摘要:本文在論述山區(qū)土壤水資源量計(jì)算模型的基礎(chǔ)上，以河北省太行山區(qū)為研究對(duì)象，初步計(jì)算太行山區(qū)耕地1980-2000年21年間最小產(chǎn)生的土壤水資源總量為312.6億m3,土壤水資源量平均深度為349mm。土壤水資源量、徑流量分別占評(píng)價(jià)區(qū)降水量的61.45%和33.05%。通過計(jì)算分析得出土壤厚度是決定土壤蓄水能力的主要因素。由于不同土質(zhì)土壤儲(chǔ)水能力不同，因此在同一土層厚度范圍內(nèi)各土質(zhì)土壤水資源變化規(guī)律不同，表現(xiàn)為砂土>砂壤土>壤土>粘壤土>粘土。同時(shí)。土壤水資源量的年內(nèi)分配規(guī)律表現(xiàn)為土壤水資源量與降水量年內(nèi)分配同頻率。握了上述規(guī)律，有效調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，開展農(nóng)業(yè)節(jié)水措施是十分必要的。
　　關(guān)健詞：土壤水資源量,計(jì)算模型,太行山,分配規(guī)律,種植結(jié)構(gòu)
　　
　　1前言
　　土壤水是地球水體的重要組成部分之一。陸地上植被和作物所利用的水分主要是從土壤中直接吸取的。它影響著農(nóng)作物生長(zhǎng)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)以及水資源的合理分配與高效利用。因此提出一套適合不同分區(qū)、不同土質(zhì)的土壤水資源的計(jì)算方法，了解河北山區(qū)土壤水資源分布時(shí)空規(guī)律與土壤蓄水量的評(píng)估對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)乃至整個(gè)山區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展都具有重要意義。
　　2土壤水資源評(píng)價(jià)模型             

                                   
　　土壤水資源計(jì)算模型的目的是摸清現(xiàn)狀我省山區(qū)土壤分區(qū)和土地利用條件下土壤水資源的分布規(guī)律，為今后我省改進(jìn)耕作方式、調(diào)整農(nóng)村產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，高效利用土壤水提供基本依據(jù)。并以此為目的，研究天然條件下土壤水資源的時(shí)空變化規(guī)律，分析在天然條件下可以得到補(bǔ)充，并且對(duì)作物有效的那一部分水量是本模型建立的基礎(chǔ)。因而在評(píng)價(jià)土壤水資源時(shí)不考慮灌溉水。
　　物理模型基礎(chǔ)

                                                    
　　范如華先生認(rèn)為：降雨補(bǔ)給土壤水，其過程如圖2-2示，是由土層上部達(dá)飽和含水量后逐漸下移，最后使土壤包氣帶達(dá)田間最大持水量后暫時(shí)平衡，這就是依靠土壤毛管力支持的懸著毛管水，可供作物根系吸收和棵間蒸發(fā)的雨水。
　　2.1模型建立的幾個(gè)基本假定
　　本次模型建立是研究大范圍內(nèi)的土壤水資源轉(zhuǎn)化規(guī)律，考慮到降雨與下墊面條件的空間變異復(fù)雜，因此對(duì)模型進(jìn)行假設(shè)概化。
　　2.1.1研究的狀態(tài)是一種假定的理想狀態(tài)。土壤水分的上行消耗為裸地的蒸發(fā)，而不考慮植物蒸發(fā)。得到的結(jié)果是一個(gè)潛在的最小土壤水資源量，從而根據(jù)河北省太行山區(qū)最少能產(chǎn)生土壤水資源的數(shù)量，達(dá)到合理利用有限的土壤水資源，指導(dǎo)土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整和生產(chǎn)的目的。
　　2.1.2評(píng)價(jià)層內(nèi)土壤為均質(zhì)土壤
　　2.1.3采用的五種土壤質(zhì)地類型（砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土），就某一種土壤質(zhì)地而言，土壤調(diào)蓄能力（儲(chǔ)水、入滲等特性）完全相同；
　　2.1.4年降雨及年內(nèi)分布決定了土壤水資源的狀況，因此采用降雨的頻率分析土壤水資源的頻率（程伍群）；
　　2.2.土壤水資源量模型確定

                                                          
　　本模型采用補(bǔ)給法計(jì)算土壤水資源，從土壤水資源可利用角度出發(fā)，利用含水量變化過程來(lái)推算土壤水資源量，不僅包含了本年降水的有效補(bǔ)給數(shù)量，由于年初土壤含水量是上一年土壤蓄水量的反映，因而使計(jì)算的土壤含水量，更接近本年的實(shí)際土壤水資源可利用量，較好地說(shuō)明水分循環(huán)和水量平衡的全過程。
　　對(duì)于一個(gè)研究單元，確定的土壤水資源評(píng)價(jià)模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（1）
　　其中：
　　——一次降雨產(chǎn)生的土壤水資源量；
　　——日降水量
　　——凝結(jié)水量；
　　——為入滲到評(píng)價(jià)層以下的水量；
　　——無(wú)效降水量；
　　——雨期蒸發(fā)量；
　　——為潛水蒸發(fā)量；
　　——可以通過不同坡度、土層厚度的降雨徑流關(guān)系確定。
　　其中：
　　1、（凝結(jié)水量），經(jīng)試驗(yàn)證明，該值的總量較大，但平均每天的數(shù)量較小，在轉(zhuǎn)化為土壤水之前主要用于蒸發(fā)，對(duì)土壤水資源量的影響不大，因此忽略不計(jì)；
　　2、(無(wú)效降雨量)，當(dāng)本日有降水時(shí)，根據(jù)降水歷時(shí)t和當(dāng)日蒸散發(fā)能力計(jì)算無(wú)效降水量。即＝/24×t采用氣象學(xué)方法計(jì)算，或采用E601蒸發(fā)皿折算。）
　　3、（雨期蒸發(fā)量），由于雨期的濕度大，溫度偏低，蒸發(fā)非常小，因此忽略不計(jì)；
　　4、（潛水蒸發(fā)量），河北省太行山區(qū)地下水位較深（＞30m），并有巖石不透水層隔離，因此可以忽略不計(jì)，對(duì)于山區(qū)丘可以認(rèn)為該值為零；
　　因此：
　　式（1）簡(jiǎn)化為：
　　（2）
　　在山丘區(qū)一般情況下，與最終流出評(píng)價(jià)層，不參與土壤水資源評(píng)價(jià)，因此，把、統(tǒng)稱為徑流（）。
　　因此得出：
　　（3）
　　假定評(píng)價(jià)層深度內(nèi)田間持水量為Wmax（mm），田間調(diào)萎含水量為W0（mm）其中
　　（4）
　　（5）
　　徑流量是區(qū)域降水特征和下墊面特征相互作用的產(chǎn)物。由于包氣帶的土壤組成、水分動(dòng)態(tài)的變化等因素的差異，造成產(chǎn)流機(jī)制不同。主要包括兩種基本的產(chǎn)流機(jī)制，即超滲產(chǎn)流與蓄滿產(chǎn)流。由于河北省太行山區(qū)土壤砂性顆粒含量高,降水特點(diǎn)為雨強(qiáng)大,歷時(shí)短，主要以超滲產(chǎn)流為主；又因?yàn)樵摰赝翆颖?降水到一定程度又容易蓄滿。因此，為了提高土壤水資源量計(jì)算精度，本模型徑流量計(jì)算同時(shí)考慮超滲、蓄滿兩種產(chǎn)流機(jī)制。
　　對(duì)于每一種類型土質(zhì)土壤，設(shè)置一個(gè)包氣帶日入滲能力FM，當(dāng)（P－Pw（無(wú)效降水））大于FM時(shí)，超過部分產(chǎn)生徑流R超。即：
　　當(dāng)P－Pw>FM時(shí)
　　R超=P－Pw－FM
　　當(dāng)P－Pw≤FM時(shí)
　　R超=0
　　如果單次降雨量、無(wú)效降水量、計(jì)算超滲產(chǎn)流量之差大于土壤田間持水量與起始含水量（W’）的差，則，如果單次有效降雨量小于土壤田間持水量與起始含水量的差，則。
　　該值計(jì)算過程中需要確定降雨開始時(shí)的土壤實(shí)際平均含水量W/，需要通過的推求關(guān)系確定。計(jì)算公式為：
　　（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日的蒸發(fā)量；
　　——為土壤濕度系數(shù)；
　　——為水面蒸發(fā)量；
　　——為土壤蒸發(fā)量與水面蒸發(fā)量的折減系數(shù)；
　　將各次降雨轉(zhuǎn)化而成的土壤水資源量累加，就可以得到一年內(nèi)的土壤水資源量。對(duì)于一年，可以表示為：
　　（9）
　　該值的計(jì)算可以的按日進(jìn)行全年累計(jì)，獲得全年的土壤水資源量，也可以對(duì)各作物的生長(zhǎng)階段進(jìn)行累加，獲得不同生長(zhǎng)階段的土壤水資源量，這樣得到的結(jié)果包括兩個(gè)部分，即：年土壤水資源總量和土壤水資源的年內(nèi)分配。
　　2.3．太行山土壤水資源計(jì)算分區(qū)及計(jì)算單元
　　土壤水資源分區(qū)是土壤水資源評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)。根據(jù)土壤類型分布及其性狀等，同時(shí)采用有關(guān)專題分區(qū)結(jié)果確定河北省太行山土壤水資源分區(qū)。即太行山土壤水資源分區(qū)共劃分為一個(gè)一級(jí)區(qū)，兩個(gè)二級(jí)區(qū)，三個(gè)三級(jí)區(qū)。（見表2-1）。在三級(jí)分區(qū)的基礎(chǔ)上，以縣為單位，根據(jù)五種土壤質(zhì)地（砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土）劃分計(jì)算單元。
　　太行山區(qū)土壤分區(qū)表
　　                                                                                                 表2-1

                                      
　　　　2.4太行山區(qū)土壤水資源評(píng)價(jià)層確定
　　太行山區(qū)土層薄且礫石含量多，因此評(píng)價(jià)層確定為整個(gè)土層。由于山區(qū)土層厚度差異非常大，因此我們把太行山區(qū)不同土質(zhì)土層厚度劃分為四個(gè)范圍,分別為>100cm、55-100cm、30-55cm、<=30cm，并計(jì)算位于不同土層范圍內(nèi)各計(jì)算單元土層厚度加權(quán)平均值，作為該范圍內(nèi)的評(píng)價(jià)層厚度。
　　2.5典型區(qū)土壤水資源模型參數(shù)率定
　　選用各試驗(yàn)站八十年代以來(lái)的實(shí)測(cè)及調(diào)查的降水、徑流、土壤含水量、灌溉水量資料，分別建立各典型區(qū)土壤水資源數(shù)量計(jì)算模型，進(jìn)行模型參數(shù)率定和檢驗(yàn)。
　　2.5.1入滲能力率定
　　包氣帶日入滲能力FM主要結(jié)合各典型區(qū)逐年的地表徑流量資料進(jìn)行率定。率定得到的包氣帶日入滲能力FM隨土質(zhì)不同變化較大，砂土、砂壤土、壤土、粘壤土、粘土的FM分別為50mm/d、45mm/d、40mm/d、35mm/d、30mm/d。
　　2.5.2蒸發(fā)損失系數(shù)K率定
　　蒸發(fā)損失系數(shù)K與日蒸發(fā)能力和土壤水含量有關(guān)，由于兩影響因素均具有年變化規(guī)律，故率定k值時(shí)，按月采用同值進(jìn)行率定。
　　率定得到的各月蒸發(fā)損失系數(shù)k為多年平均值，綜合反映了氣象因素和土壤含水量的影響。比較各典型區(qū)率定得到的蒸發(fā)損失系數(shù)，代表不同土質(zhì)各分區(qū)的率定k值，基本差別不大，因此，推廣到土壤水資源計(jì)算單元時(shí)，同土層不同質(zhì)地可采用同一k值，作為模型初始試算值。見表2-2
　　
　　                                 土壤水資源計(jì)算分區(qū)不同土層蒸發(fā)衰減系k值表
　　                                    　　
　　2.6水分常數(shù)的確定
　　計(jì)算土壤水資源量必須首先確定田間持水量（θc(z)）、凋萎含水量θwp(z)兩個(gè)基本土壤水分常數(shù)。
　　經(jīng)過收集整理河北省山區(qū)不同土壤質(zhì)地代表點(diǎn)兩個(gè)基本土壤水分常數(shù)的有關(guān)資料，然后根據(jù)土壤計(jì)算單元的質(zhì)地及鄰近代表點(diǎn)相應(yīng)質(zhì)地，確定該土壤水資源計(jì)算單元兩個(gè)基本土壤水分常數(shù)的采用值。見表2-3
　　太行區(qū)各分區(qū)土壤水分常數(shù)表
　　                                                                                  表2-3

                                       
　　　　3.河北省太行山區(qū)土壤水資源量計(jì)算
　　利用山區(qū)土壤水資源模型計(jì)算，在電子表格中分別輸入分區(qū)計(jì)算單元日降雨過程資料和日水面蒸發(fā)量，并根據(jù)各因子，利用建立的土壤水資源量（mm）、無(wú)效降水量、產(chǎn)生徑流量(mm)公式進(jìn)行計(jì)算。
　　河北省太行山區(qū)耕地總面積為4473.15km2。經(jīng)計(jì)算1980-2000年土壤水資源總量為312.360億m3；土壤水資源評(píng)價(jià)區(qū)降水總量為508.295億m3；無(wú)效降水總量為27.908億m3；徑流總量168.027億m3。土壤水資源量、徑流量分別占評(píng)價(jià)區(qū)降水量的61.45%和33.05%。
　　說(shuō)明土壤水資源的總量比地表水與地下水之和還要多。正是因?yàn)橛辛送寥浪�資源的存在，才滿足了作物生長(zhǎng)發(fā)育的大部分需水要求，占太行山區(qū)耕地80%以上的旱地農(nóng)作物，完全靠土壤水生長(zhǎng)發(fā)育，而且土壤水是農(nóng)、林、牧業(yè)和陸地生態(tài)環(huán)境最重要的水資源。土壤水資源實(shí)際上在很大程度上對(duì)地表淡水和地下淡水的使用起到了很大的替代作用。
　　3.1土壤水空間變化規(guī)律
　　由圖3-1可看出，1980-2000年太行山耕地土壤水資源量與逕流量變化幅度與土層厚度關(guān)系密切,土層越薄土壤水資源量與逕流量變化幅度越小,產(chǎn)生逕流量越大,土層越厚土壤水資源量與逕流量變化幅度越大,產(chǎn)生逕流量越小，可見土層厚度是決定土壤蓄水能力的主要因素。由于不同土質(zhì)土壤儲(chǔ)水能力不同，因此在同一土層厚度范圍內(nèi)各土質(zhì)土壤水資源變化規(guī)律不同，表現(xiàn)為砂土>砂壤土>壤土>粘壤土>粘土。
　　                                
　　
　　太行山行政分區(qū)多年平均土壤水資源量表
　　表3-1              

                   　　　　表3-1可以看出太行山區(qū)耕地多年平均土壤水比較豐富的地區(qū)為永年、井陘礦區(qū)，土壤水資源量達(dá)到400mm以上；而涉縣、贊皇、行唐、淶水土壤水資源量比較少年平均量在300mm以下。
　　3.2壤水時(shí)間變化規(guī)律
　　經(jīng)過不同質(zhì)地典型單元豐、平、枯三個(gè)典型年進(jìn)行逐月土壤儲(chǔ)水量初步分析，不同土質(zhì)土壤典型年土壤儲(chǔ)水量年內(nèi)變化有如下規(guī)律：土質(zhì)為砂土?xí)r，各典型年1-5月份儲(chǔ)水量基本一致，6-12月份儲(chǔ)水量豐水年>平水年>枯水年;土質(zhì)為其它類型時(shí)，1-5月份豐水年與平水年儲(chǔ)水量基本一致，枯水年則比豐、平水年偏小較多，6-12月份儲(chǔ)水量仍有豐水年>平水年>枯水年的規(guī)律。同時(shí)。土壤水資源量的年內(nèi)分配規(guī)律表現(xiàn)為土壤水資源量與降水量年內(nèi)分配同頻率。
　　4．土壤水巨大的開發(fā)利用潛力
　　土壤水資源被使用則對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量改善發(fā)揮作用。如果不被農(nóng)作物、喬灌草所使用，則土壤水也同樣通過蒸發(fā)作用白白消耗掉。所以，科學(xué)使用土壤水資源是節(jié)約水資源，發(fā)揮土壤水對(duì)地表水和地下水資源替代作用的最有效措施。
　　太行山區(qū)多年平均降水量為556mm，平均土壤水資源量為349mm，大氣降水轉(zhuǎn)化為土壤水的比例達(dá)62.8%。說(shuō)明土壤水資源十分豐富。但土壤水不能長(zhǎng)期儲(chǔ)存，隨每次降水量和降水頻率而增大，降水后如得不到使用，又因土壤水的蒸發(fā)而逐漸減少，土壤水資源處于不斷的動(dòng)態(tài)變化之中。冬春季降水總量少，降水頻率低，所以，土壤水也較少，掌握了上述規(guī)律，有效調(diào)整農(nóng)作物種植結(jié)構(gòu)，降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，節(jié)約了水資源，大幅度提高了單位土地耕地面積的產(chǎn)量。
　　在年土壤水資源量達(dá)到350~400mm以上的區(qū)域，遵循降水和土壤水季節(jié)變化的規(guī)律，使各個(gè)區(qū)域的農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和作物的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和土壤水最優(yōu)的周期相適應(yīng)，即增加適水性作物的種植面積，減少非適水的作物的種植面積，充分發(fā)揮土壤水資源潛力，這樣，既可以減少灌溉成本，又可達(dá)到成倍地提高水分生產(chǎn)率和農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量的目的。針對(duì)我省太行山地區(qū)的實(shí)際情況說(shuō)，增加夏種秋收的棉花和雜糧的種植面積，減少冬小麥的種植面積，就能達(dá)到充分有效地利用土壤水，使土壤水資源潛力得到最大限度的發(fā)揮，減少灌溉用水量，緩解水資源供水矛盾的目的。
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