率定。率定得到的包气带日入渗能力FM随土质不同变化较大，砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土的FM分别为50mm/d、45mm/d、40mm/d、35mm/d、30mm/d。 2.5.2

17、蒸发损失系数K率定 蒸发损失系数K与日蒸发能力和土壤水含量有关，由于两影响因素均具有年变化规律，故率定k值时，按月采用同值进行率定。 率定得到的各月蒸发损失系数k为多年平均值，综合反映了气象因素和土壤含水量的影响。比较各典型区率定得到的蒸发损失系数，代表不同土质各分区的率定k值，基本差别不大，因此，推广到土壤水资源计算单元时，同土层不同质地可采用同一k值，作为模型初始试算值。见表2-2                  

18、60;               土壤水资源计算分区不同土层蒸发衰减系k值表                                

19、0;    2.6水分常数的确定 计算土壤水资源量必须首先确定田间持水量（c(z)）、凋萎含水量wp(z)两个基本土壤水分常数。 经过收集整理河北省山区不同土壤质地代表点两个基本土壤水分常数的有关资料，然后根据土壤计算单元的质地及邻近代表点相应质地，确定该土壤水资源计算单元两个基本土壤水分常数的采用值。见表2-3 太行区各分区土壤水分常数表                    

20、;                                                  

21、;             表2-3                                      

22、;   3.河北省太行山区土壤水资源量计算 利用山区土壤水资源模型计算，在电子表格中分别输入分区计算单元日降雨过程资料和日水面蒸发量，并根据各因子，利用建立的土壤水资源量（mm）、无效降水量、产生径流量(mm)公式进行计算。 河北省太行山区耕地总面积为4473.15km2。经计算1980-2000年土壤水资源总量为312.360亿m3；土壤水资源评价区降水总量为508.295亿m3；无效降水总量为27.908亿m3；径流总量168.027亿m3。土壤水资源量、径流量分别占评价区降水量的61.45%和33.05%。 说明土壤水资源的总量比地表水与地下水之和还要多。正是因为有了

23、土壤水资源的存在，才满足了作物生长发育的大部分需水要求，占太行山区耕地80%以上的旱地农作物，完全靠土壤水生长发育，而且土壤水是农、林、牧业和陆地生态环境最重要的水资源。土壤水资源实际上在很大程度上对地表淡水和地下淡水的使用起到了很大的替代作用。 3.1土壤水空间变化规律 由图3-1可看出，1980-2000年太行山耕地土壤水资源量与迳流量变化幅度与土层厚度关系密切,土层越薄土壤水资源量与迳流量变化幅度越小,产生迳流量越大,土层越厚土壤水资源量与迳流量变化幅度越大,产生迳流量越小，可见土层厚度是决定土壤蓄水能力的主要因素。由于不同土质土壤储水能力不同，因此在同一土层厚度范围内各土质土壤水资源变

24、化规律不同，表现为砂土>砂壤土>壤土>粘壤土>粘土。                                  太行山行政分区多年平均土壤水资源量表 表3-1        &#

25、160;                                                          表3-1可以看出太行山区耕地多年平均土壤水比较丰富的地区为永年、井陉矿区，土壤水资源量达到400mm以上；而涉县、赞皇、行唐、涞水土壤水资源量比较少年平均量在300mm以下。 3.2壤水时间变化规律 经过不同质地典型单元丰、平、枯三个典型年进行逐月土壤储水量初步分析，不同土质土壤典型年土壤储水量年内变化有如下规律：土质为砂土时，各典型年1-5月份储水量基本一致，6-12月份储水量丰水年>平水年>枯水年;土质为其它类型时