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user: 2. 土壤墒情监测与预报 墒情监测是农田用水和区域水资源管理的一项基础工作，对于农田灌溉的合理实施和提高水资源的利用率等有重要作用。墒情预报主要是田间含水率的预报。 2.1. 墒情监测站网 邯郸水文水资源勘测局于2002年9月开始墒情监测，全市共设有18处墒情监测站。表1为邯郸市墒情监测站网统计表。 2.2. 墒情监测要素 气象条件、土壤的物理特性及土壤水分状态、浅层地下水、作物种类及生长发育状况是墒情和旱情监测的四大要素 [ 1 ] 。 Table 1 Statistical table of soil moisture monitoring station network in Handan cit 序号 名称 监测地块位置 土壤类型 田间持水率(%) 干容重(g/cm 3 ) 1 曲周 曲周县城关镇陈庄村西南500 m 粘土 40.0 1.4 2 小寨 鸡泽县小寨镇小寨村北100 m 砂土 34.0 1.4 3 魏县 魏县城关镇气象局西50 m 壤土 36.3 1.4 4 蔡小庄 魏县蔡小庄水文站南700 m 壤土 34.5 1.5 5 平固店 广平县平固店镇平固店中学南30 m 壤土 37.7 1.4 6 魏僧寨 馆陶县魏僧寨镇魏增寨村东300 m 壤土 35.0 1.4 7 辛安镇 肥乡县辛安镇乡辛安镇村北1500 m 壤土 38.3 1.4 8 何横城 成安县商城镇何横城村北100 m 壤土 35.0 1.3 9 龙王庙 大名县龙王庙镇龙王庙村东300 m 壤土 42.3 1.4 10 杨桥 大名县杨桥镇杨桥村西300 m 粘土 45.5 1.4 11 临漳 成安县辛义乡徐村村南500 m 壤土 37.2 1.4 12 刘家庄 涉县石门乡新桥村南500 m 壤土 40.9 1.4 13 匡门口 涉县西达镇林旺村东200 m 壤土 37.0 1.4 14 观台 磁县观台水文站北60 m 壤土 36.8 1.4 15 大马堡 邱县邱城镇大马堡村北500 m 壤土 35.0 1.4 16 徘徊 武安市徘徊镇徘徊村东200 m 壤土 33.0 1.3 17 张庄桥 邯郸市马庄乡张庄桥村东南500 m 壤土 45.0 1.5 18 临洺关 永年县临洺关水文站西2000 m 壤土 34.3 1.4 表1. 邯郸市墒情监测站网统计表 (1) 气象要素。降水量、气温、气压、湿度、风速、水面蒸发量、地温、日照为主要气象观测要素。 把历年的日降水量、日平均气温、最高气温、最低气温、日平均湿度、日最高、最低相对湿度、日平均气压、日平均地温、最高地温、最低地温、日平均风速、日水面蒸发量、日照时数等数据收集整理。除收集气象资料外，墒情监测站点还要时时关注气象部门的对未来天气趋势预报，进一步掌控墒未来天气变化趋势。 (2) 作物生长发育状况及墒情要素。收集国家和地方的墒情监测站点代表区域的作物种植情况，即作物的分布情况、作物的种类及各种作物的所占比重。收集不同作物、不同生长期的适宜土壤含水量资料，其数值一般以土壤相对湿度来表示。收集不同作物不同生长期脱墒(缺水)和受旱的临界含水量资料，记录脱墒和受旱开始的日期、受旱的天数、代表区域干旱程度及干旱的分布情况。记录作物的播种日期、作物生长发育期，观察作物的生长发育状况，同时观测土壤含水量。 记录代表性地块的作物的水分状态，用涝、渍、正常、缺水、受旱等分级表示作物的缺水程度。旱地田间积水时间超过24 h为涝、地下水面达及土壤表层为渍、土壤含水量小于适宜土壤含水量时为缺水、土壤含水量小于凋萎含水量时为受旱。 (3) 土壤的物理特性及土壤含水量。土壤的物理特性由土壤的质地、土壤的结构、土壤的比重、土壤干容重、土壤孔隙度来表达。土壤水分常数是土壤水分特性的重要指标，主要有饱和含水量、田间持水量、凋萎含水量及作物不同生长期适宜的含水量。土壤含水量是墒情和旱情监测的主要指标，土壤水分状态可由重量含水量、体积含水量、土层中的蓄水量和土壤相对湿度四个指标来表达。 2.3. 墒情预报模型 根据该区现有资料情况以及观测方法，采用消退系数法 [ 2 ] 。 消退系数法是根据土壤水垂向变化规律，用水文预报的方法推求逐日土壤消退系数来预测土壤含水量的变化。表层土壤含水量与降水、灌溉、径流、下渗、蒸发等因素关联。概述一次降水过程，降水量为P，产流量为R，初损水量为I，则三者关系为： R = P − I (1) 在降雨初损历时中，表层土壤与地面的水量平衡关系为： I = I m − P a (2) 式中： I m 为流域中的最大亏损，在一定的区域视为固定值； P a 为前期影响雨量。 影响损失的最主要因素是前期影响雨量，当 t i = 1 天，且前后两日晴天无雨时，用下式计算： P a ， t + 1 = K × P a ， t (3) 如果t日有降雨但未产流，则 P a ， t + 1 = K × ( P a ， t + P t ) (4) 式中： P a 为前期影响雨量； P i 为前期降雨量； K 为土壤含水量的日消退系数； t i 为对应于 P i 的前期降雨距本次降雨的时间； P a ， t ， P a ， t + 1 分别为t日和t日后一日的前期影响雨量； P t 为t时刻降水量，mm。当 P a ， t + P t ≥ I m 时，以 I m 值作为 P a 的上限值计算。 根据灌溉及农作物根系分布特征，重点研究深度为敏感层(0~0.2 m)和根系发育层(0~0.5 m)。依照上述降雨径流预报方法，把表示根系发育层土壤水分的量化指标称为墒情指标，则墒情指标计算公式可表示为： θ a ， t + 1 = K t ( θ a ， t + P t + q t ) (5) 式中： θ a ， t + 1 、 θ a ， t 表示为(t + 1)日和t日墒情指数，mm； P t 为第t日的降水量(雨量较小不产流的情况下)； q t 为第t日的灌水量，mm； K t 为第t日的土壤水分消退系数。 根据河北省实验站的实验资料，结合邯郸市墒情监测资料，分别建立了山前平原区和黑龙港平原区相应月份不同深度土壤消退系数，成果列于表2和表3中。 2.4. 土壤墒情预报方法 (1) 土壤含水量计算 [ 3 ] 田间持水量的野外测定法可在长期降水和饱和灌溉后，用地膜或秸杆及土壤覆盖测验地块的表面以防土壤蒸发，用称重烘干法测出其重量含水量和体积含水量。 凋萎含水量的野外观测可在作物发生凋萎的情况发生时去施测。也可以在实验室通过种植实验来测定，即在不大的容器中种植作物，待其根系完全发育时，让其自然消耗土壤中的水分，当叶片发生枯萎时测其土壤含水量。 各种作物的适宜土壤含水量应对不同作物不同生育期进行实验研究来确定，可选用已有的研究成果作为监测点的适宜土壤含水量，以指导灌区科学的用水灌溉。 饱和土壤含水量计算公式为： W b = A − W W − W 环 × 100 % (6) 毛管持水量计算公式为： Table 2 Calculated soil regression coefficients at Heilonggang plai 月份 不同深度土壤消退系数 垂线平均 10 cm 20 cm 50 cm 80 cm 上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬 3 0.983 0.982 0.975 0.988 0.984 0.980 0.993 0.989 0.985 0.998 0.994 0.990 0.987 4 0.968 0.961 0.959 0.976 0.971 0.969 0.981 0.977 0.976 0.986 0.983 0.982 0.974 5 0.957 0.955 0.957 0.967 0.964 0.965 0.975 0.975 0.974 0.980 0.979 0.979 0.969 6 0.959 0.960 0.960 0.967 0.968 0.967 0.973 0.972 0.972 0.979 0.979 0.978 0.970 7 0.959 0.959 0.961 0.966 0.965 0.967 0.973 0.973 0.973 0.977 0.977 0.977 0.969 8 0.963 0.966 0.968 0.968 0.969 0.972 0.974 0.974 0.976 0.978 0.979 0.980 0.972 9 0.970 0.972 0.973 0.974 0.977 0.977 0.977 0.980 0.981 0.982 0.983 0.984 0.978 10 0.974 0.975 0.979 0.978 0.978 0.982 0.982 0.982 0.985 0.985 0.985 0.987 0.981 11 0.983 0.987 0.990 0.985 0.989 0.993 0.988 0.990 0.993 0.989 0.991 0.993 0.989 表2. 黑龙港平原区土壤日消退系数计算成果表 Table 3 Calculated soil regression coefficients at Piedmont plai 月份 不同深度土壤消退系数 垂线平均 10 cm 20 cm 50 cm 80 cm 上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬 上旬 中旬 下旬 3月 0.985 0.980 0.974 0.985 0.982 0.979 0.985 0.986 0.987 0.988 0.989 0.990 0.984 4月 0.970 0.963 0.960 0.976 0.973 0.970 0.988 0.988 0.987 0.991 0.990 0.987 0.979 5月 0.957 0.954 0.955 0.967 0.964 0.966 0.986 0.985 0.984 0.987 0.990 0.988 0.974 6月 0.957 0.958 0.961 0.967 0.969 0.970 0.983 0.983 0.984 0.986 0.986 0.987 0.974 7月 0.964 0.966 0.966 0.971 0.971 0.972 0.985 0.986 0.987 0.988 0.989 0.990 0.978 8月 0.967 0.968 0.971 0.973 0.975 0.977 0.988 0.990 0.990 0.992 0.993 0.992 0.981 9月 0.974 0.978 0.977 0.978 0.980 0.980 0.991 0.991 0.990 0.991 0.991 0.990 0.984 10月 0.975 0.974 0.977 0.980 0.980 0.982 0.989 0.989 0.990 0.989 0.989 0.990 0.984 11月 0.980 0.984 0.986 0.984 0.987 0.989 0.991 0.991 0.991 0.991 0.991 0.991 0.988 表3. 山前平原区土壤消退系数计算成果表 W m = B − W W − W 环 × 100 % (7) 田间持水量计算公式为： W t = C − W W − W 环 × 100 % (8) 式中：A为浸润12 h后环刀 + 湿士重，g；B为在干砂上放置12 h后环刀 + 湿士重，g ；C为在干砂上放置24 h以上后环刀 + 湿士重，g；W为环刀和干土总重，g； W 环 为环刀重，g。 最佳含水量下限% = 田间持水量(%) × 0.7；排水能力 = 最大持水量 − 最小持水量(田间持水量)。 (2) 不同土壤类型的水分常数 各种作物的土壤含水量下限值用土壤相对湿度表示，可取用已有的研究成果。当土壤相对湿度低于下限值时应给予灌溉，当无灌溉时可判断作物缺水，开始出现旱情，影响作物的正常生长。表4为各类土壤水分常数和容量，依次判断作物是否缺水。 (3) 主要农作物适宜土壤含水量 根据邯郸地区农业种植结构，主要以种植冬小麦–夏玉米两熟农作物为主，一季作物以种植棉花为主。不同农作物在不同生长期的适宜土壤含水量见表5。 Table 4 Soil moisture constants and bulk densit 土壤类型 容重(g/cm 3 ) 重量含水量(%) 体积含水量(%) 田间持水量 凋萎含水量 田间持水量 凋萎含水量 砂土 1.60 5.0 2.0 8.0 3.2 壤砂土 1.55 8.0 4.0 12.4 6.2 砂壤土 1.50 14 5.0 21.0 7.5 壤土 1.40 18 8.0 25.2 11.2 粘壤土 1.30 30 22 39.0 28.6 粘土 1.20 40 30 48.0 36.0 表4. 各类土壤水分常数和容重 Table 5 Soil water content suitable for main crop 冬小麦 生育期 播种期 幼苗期 返青期 拔节孕穗期 抽穗扬花期 成熟期 土层深度(cm) 0~20 0~20 0~40 0~80 0~80 0~80 土壤含水量(%) 70~80 65~85 60~80 65~85 60~80 65~80 夏玉米 生育期 播种期 苗期 拔节期 抽穗期 灌浆期 成熟期 土层深度(cm) 0~20 0~40 0~50 0~60 0~80 0~80 土壤含水量(%) 75~85 65~80 70~90 65~90 65~85 60~70 棉花 生育期 苗期 蕾期 花铃期 吐絮期 土层深度(cm) 0~20 0~40 0~60 0~60 土壤含水量(%) 55~60 60~70 70~80 55~70 夏大豆 生育期 播种~分枝 分枝~始花 始花~结荚 结浆~鼓粒 鼓粒~成熟 土层深度(cm) 0~20 0~40 0~60 0~60 0~60 土壤含水量(%) 65~75 70~80 75~85 70~80 70~80 夏花生 生育期 播种~出苗 齐苗~开花 开花~结荚 结荚~成熟 土层深度(cm) 0~20 0~30 0~30 0~30 土壤含水量(%) 60~70 55~70 65~75 60~70 马铃薯 生育期 苗期 现蕾期 块茎形成期 块茎膨大期 成熟期 土层深度(cm) 0~20 0~40 0~40 0~40 0~40 土壤含水量(%) 60~70 70~80 70~80 70~85 60~70 表5. 主要作物适宜土壤含水量范围 (4) 土壤含水量预报模型 根据每旬的土壤墒情日消退系数，可以利用公式，由t日的土壤含水量，预测(t + n)日的土壤含水量。计算公式为 [ 4 ] ： θ a ， t + n = K t n ( θ a ， t + P t + Q t ) (9) 式中： θ a ， t 为第t日墒情指数，mm； θ a ， t + n 为为第(t + n)日墒情指数，mm； P t 为t日的预测降水量，mm； Q t 为t日的灌溉水量，mm； K t 为t日的消退系数，可分时段取不同的K值。 在预测时段内，遇到降水，则要对降水前后段分开计算。如，根据7月21日土壤墒情指标，预测7月28日土壤含水量；在7月25日发生降水，则计算方法为，先计算7月25日降水前5天的土壤含水量，然后根据该时期的土壤含水量和降水量，计算7月28日的土壤含水量。 θ a ， t + 5 = K 1 5 × θ a ， t (10) θ a ， t + 8 = K 2 3 × ( θ a ， t + 5 + P t + 5 ) (11) (5) 灌水时间预测模型 为及时实施灌溉，用灌水时间模型预测旱情发生的时间。根据作物生长需要的最低土壤含水量 θ a ， t + n ，结合t日的土壤含水量 θ a ， t ，如果土壤含水量低于 θ a ， t + n 时，就要及时灌溉。预测灌水时间间隔天数用下式计算： n = lg ( θ a ， t + n ) − lg ( θ a ， t + P t ) lg K t (12) 式中： θ a ， t 为第t日墒情指数，%； θ a ， t + n 为保持作物生长的土壤墒情指数，%； K t 为土壤含水量日消退系数， P t 为第t日的降水量产生的土壤体积含水量，%。 为方便计算，把降水量单位毫米改成体积含水量，用百分数表示。计算土层厚度用h表示，则降雨量的土壤体积含水量计算公式为： P t = P h × 100 % (13) 式中：P为降水量，mm；h为计算土层厚度，mm。 如土层厚度800 mm，时段降水量为8 mm，则该降水量产生的土壤体积含水量为1%。例如：邯郸市南堡乡小北堡村，2012年6月1日实测土壤体积含水量为22.6%，作物处在生长期，要求土壤含水量不低于21%，预测最多等几天必须灌溉？ 实测土壤体积含水量22.6%，6月中旬的土壤日消退系数为0.991，预测土壤体积含水量下降到21%时的时间，求灌溉时间： n = ( lg 0.21 − lg 0.226 ) / lg 0.991 = 8 ( 天 ) (14) 要保持土壤体积含水量不低于21%，最多等8天必须对农田进行灌溉。