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摘 要：为验证DRAINMOD模型的准确性，该文采用泗阳县运南灌区4次降雨后农田短系列排水过程实测数据与模拟数据进行评价分析，两系列相关系数均在0.98以上，具有较好的相关性；Nash系数均在0.9以上，模型模拟效率较高，实用性较强。
关键词：DRAINMOD；模拟；验证；短系列
中图分类号 S276 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）08-0118-03
Application of DRAINMOD Model in Farmland Drainage
Wang Ning1 et al.
（1Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower， Hefei 230088，China）
Abstract：The paper analyses the difference between the simulation and measurement results of short series farmland drainage after four rainstorms in Yunnan irrigation area in Siyang County to test and verify the accuracy of DRAINMOD. The two series have preferable relativity with the correlation coefficient exceeds 0.98； and the efficiency and practicability of model are perfect with Nash coefficient outnumbers 0.9.
Key words：DRAINMOD；Simulating；Verification；Short series
DRAINMOD模型是Skaggs于1978年提出的一个浅层土壤水分管理模型[1]。模型基于田间尺度，可以根据给定的初始场预测田间地下水位，地表、地下排水量，土壤剖面含水量，作物产量等。1992年Kandil[2]在DRAINMOD模型基础上加入了水盐运移模块，将土壤盐分运移分为土壤水饱和区和非饱和区分别计算；1994年Breve等[3]在DRAINMOD排水模型基础上提出了DRAINMOD-N氮素模型，2004年Youssef[4]完善了氮素模型，将碳循环过程引入其中，提出了DRAINMOD-NII模型，至此模型能够较为全面的描述土壤、水、大气中氮素循环交互过程。随着研究的逐渐深入，范围不断延伸，DRAINMOD模型已经逐渐发展为多元联动耦合模型，如与综合作物模型系统DSSAT耦合的DRAINMOD-DSSAT模型[5]，与地理信息联合运用的DRAINMOD-GIS模型[6]、DRAINMOD-Geostatistical模型[7]，以及与林地生长模型3-PG model耦合的DRAINMOD-FOREST模型[8]等，DRAINMOD模型不断发展，具有较高的模拟精度和预测合理性。本文拟采用2012年夏季泗阳县运南灌区4次降雨后农田排水过程实测数据系列与模拟数据系列进行比较，分析降雨后预测的短系列排水量与实测排水量差异，以验证模型的准确性与合理性。
1 DRAINMOD模型基本原理
DRAINMOD模型利用地表水量与土壤内部水量平衡原理，以天或小时为模拟单位，以气象资料、土壤特性、入渗过程、作物种植、排水系统设计等为参数，用于预测地下水位变化过程，地表、地下排水量，土壤含水量等。模型计算过程中将土壤自动划分为土壤水饱和区和非饱和区，认为非饱和区为一维垂向土壤水运动，忽略侧向土壤水运动的影响，而饱和区则考虑垂向和侧向的土壤水运动，然后分别进行地表和地下土壤水量平衡计算。
2 试验区概况与试验方法
试验区属于暖温带季风气候，年均降雨量892.3mm，其中，主汛期（6—9月）雨量占年降雨量近70%。该区年均水面蒸发量900mm，年平均气温14.1℃。土壤类型为砂壤土，总孔隙度为44.97%，pH值为7.02，土壤有机质21.88g·kg-1。
试验种植粳稻，采用常规灌溉排水的方式，6月20日泡田翻耕，6月26日移栽，重復进行3组试验，各生育期控水指标见表1。降雨排水前在农沟出口处设置三角量水堰，监测降雨后地表排水情况，同时，采用水尺量取各监测点水位变化情况，以得到降雨前后总排水量变化，过程中每30min观测一次。
3 模型参数确定及评价方法
3.1 模型参数确定 模型的主要输入参数包括试验区的气象、土壤、水力设计参数、作物资料等。降雨资料为DRAINMOD的基本输入项之一，地表径流、地下排水及深层渗漏量等指标的预测需要准确的降雨资料作为支撑。试验期间降雨分别发生在：7月24日、8月15日、9月7日及9月17日，降雨量分别为102.6mm、169.1mm、74.2mm及59.5mm；排水设计参数中排水间距、深度分别为1500cm、80cm，排水系数为2cm/d，不透水层深度为550cm，排水农沟底宽为60cm，边坡系数为1.0；作物根系深度根据不同时期分为7月3日～7月28日、7月29日～8月20日、8月21日至9月1日、9月2—20日，分别为15cm、25cm、30cm、30cm。土壤参数与实测试验一致，见表2和表3。
3.2 模拟效果的评价参数 模拟效果的评价参数采用Nash效率系数（Nash-Sutcliffe efficiency）[9-10]，Nash反应了模拟值、实测值及实测值均值间的离差情况，进而反应模型的模拟效率，Nash∈（-∞，1），1表示模拟效果最优，Nash值越小模拟效果越差，计算公式如下： [Nash=1-i=1nSi-Oi2i=1nOi-O2] （1）
式中：Oi为第i时段的观测值；[O]为整个时段观测值的平均值；Si为第i时段的模拟值。
4 结果与分析
从模拟值与实测值的相对误差来看，各次降雨模拟值与实测值误差绝对值在1.68%～9.09%，未超过10%，对于降雨总量而言，误差绝对值均在1%以内，较各次降雨小；对于相关系数，径流、侧渗及排水总量系列模拟值均与实测值具有较好的相关性；对于Nash，排水总量与径流系列Nash均在0.95以上，而侧渗系列仅为0.9，说明模型模拟过程中对于地表排水及排水总量的过程拟合较为准确，而侧渗过程有所欠缺，总体而言模拟结果较为可信（表4）。
由此可见，DRAINMOD模型能够在降雨后农田短系列排水应用方面提供较为可信的成果，为今后农田排水预测控制提供了一种便捷有效的工具。
参考文献
[1]Skaggs R W.A water management model for shallow water table soils[R].Report No.134.Water resources research institute of the university of North Carolina，North Carolina State University，Raleigh NC，1978.
[2]Kandil， H. M.. DRAINMOD-S： A water Management Model for Irrigated Arid Lands. Ph.D. Thesis. North Carolina State University， N.C.，1992.
[3]Breve M A，Skaggs R W，Parsons J E，et al.DrainMOD-N，a nitrogen model for artificially drained soil[J].Trans of the ASAE，1997，40（4）：1067-1075.
[4]Youssef，M.A..Modeling Nitrogen Transport and Transformations in High Water Table Soils. Ph.D. Thesis，North Carolina State University， N.C.，2004.
[5]Negm， L. M.，Youssef， M. A.， Skaggs， R.W.， et al. DRAINMOD–DSSAT model for simulating hydrology， soil carbon andnitrogen dynamics， and crop growth for drained crop land [J]. Agricultural Water Management， 2014，137：30-45.
[6]Fernandez， G.P.， Chescheir， G.M.，Skaggs，R.W..DRAINMOD-GIS A lumped parameter watershed scale drainage and water quality model [J]. Agricultural Water Management，2006，81：77-97.
[7]El-Sadek，A.，Sallam，G.，Embaby，M..Developing DRAINMOD-Geostatistical Technology to Predict Nitrate Leaching [J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2013，139：158-164.
[8]Tian， S.， Youssef， M. A.， Skaggs， R.W.，et al. DRAINMOD-FOREST： integrated modeling of hydrology， soil carbon and nitrogen dynamics，and plant growth for drained forests[J].Environ. Qual.，2012，41，764-782.
[9]雷志棟，杨清秀，谢传森.土壤水动力学[M].北京：清华大学出版社，1988.
[10]Nash， J. E.， Sutcliffe， J. V.. River flow forecasting through conceptual models： I. A discussion of principles [J]. J. Hydrol.，1970，10（3）：282-290.
（责编：张宏民）
关键词：DRAINMOD；模拟；验证；短系列
中图分类号 S276 文献标识码 A 文章编号 1007-7731（2018）08-0118-03
Application of DRAINMOD Model in Farmland Drainage
Wang Ning1 et al.
（1Anhui Survey and Design Institute of Water Conservancy and Hydropower， Hefei 230088，China）
Abstract：The paper analyses the difference between the simulation and measurement results of short series farmland drainage after four rainstorms in Yunnan irrigation area in Siyang County to test and verify the accuracy of DRAINMOD. The two series have preferable relativity with the correlation coefficient exceeds 0.98； and the efficiency and practicability of model are perfect with Nash coefficient outnumbers 0.9.
Key words：DRAINMOD；Simulating；Verification；Short series
DRAINMOD模型是Skaggs于1978年提出的一个浅层土壤水分管理模型[1]。模型基于田间尺度，可以根据给定的初始场预测田间地下水位，地表、地下排水量，土壤剖面含水量，作物产量等。1992年Kandil[2]在DRAINMOD模型基础上加入了水盐运移模块，将土壤盐分运移分为土壤水饱和区和非饱和区分别计算；1994年Breve等[3]在DRAINMOD排水模型基础上提出了DRAINMOD-N氮素模型，2004年Youssef[4]完善了氮素模型，将碳循环过程引入其中，提出了DRAINMOD-NII模型，至此模型能够较为全面的描述土壤、水、大气中氮素循环交互过程。随着研究的逐渐深入，范围不断延伸，DRAINMOD模型已经逐渐发展为多元联动耦合模型，如与综合作物模型系统DSSAT耦合的DRAINMOD-DSSAT模型[5]，与地理信息联合运用的DRAINMOD-GIS模型[6]、DRAINMOD-Geostatistical模型[7]，以及与林地生长模型3-PG model耦合的DRAINMOD-FOREST模型[8]等，DRAINMOD模型不断发展，具有较高的模拟精度和预测合理性。本文拟采用2012年夏季泗阳县运南灌区4次降雨后农田排水过程实测数据系列与模拟数据系列进行比较，分析降雨后预测的短系列排水量与实测排水量差异，以验证模型的准确性与合理性。
1 DRAINMOD模型基本原理
DRAINMOD模型利用地表水量与土壤内部水量平衡原理，以天或小时为模拟单位，以气象资料、土壤特性、入渗过程、作物种植、排水系统设计等为参数，用于预测地下水位变化过程，地表、地下排水量，土壤含水量等。模型计算过程中将土壤自动划分为土壤水饱和区和非饱和区，认为非饱和区为一维垂向土壤水运动，忽略侧向土壤水运动的影响，而饱和区则考虑垂向和侧向的土壤水运动，然后分别进行地表和地下土壤水量平衡计算。
2 试验区概况与试验方法
试验区属于暖温带季风气候，年均降雨量892.3mm，其中，主汛期（6—9月）雨量占年降雨量近70%。该区年均水面蒸发量900mm，年平均气温14.1℃。土壤类型为砂壤土，总孔隙度为44.97%，pH值为7.02，土壤有机质21.88g·kg-1。
试验种植粳稻，采用常规灌溉排水的方式，6月20日泡田翻耕，6月26日移栽，重復进行3组试验，各生育期控水指标见表1。降雨排水前在农沟出口处设置三角量水堰，监测降雨后地表排水情况，同时，采用水尺量取各监测点水位变化情况，以得到降雨前后总排水量变化，过程中每30min观测一次。
3 模型参数确定及评价方法
3.1 模型参数确定 模型的主要输入参数包括试验区的气象、土壤、水力设计参数、作物资料等。降雨资料为DRAINMOD的基本输入项之一，地表径流、地下排水及深层渗漏量等指标的预测需要准确的降雨资料作为支撑。试验期间降雨分别发生在：7月24日、8月15日、9月7日及9月17日，降雨量分别为102.6mm、169.1mm、74.2mm及59.5mm；排水设计参数中排水间距、深度分别为1500cm、80cm，排水系数为2cm/d，不透水层深度为550cm，排水农沟底宽为60cm，边坡系数为1.0；作物根系深度根据不同时期分为7月3日～7月28日、7月29日～8月20日、8月21日至9月1日、9月2—20日，分别为15cm、25cm、30cm、30cm。土壤参数与实测试验一致，见表2和表3。
3.2 模拟效果的评价参数 模拟效果的评价参数采用Nash效率系数（Nash-Sutcliffe efficiency）[9-10]，Nash反应了模拟值、实测值及实测值均值间的离差情况，进而反应模型的模拟效率，Nash∈（-∞，1），1表示模拟效果最优，Nash值越小模拟效果越差，计算公式如下： [Nash=1-i=1nSi-Oi2i=1nOi-O2] （1）
式中：Oi为第i时段的观测值；[O]为整个时段观测值的平均值；Si为第i时段的模拟值。
4 结果与分析
从模拟值与实测值的相对误差来看，各次降雨模拟值与实测值误差绝对值在1.68%～9.09%，未超过10%，对于降雨总量而言，误差绝对值均在1%以内，较各次降雨小；对于相关系数，径流、侧渗及排水总量系列模拟值均与实测值具有较好的相关性；对于Nash，排水总量与径流系列Nash均在0.95以上，而侧渗系列仅为0.9，说明模型模拟过程中对于地表排水及排水总量的过程拟合较为准确，而侧渗过程有所欠缺，总体而言模拟结果较为可信（表4）。
由此可见，DRAINMOD模型能够在降雨后农田短系列排水应用方面提供较为可信的成果，为今后农田排水预测控制提供了一种便捷有效的工具。
参考文献
[1]Skaggs R W.A water management model for shallow water table soils[R].Report No.134.Water resources research institute of the university of North Carolina，North Carolina State University，Raleigh NC，1978.
[2]Kandil， H. M.. DRAINMOD-S： A water Management Model for Irrigated Arid Lands. Ph.D. Thesis. North Carolina State University， N.C.，1992.
[3]Breve M A，Skaggs R W，Parsons J E，et al.DrainMOD-N，a nitrogen model for artificially drained soil[J].Trans of the ASAE，1997，40（4）：1067-1075.
[4]Youssef，M.A..Modeling Nitrogen Transport and Transformations in High Water Table Soils. Ph.D. Thesis，North Carolina State University， N.C.，2004.
[5]Negm， L. M.，Youssef， M. A.， Skaggs， R.W.， et al. DRAINMOD–DSSAT model for simulating hydrology， soil carbon andnitrogen dynamics， and crop growth for drained crop land [J]. Agricultural Water Management， 2014，137：30-45.
[6]Fernandez， G.P.， Chescheir， G.M.，Skaggs，R.W..DRAINMOD-GIS A lumped parameter watershed scale drainage and water quality model [J]. Agricultural Water Management，2006，81：77-97.
[7]El-Sadek，A.，Sallam，G.，Embaby，M..Developing DRAINMOD-Geostatistical Technology to Predict Nitrate Leaching [J].Journal of Irrigation and Drainage Engineering，2013，139：158-164.
[8]Tian， S.， Youssef， M. A.， Skaggs， R.W.，et al. DRAINMOD-FOREST： integrated modeling of hydrology， soil carbon and nitrogen dynamics，and plant growth for drained forests[J].Environ. Qual.，2012，41，764-782.
[9]雷志棟，杨清秀，谢传森.土壤水动力学[M].北京：清华大学出版社，1988.
[10]Nash， J. E.， Sutcliffe， J. V.. River flow forecasting through conceptual models： I. A discussion of principles [J]. J. Hydrol.，1970，10（3）：282-290.
（责编：张宏民）