第44卷第4期2013年2月人民长江Yangtze River Vol．44，No．4Feb．，2013收稿日期：2012－12－03作者简介：杜志达，男，教授，研究方向为土壤水动力学与节水灌溉。
E －mail :duzhida@dlut．edu．cn文章编号：1001－4179（2013）04－0081－05地下水埋深较大条件下农田深层渗漏模拟研究杜志达1，邵龙潭2（1．大连理工大学水利工程学院，辽宁大连116024；2．大连理工大学工程力学系，辽宁大连116024）摘要：为了能够在设计灌溉制度时充分考虑深层渗漏的影响，以辽宁大连地区地下水埋深比较大的农田玉米种植为例，采用VADOSE /W 程序建立一维有限元模型，在对多年长系列气象资料进行分析的基础上，对枯水年、中水年和丰水年3种典型年在雨养、喷灌、畦灌条件下农田土壤水分的变化过程进行了长历时的模拟，并与实测值进行对比，以分析深层渗漏的产生规律。
结果表明，在地下水埋深较大的情况下，深层渗漏占有效降雨与灌溉水量的比例，雨养条件下小于5%，喷灌条件下为5% 9%，畦灌条件下为7% 13%;70% 95%的深层渗漏由灌溉引起;13% 28%的有效灌溉水量会转化为深层渗漏。
在设计灌溉制度时，深层渗漏的影响不容忽视。
关键词：深层渗漏;灌溉;数值模拟;玉米种植;水量平衡中图法分类号：S157文献标志码：A深层渗漏是作物根区底部向下运移的水分通量，在利用根区水量平衡模型进行灌溉制度设计或评价时，一般假定深层渗漏为零［1］。
研究表明，在地下水埋深较大的情况下，农田的深层渗漏不可避免［2，3］。
在设计灌溉制度时，完全忽略深层渗漏是不合理的，因此有必要对地下水埋深较大条件下农田深层渗漏的产生规律进行深入研究。
农田的深层渗漏很难直接测量，通常采用的研究方法是数值模拟［4］。
以Richards 方程为基础的土壤水动力学模型，可以模拟土壤剖面任一深度的含水量和水分通量的变化过程，是进行深层渗漏模拟通常采用的数值模型［5－8］。
本文对多年长系列水文气象资料进行分析，选取并构建了年降水保证率P =75%（枯水年）、P =50%（中水年）、P =25%（丰水年）3种典型年，以辽宁大连地区地下水埋深较大的农田玉米种植为例，采用VADOSE /W 程序建立一维有限元模型，对3种典型年在雨养、喷灌、畦灌条件下农田土壤水分的变化过程进行长历时的模拟，分析深层渗漏的产生规律，希望为类似条件下的节水灌溉设计提供参考。
1试区概况研究选取的试区为位于北纬38ʎ59'50ᵡ，东经121ʎ24'30ᵡ的辽宁省大连市营城子地区。
该试区地处辽东半岛南端，东临黄海，属于沿海低台地，海拔15 30m ，地下水埋深10 15m 。
试区内土壤属于耕型黄土状棕壤，成土母质为第四纪黄土状物质，土体深厚，质地均一，除耕层外，土体中很少见到砾石和粗砂，土壤质地为中壤或重壤。
试区所处地区属暖温带湿润、半湿润大陆性季风气候，四季分明，气候温和，降雨集中，季风明显，表现出一定的海洋性气候特点。
试区内主要农作物为玉米，地层、气候等自然状况具有非常强的代表性。
2模型简介研究主要考虑地势较为平坦的大面积农田，由于试区所在地区降雨量偏低，农田基本不会出现地表产流现象，在地下水埋深较大的情况下，农作物根区侧向流动过程不是十分重要，因此可以建立一维模型进行模拟分析。
可供选择的模型很多，常见的一维模型包括GLEAMS ，HYDRUS _1D ，LEACHM ，Soilcover ，SHAW ，SWIM ，UNSAT －H ，SWAP ，WAVE ，WAVES 等，二维模型包括HYDRUS －2D ，SEEP /W ，SWMS －2D ，VA-DOSE /W ，VS2DTI 等［9］。
这些模型都可用于进行一维人民长江2013年的模拟分析计算。
有些研究者根据实测值对HYDRUS、UNSAT－H、VADOSE/W和LEACHM等模型的水量平衡模拟精度进行了分析比较［10－15］。
这些研究的普遍结论是，各种模型都能很好地模拟水量平衡各项参数的总体变化过程和趋势，在众多影响因素中，地表产流容易产生更大的误差，从而对深层渗漏等其他参数的模拟精度造成不利影响。
但从这些研究中目前尚难以得出哪种模型更为优越的结论。
本文选择VADOSE/W作为研究使用的模型。
该模型由GEO－SLOPE公司开发，能够进行水分运动和热传递的耦合分析，满足该研究进行农田长历时土壤剖面水分变化模拟的要求，同时，该程序可以随时中止计算，提取中间结果进行分析，在修改参数后仍可从中断点继续进行计算，这为根据土壤水分状况进行实时控制灌溉的模拟提供了很大的方便。
3模型构建3．1区域离散与边界条件VADOSE/W为二维模型，本文采用单列单元模型模拟一维流动的情况。
模型深度16m，土壤分为耕层和基层两层，单元宽度20cm，地表下2m范围单元高度为5cm，2 16m共50个单元，单元高度从5cm渐变到35cm，地下水深度为15m，模拟过程中保持水位恒定。
模型上部边界为气象边界，0 100cm范围为能够施加气候边界条件的表层单元，植物实际蒸发将分配到当时根系深度范围内的各个结点中，成为这些结点的源汇项。
3．2参数设置基于土水特性曲线（SWCC）和非饱和土壤导水率曲线，使用Van Genuchten－Mualem构建如下关系方程［16－17］：θ=θr+θs－θr［1+（ah）n］m（1）k（h）=Ks （Se）0．5［1－（1－S1/me）m］2（2）Se=θ－θrθs－θr（3）式中，θ为土壤含水量；h为吸力值，kPa；θr为残余含水量；θs为饱和含水量；S e为饱和度；K s为饱和渗透系数；α为进气参数；n为空隙尺寸分布参数、m=1－1/n。
根据实测数据和配线结果，土壤各项特性参数见表1。
大连地区玉米整个生育期从播种计约145d。
根据中国东北地区一般种植条件下的实测数据以及叶面积指数与积温之间的关系模型［18］，推求出叶面积指数曲线用于模拟。
玉米根系几乎全部集中在1m深的土层内，超过1m的根系所占比重非常小［19］。
因此，模型中设定的气候边界影响到的根层深度为1m。
根系伸展深度的生长变化过程采用如下经验公式［20］：Rt=－0．6389+0．9742Jd（4）式中，R t为根系深度，cm；J d为播种后的天数，d。
根系吸水限制函数PML，根据EHler和Van Ge-nuchten的研究［21－22］，采用如下形式：PML=［1/（1+h/0．43）3］（5）式中，h为吸力值，MPa。
表1土壤特性参数土层深度/cm土壤持水量/（cm3·cm－3）干密度/（g·cm－3）θs/（g·cm－3）θr/（g·cm－3）a/（1·cm－1）nK s/（cm·s－1）耕层0 300．221．250．520．0010．10681．7196．60ˑ10－4基层＞300．291．430．460．0010．10701．7502．43ˑ10－4试区多年长系列实测气象资料可通过中国气象科学数据共享服务网免费下载，目前可以得到大连地区1904 1950年逐月统计的气象资料以及1951 2011年逐日统计的气象资料。
逐日气象资料包括每日的最高气温、最低气温、平均相对湿度、最低相对湿度、平均风速、降雨量、蒸发量、日照时数、水汽压等。
净辐射值可根据上述气象数据采用［23］FAO－56中推荐的方法计算获得。
3．3典型年分析对1904 2011年实测年降雨量进行频率分析，采用皮尔逊型Ⅲ型曲线进行配线，得到丰水年、中水年和枯水年相对应的年降雨量，分别为718．7，591mm和476mm。
由于各种实测气象资料的逐日分布过程在年际之间存在非常大的差异，如果直接使用年降雨量与各水平年设计值接近年份的实测资料进行模拟，模拟结果在各水平年之间难以比较分析。
因此，本研究选取各月降雨量与多年平均值最为接近的1971年作为典型年，丰水年、中水年和枯水年的日降水分布统一采用1971年的日降雨分布，日降雨量根据1971年的年降雨量711．3mm和各水平年的年降雨量设计值进行同比例缩放。
模拟中需要的其他气象资料均采用1971年的实测值。
3．4初始值条件为了使初始值更接近实际，首先用程序给出的方法按地下水位估算初始值对1970年进行模拟，其他模拟过程则全部采用1970年12月31日的模拟结果作为初始值。
28第4期杜志达，等：地下水埋深较大条件下农田深层渗漏模拟研究3．5模型验证2009年5 9月，选择面积约1000m2的地块，按照实际降雨和灌溉过程模拟土壤水分变化，同时实测1m根层范围土壤含水量，测试模型模拟精度。
共实测了9次含水量分布，每次实测都随机均匀布置12个测点，用直径4cm的土钻，在各点1m深度范围内以5cm的层厚逐层钻取土样，在每层土样中部取土，用烘干法测量含水量。
土壤贮水量模拟值和实测值的变化规律比较一致。
80cm和100cm根区模拟值与实测值的最大相对误差分别为29．7%和19．7%，发生在6月末至7月初根层土壤比较干燥的时段，其他时段的误差基本都小于10%。
大连气象站的位置距测试地块约25km，两地气象数据存在差异是模拟产生误差的主要原因。
考虑到研究目的是探讨整个地区的总体规律，所以认为模型的模拟精度在可接受的范围内。
4不同灌溉条件3种水平年模拟采用前述模型，对3种典型年在雨养、喷灌、畦灌条件下农田土壤水分的变化过程进行长历时的模拟，分析深层渗漏的产生规律。
降雨考虑玉米冠层截留的损失，按照康绍忠等介绍的方法计算有效降雨量输入［20］，灌溉水量为完全渗入土壤的有效水量。
喷灌的灌水时间和每次灌水量按照根区土壤平均含水量实时控制，根据玉米在整个生长期各阶段适宜的土壤相对含水量［24］制定含水量控制标准，在4月25日实施播种前的首次喷灌，之后每隔一段时间即中止计算，提取该时段内根区含水量分布数据，计算各天计划湿润层的平均含水量，找出上一次喷灌后最早满足喷灌条件（计划湿润层平均含水量低于最低含水量标准）的具体日期，如果接下来的5 7d没有超过10 mm的降雨过程，就在该日期的后一天实施喷灌，喷灌水量按计划湿润层从当前含水量增加到田间持水量计算。
喷灌时间和水量确定后，修改模型中原有的降雨过程，在确定的喷灌日加入喷灌水量，然后以前一天模拟数据为初始值继续进行计算。
重复如上过程，即得到各水平年应当进行喷灌的时间和每次灌溉水量。
畦灌采取相对固定的灌溉制度，在4月中旬播种前、5月中旬拔节孕穗期和6月中旬抽雄开花期各灌水1次，每次灌水定额135mm。
5模拟结果各种条件下，1m根区水量平衡模拟结果的年度值统计如表2所示，1m根区底部深层渗漏的各月模拟结果见表3。
