魏光辉1，2，马亮1，杨鹏年1
(1.新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆乌鲁木齐830052; 2.新疆塔里木河流域管理局，新疆库尔勒841000)
摘要:以新疆孔雀河流域为例，利用HYDRUS－2D软件对不同地下水位与灌溉定额下的棉花膜下滴灌土壤体积含水率的动态变化进行了模拟.结果表明:当地下水埋深为1.5 m时，地下水对土壤水的顶托作用较强，灌溉定额为3 300 m3/hm2时可使棉花生育期不受水分胁迫;当地下水埋深为2.0 m时，地下水对土壤水的补给能力下降，灌溉调控的作用逐渐加强，灌溉定额为3 900 m3/hm2时属轻度胁迫，对产量影响较小，而灌溉定额为4 500 m3/hm2时，基本不受胁迫，对产量影响极小;当地下水埋深大于2.5 m时，地下水对土壤水的补给作用进一步弱化，灌溉定额为4 500 m3/hm2时属于中度胁迫，会造成一定程度减产.研究结果为指导当地地下水资源开发利用及棉花种植业发展提供了重要参考.
关键词:地下水;土壤水;灌溉定额;棉花; HYDRUS－2D;数值模拟;新疆孔雀河流域
魏光辉，马亮，杨鹏年.地下水位与灌溉定额对棉花土壤水分的动态影响模拟［J］.排灌机械工程学报，2015，34(1):73－80.
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网络出版地址:http:/ /www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20160119.2023.008.html
魏光辉
地下水埋深决定了地下水参与SPAC系统水分运动的程度［1－2］.当地下水埋深较浅时，一方面，地下水通过对土壤水的补给促进作物生长，满足作物的水分需求，减少灌溉用水;另一方面，过高的地下水位将造成大量的地下水补给土壤水从而产生土壤次生盐碱化等环境问题［3－4］.因此，开展地下水－土壤水界面调控研究，使作物在正常生长的情况下既能充分利用地下水，又不会产生不良环境问题，便成为目前亟待解决的问题.
目前，国内外对地下水－土壤水的界面调控研究取得了初步成果.NAMKEN等［5］的研究结果表明，在地下水埋深为0.91，1.83和2.74 m时，棉花总用水量中的54.4%，26.4%和17.3%是由地下水提供的.杨建锋等［6］的研究结果表明，玉米腾发量的15.69%是由地下水所贡献.杨建锋等［7］对夏玉米与冬小麦的研究结果表明，地下水浅埋条件下，地下水和土壤水转化频繁，地下水对土壤水的补给量为89.64 mm，主要发生在冬小麦返青－乳熟期间，土壤水入渗地下水量为55.91 mm，主要发生在夏玉米出苗后至吐丝期间.雷志栋等［8］认为，地下水浅埋时，在大气蒸发和间断降雨作用下，非饱和带和饱和带土壤间发生着双向水量交换，地下水既接受补给又发生消耗.王晓红等［9］以冬小麦为研究对象，发现在不同地下水埋深条件下，作物生长的地下水利用量远远大于裸地地下水利用量.目前，考虑地下水埋深与土壤质地对潜水蒸发影响的研究成果相对较多［10－11］，而关于地下水埋深对作物灌溉制度的影响研究成果则较少.
近年来，棉花膜下滴灌技术在新疆大面积推广应用，并取得了显著的经济效益与社会效益，但其灌溉制度通常参考普通地面灌溉制度，存在着灌溉定额偏大的问题，这一方面会造成水分的深层渗漏，导致水资源无效浪费;另一方面也会造成肥料浪费与地下水环境污染［12］.由于在不同地下水位时，土壤水与地下水的相互作用程度不尽相同，导致棉花所需灌溉水量也各不相同.通过制定科学合理的灌溉制度，发挥地下水对土壤水的调节作用以及作物自身在不同生育阶段的耐旱性，可提高水分利用效率并实现作物稳产、丰产.
由于现行灌溉制度在制定过程中通常不考虑地下水与土壤水的互补效应，鉴于此，文中以新疆孔雀河流域为研究区域，选取当地普遍种植的棉花这种经济作物为研究对象，利用HYDRUS－2D软件对研究区不同地下水位与灌溉定额对棉花土壤含水率的影响开展数值模拟，以期为指导当地地下水资源的开发利用与棉花种植业发展提供参考.
1.1 研究区概况
田间试验在新疆塔里木河流域巴音郭楞管理局水利科研所内进行(86°12'E，41°36'N)，该试验站位于孔雀河流域的库尔勒市西尼尔镇，属暖温带大陆性荒漠气候，降雨稀少而蒸发强烈，多年平均降水量为53.3～62.7 mm，潜在腾发量为2 273～2 788 mm，蒸降比为43.6，年均日照时数为3 036.2 h，年均气温为11.5℃，有效积温为蒸发蒸腾4 121.2℃，无霜期为191 d.
研究区土壤质地为砂壤土，肥力较低.地下水平均埋深为1.2～2.0 m，棉花种植模式采用“一膜一管四行”方式，即地膜覆盖保温保墒、一根滴灌带供水与4行棉花种植，如图1所示.棉花品种为当地普遍种植的新陆中21号，生育期为133～136 d.播种时间为4月中旬，播种方式为干播湿出，灌溉水源为孔雀河地表水，河水矿化度为0.9 g/L，灌溉方式为滴灌，滴头流量为3.2 L/h，滴头间距为30 cm.
图1 棉花种植模式(单位:cm)
Fig.1 Planting mode of cotton(Unit:cm)
1.2 棉花灌溉制度
根据研究区实际调查结果，初步确定棉花膜下滴灌灌溉定额为4 500 m3/hm2，播种时间为4月15日左右，灌溉时间及灌溉定额模比系数b见表1，表中c为灌溉次数.
表1 棉花生育期灌溉制度
Tab.1 Cotton irrigation systems during growth period
c/次 灌溉时间生育期 b/% c/次 灌溉时间生育期 b/% 1 06－108.5 8 08－08花铃期 8.3 2 06－20蕾期8.3 908－16 8.3 3 06－308.3 10 08－248.3 407－088.3 11 08－31吐絮期6.7 5 07－1610.0 1209－075.0 6 07－24花铃期10.0合计100 707－3110.0
1.3 作物蒸腾量确定
由当地气象资料，利用Penman－Monteith公式［13］计算日蒸发量ET0.此外，结合实测土壤蒸发量，确定研究区腾发量变化过程，见表2，表中tc为持续时间，E为膜外土壤蒸发量，Ep为根区腾发量.
表2 棉花生育期耗水量动态
Tab.2 Cotton water consumption during growth period
生育期 tc/d E/(mm·d－1) Ep/(mm·d－1)苗期(04－15—06－10) 57 0.60.3～2.0蕾期(06－11—07－10) 30 1.8 2.0～4.0花铃期(07－11—08－24) 45 1.6 4.0～6.0吐絮期(08－25—09－07) 14 1.5 4.0～5.0合计 146 5.510.3～17.0
1.4 模拟情景假设
棉花灌水周期的制定由表2作物生育期内的日最大耗水量(Ep中的较大值)确定.此外，考虑到地下水与土壤水的相互作用，在利用HYDRUS－2D软件模拟棉花生育期土壤含水率动态变化过程时，选择灌溉定额与地下水埋深这2个因素进行不同方案模拟.根据试验区研究成果及周边区域调查结果，初步确定灌溉定额为3 300，3 900，4 500 m3/hm2这3个水平;考虑到3 m以下，地下水对土壤水的补给已经非常微弱，且研究区地下水埋深变动区间为1.2 ～2.0 m，故地下水埋深设为1.0，1.5，2.0，2.5，3.0 m这5个水平，形成方案集如表3所示，表中hg为地下水埋深，qI为灌溉定额.
表3 不同地下水位与灌溉定额情景方案
Tab.3 Designed schemes for different groundwater levels and irrigation quotas
qI/hg/m(m3·hm－2)1.0 1.5 2.0 2.53.0 3 300 方案1 方案2 方案3 3 900 方案4 方案5 4 500 方案6 方案7 方案8
1.5 模拟结果判别
以棉花窄行中间位置30 cm深度的土壤体积含水率(以下简称土壤关键点含水率)为依据对不同方案进行分析.由于棉花根系密度在该处最大，并且处于内、外2行根系吸水的交汇区，所以选择该处的土壤体积含水率动态变化作为判断棉花缺水与否的标准.棉花生长适宜的土壤体积含水率下限θmin见表4［14］，表中H为土壤湿润深度.
表4 不同生育期土壤含水量下限适宜值
Tab.4 Suitable lower limit of soil water content in different growth periods
生育阶段 θmin/% H/cm苗期 12.220蕾期 13.3 40花铃期 15.5 40～60吐絮期 12.240
对模拟结果中土壤关键点含水率大于上限(田间持水率为22.2%)或小于下限(见表4)时的持续时间进行统计得到总时间tt(d)，并以此作为表3中各方案优劣的判别标准.
为简化模型计算量，在保证模型精度前提下，将滴灌灌水过程概化为线源入渗过程.因此，将3维土壤水分运动过程概化为2维流.利用HYDRUS－2D软件进行模拟，模拟时段为6月10日至9月7日(包括蕾期、花铃期与吐絮期3个生育阶段).
2.1 土壤水分特征曲线
土壤水分特征曲线是表征土壤含水率与土壤水势关系的重要指标.HYDRUS－2D软件在模拟土壤体积含水率动态变化时通常采用Van Genuchten方程［15］求解特征曲线等参数，即
式中:θ，θs，θr分别为土壤体积含水率、饱和体积含水率、残余体积含水率，cm3/cm3; h为土壤水势，cm; a为进气值倒数; n为孔径指数; m为方程参数; l为经验系数，一般取0.5; K，Ks分别为非饱和导水率、饱和导水率，cm/d; Se为有效体积含水率，cm3/cm3.
利用张力计法对试验地土壤水分特征脱湿曲线进行测定，采用RETC拟合Van Genuchten方程的水分特征曲线参数，同时实际测定土壤饱和导水率，最终计算得到θs= 0.32 cm3/cm3，θr= 0.05 cm3/cm3，a =0.032 cm，n =1.45，Ks=2.5 m/d，土壤体积田间持水量为0.222 cm3/cm3.
2.2 土壤水分运动方程
假设土壤为均质多孔介质，并忽略气体、热量对土壤水运动的影响，将土壤水的运动概化为垂向1维运移，采用改进Richards方程模拟［16］，表达式为
式中:α为水流方向与垂直方向的夹角，取α= 0°; S(z，t)为根系吸水速率，cm3/(cm3/d); t为模拟时间，d; z为土壤深度，cm; Kr为土壤残余导水率，cm/d.
2.3 模型初始及边界条件
棉花播种后至苗水灌溉前(4月15日至6月9 日)，这段时间棉苗主要消耗前期的土壤储存水分，可视为定水位下自由蒸发与排泄的剖面土壤含水率消退过程，并以此作为HYDRUS－2D软件进行土壤体积含水率动态模拟的初始含水率.此外，考虑到土壤含水率的无后效性，可忽略土壤初始含水率误差对模型后续模拟精度的影响.
由于研究区土质为砂壤土，土壤渗透性较强，故上边界为通量已知的第二类边界.在模拟期内(6月10日至9月7日)输入逐日灌水量、日蒸发量ET0等上边界通量值，下边界设为定水位埋深，模拟不同灌溉定额与地下水位组合对棉花根际土壤含水率的动态响应.
1)灌溉定额为3 300 m3/hm2.
当灌溉定额为3 300 m3/hm2时，利用表1中的不同生育阶段灌溉定额分配比例，将灌水定额输入HYDRUS－2D模型，得到地下水埋深为1.0，1.5，2.0 m的情景下，棉花生育期内土壤关键点含水率随时间的动态变化模拟过程，结果如图2所示.由图2a可知，在生育期内，方案1的土壤含水率在适宜含水率的上限波动.特别是灌水后，土壤含水率明显大于上限值，表明土壤含水率受到了地下水的强烈顶托补给.此时棉花虽然未受到水分胁迫，但较大的土壤含水率会使无效耗水增大.从图2b可知，在生育期内，方案2的土壤含水率维持在作物生长适宜的含水率区间，棉花根系不仅未受到水分胁迫，而且满足根系呼吸的要求，因此，该方案下的地下水埋深较方案1更有利于棉花生长.
图2 土壤体积含水率变化
Fig.2 Change of volumetric soil water content
从图2c可知，在生育期内，方案3在部分时段内受到水分胁迫，表明土壤含水率小于棉花正常生长所需要的下限适宜值，水分胁迫时间累计为22 d，棉花受到中度水分胁迫，会造成一定程度的减产.
2)灌溉定额为3 900 m3/hm2.
当灌溉定额为3 900 m3/hm2时，利用HYDRUS －2D软件对地下水埋深为1.5和2.0 m的生育期棉花根系土壤体积含水率进行模拟，模拟结果见图3.由图3a可知，当灌溉定额增加600 m3/hm2后，方案4在部分时段的土壤体积含水率大于棉花正常生长所要求的上限值，从节水的角度而言，该灌溉定额会产生一定的深层渗漏，使得水分利用效率降低，同时也会导致土壤肥料淋溶下渗，造成了地下水环境污染.
由图3b可知，在生育期内，方案5的土壤体积含水率在部分时段内受到了水分胁迫，表明土壤含水率小于作物正常生长所要求的下限值，累计时间为16 d，此时会造成棉花轻度减产［17］.
图3 土壤体积含水率变化
Fig.3 Change of volumetric soil water content
通过分析土壤含水率的动态变化可知，在保持灌溉定额不变及保证棉花不受水分胁迫的情况下，通过调整生育期内各阶段的灌水量(灌溉定额模比系数b)，可以达到均衡耗水的目的.根据优化后的灌溉制度(见表5)，再次利用HYDRUS－2D软件对土壤体积含水率进行模拟，结果见图4.
表5 膜下滴灌棉花灌溉制度(优化后)
Tab.5 Cotton irrigation systems optimized
c/次 灌溉时间生育期 b/% c/次 灌溉时间生育期 b/% 1 06－107.0 8 08－08花铃期 11.0 2 06－20蕾期6.0 908－1611.0 3 06－306.9 10 08－247.0 407－089.7 11 08－31吐絮期4.5 5 07－1610.5 1209－073.9 6 07－24花铃期11.5合 计100 7 07－3111.0
图4 方案5优化后的土壤体积含水率变化
Fig.4 Change of volumetric soil water content in scheme 5 optimized
由图4可知，采用优化后的灌溉制度，棉花受水分胁迫时间减少到了10 d，其中受胁迫持续时间为3，4 d的各1次，较优化前减少了1次，这表明在维持灌溉定额不变的情况下，通过适当调整生育期各阶段灌水量，可使土壤含水率保持在合理区间内，这不仅起到了调控棉花水分胁迫时间的目的，而且也达到了提高水分利用效率与实现棉花稳产的目的.
3)灌溉定额为4 500 m3/hm2.
当灌溉定额增大到4 500 m3/hm2时，采用表1中灌溉定额模比系数b进行水量分配，得到方案6的土壤体积含水率变化，如图5所示.由图可知，在生育期内，土壤关键点含水率在需水关键期(花铃期)低于棉花正常生长所要求的下限适宜值(即受到水分胁迫)，累计12 d，这会造成轻度减产.
图5 方案6的土壤体积含水率变化
Fig.5 Change of volumetric soil water content in scheme 6
为了提高棉花的水分利用效率，确保实现稳产丰产，对方案6的灌溉定额模比系数b进行优化，优化后的灌溉制度见表6，此时方案6的土壤体积含水率动态模拟结果见图6.
表6 膜下滴灌棉花灌溉制度(优化后)
Tab.6 Cotton irrigation systems optimized
c/次 灌溉时间生育期 b/%c/次 灌溉时间生育期 b/% 1 06－107.08 08－05花铃期 10.0 2 06－20蕾期6.0908－1010.0 3 06－306.010 08－158.2 407－089.511 08－24吐絮期6.0 5 07－169.812 08－313.8 6 07－24花铃期9.91309－073.8 707－3110.0合计100
图6 方案6优化后的土壤体积含水率变化
Fig.6 Change of volumetric soil water content in scheme 6 optimized
经过优化，方案6的水分胁迫时间累计为2 d，认为这对棉花的正常生长没有影响.即在研究区砂质土壤条件下，当地下水埋深为2.0 m时，棉花生育期灌溉定额为4 500 m3/hm2是适宜的.
地下水埋深为2.5 m时，方案7的土壤体积含水率动态模拟结果见图7.
图7 方案7的土壤体积含水率变化
Fig.7 Change of volumetric soil water content in scheme 7
经过灌溉制度优化后，棉花受水分胁迫时间累计为21 d，较优化前减少5 d，尽管该灌溉定额无法从根本上避免水分胁迫的产生，但通过灌溉制度优化仍可在一定程度上减少棉花受水分胁迫的时间，见表7.
表7 不同方案模拟结果分析
Tab.7 Analysis of simulated results of different schemes
注:√表示未受胁迫; *表示轻度水分胁迫;＊＊表示中度水分胁迫;括号内数字为水分胁迫天数.
qI/(m3·hm－2)hg/m 1.0 1.5 2.0 2.53.0 3 300 现状 √ √ ＊＊(22 d)优化3 900 现状 √ ＊＊(16 d)＊＊(37 d)优化 *(10 d)4 500 现状 √ ＊(12 d)＊＊(26 d)＊＊(37 d)优化 *(2 d)＊＊(21 d)＊＊(33 d)
当地下水埋深为3.0 m时，方案8的土壤体积含水率动态模拟结果见图8.由图可知，在棉花生育期内，土壤关键点含水率低于棉花正常生长所要求的下限值(即受到水分胁迫)累计达到37 d，表明棉花受到中度水分胁迫，会造成一定的减产.通过分析生育期内棉花耗水过程，发现即便对该处理的灌溉制度进行优化，优化后的水分胁迫时间仍然高达33 d(中度水分胁迫，见表7).
由表7可知，在现状灌溉制度下，当地下水埋深小于1.5 m时，灌溉定额为3 300 m3/hm2较为适宜;当地下水埋深为2.0 m时，灌溉定额为4 500 m3/hm2较为适宜;当地下水埋深大于2.5 m时，灌溉定额为4 500 m3/hm2会使棉花遭受中度水分胁迫，此时如果要避免或减弱水分胁迫的产生，需要适当增加灌溉定额.
图8 方案8的土壤体积含水率变化
Fig.8 Change of volumetric soil water content in scheme 8
以新疆孔雀河流域为研究区，以棉花这种经济作物为研究对象，利用HYDRUS－2D软件对不同地下水位与灌溉定额组合下的棉花灌溉制度进行研究，得到如下结论.
1)当地下水埋深小于1.5 m时，地下水对土壤水的顶托作用较强，可适当减少灌溉定额，促使棉花根系下扎以吸收地下水，起到了人为调控棉株根冠比的作用，为棉花后期生长打下基础.模拟结果表明，此时灌溉定额为3 300 m3/hm2时，可使棉花生育期内不受水分胁迫.
2)当地下水埋深为2.0 m、灌溉定额为3 900 m3/hm2时，土壤关键点含水率小于含水率下限的时间累计为10 d，属轻度胁迫，对产量影响较小;灌溉定额为4 500 m3/hm2时，累计有2 d的土壤关键点含水率小于下限值，基本不受胁迫，对产量影响极小，表明在2.0 m埋深下，地下水对土壤水的补给能力下降，灌溉调控的作用逐渐增强.
3)当地下水埋深大于2.5 m时，地下水的补给作用进一步弱化，在灌溉定额为4 500 m3/hm2下，土壤关键点含水率会出现累计大于20 d小于含水率下限的情况，属于中度水分胁迫，会造成棉花一定程度的减产.
4)西北内陆干旱区具有“降水稀少，蒸发强烈”的气候特点.当灌区地下水埋深较浅时，受灌溉水源中的盐分、土壤中固有盐分及地下水中易溶盐的影响，在地表强烈的蒸发势作用下，土壤表层会产生盐分积聚现象，进而导致土壤次生盐渍化，造成作物减产甚至绝产.因此，较低的地下水埋深虽有利于地下水对耕作层土壤水的补给，减少作物生育期内灌溉定额，但此时盐分胁迫对作物产生的负面效应可能会远大于地下水对土壤水补给的正面效应.所以，必须综合考虑水分与盐分对作物生长的影响，界定合理的灌区地下水调控深度.
此外，由于不同区域、不同土壤质地下潜水蒸发的差异性，导致文中的研究结果在普适性方面还存在一定的局限性，因此，还需要结合实际情况，进行具体问题具体分析.
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(责任编辑 张文涛)
Dynamic simulation of groundwater level and irrigation quota effects on cotton soil water content
WEI Guanghui1，2，MA Liang1，YANG Pengnian1
(1.College of Hydraulic and Civil Engineering，Xinjiang Agricultural University，Urumqi，Xinjiang 830052，China; 2.Xinjiang Tarim River Basin Management Bureau，Korla，Xinjiang 841000，China)
Abstract:The dynamic change in soil water content under film drip irrigation is simulated at different groundwater levels and irrigation quotas by using HYDRUS－2D software for cotton in Xinjiang Peacock River Basin.The results show that the cotton growth remains unaffected by water stress at 3 300 m3/hm2irrigation quota when the groundwater level is 1.5 m below because the backwater effect of the groundwater on soil water is much stronger.When the groundwater level is 2.0 m below，the soil water supplying capacity of the groundwater is decreased; consequently，the regulation effect of irrigation becomes dominated gradually.At 3 900 m3/hm2irrigation quota，the water stress is mild，having a little effect on cotton yield，at 4 500 m3/hm2quota，however，there is no water stress basically，and the yield is little influenced.When the groundwater level is 2.5 m below，the soil water supplying capacitybook=74,ebook=79is weakened further.Even though the irrigation quota is as high as 4 500 m3/hm2，the water stress is moderate，and it will cause a certain degree reduction in the yield.This study provides an important reference of guide for groundwater resources utilization and cotton planting development in the river basin.
Key words:groundwater; soil water; irrigation quota; cotton; HYDRUS－2D; numerical simulation; Xinjiang Peacock River Basin
作者简介:魏光辉(1981—)，男，新疆石河子人，高级工程师，博士(xndwgh@ sina.com)，主要从事干旱区水资源利用研究.马亮(1980—)，男，新疆石河子人，副教授(通信作者，xjml1999@163.com)，主要从事农业节水灌溉理论研究.
基金项目:新疆维吾尔自治区“十二五”重大科技专项(201130103－3);水利部公益性行业科研专项(201301102);新疆维吾尔自治区水文学及水资源重点学科项目(XJSWSZYZDXK20101202)
收稿日期:2014－10－13;网络出版时间:2016－01－19
doi:10.3969/j.issn.1674－8530.14.0172
中图分类号:S277.9; S562
文献标志码:A
文章编号:1674－8530(2016)01－0073－08
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