周曉冰

（青島大學(xué)，山東青島266071）

土壤水力性質(zhì)是水分運(yùn)動(dòng)方程的重要參數(shù)，主要包括水力傳導(dǎo)率K(θ)、土壤水分特征曲線θ(h)等。其中水力傳導(dǎo)率K(θ)決定了水和溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移速率，土壤水分特征曲線表示土壤水分含量與壓力水頭的函數(shù)關(guān)系，是建立土壤水分運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)，這些參數(shù)的可靠性直接影響著水分運(yùn)動(dòng)模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性[1]。盡管有許多實(shí)驗(yàn)室和田間方法可以用來(lái)確定包氣帶中以土壤水分特征曲線和非飽和水力傳導(dǎo)率為代表的土壤水力性質(zhì)，但大多數(shù)方法需要靜態(tài)或穩(wěn)態(tài)流條件來(lái)滿足相應(yīng)分析方法的假設(shè)或需要較精密的儀器，這使得測(cè)量耗時(shí)耗力，可行性不高。因此，人們開始發(fā)展間接的方法來(lái)估計(jì)及土壤水力性質(zhì)。

間接方法有土壤轉(zhuǎn)換函數(shù)法、物理-經(jīng)驗(yàn)法、分形幾何法、土壤形態(tài)學(xué)法和數(shù)值反演方法等[2]。數(shù)值反演方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）不需要精密的測(cè)量?jī)x器；（2）在初始和邊界條件上比直接方法方法更加靈活，不需要達(dá)到穩(wěn)態(tài)；（3）可以從單個(gè)瞬態(tài)流實(shí)驗(yàn)同時(shí)估算土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率函數(shù)；（4）為優(yōu)化參數(shù)提供置信區(qū)間，因此受到研究者的關(guān)注。

反演方法估計(jì)土壤水力性質(zhì)參數(shù)在國(guó)外已有較長(zhǎng)時(shí)間的研究。反演方法首先由Gardner[3]應(yīng)用于壓力板出流方法，將飽和的土樣置于密閉壓力室的多孔板上，并逐步對(duì)其進(jìn)行加壓，在每次壓力增加后測(cè)量出流量直至平衡，以此計(jì)算水力傳導(dǎo)率和擴(kuò)散率。Whisler和Watson[4]（1968）首次提出應(yīng)用計(jì)算機(jī)模型估算土壤水力參數(shù)，他們通過(guò)匹配土壤排水流量的模擬值和實(shí)測(cè)值估計(jì)了土壤的非飽和導(dǎo)水率。Zachman[5]等人（1981）使用土壤排水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬表示，如果累計(jì)排水量與預(yù)測(cè)量值相吻合，則可獲得最佳優(yōu)化參數(shù)結(jié)果。此后Zachman等人[6]（1982）表明了選擇合適的土壤水力特征參數(shù)形式的重要性。Kool和Parker[7]（1988）和Russo等人[8]（1991）將這種方法應(yīng)用于一維非飽和流動(dòng)問題以此來(lái)估計(jì)實(shí)驗(yàn)室土柱中非飽和多孔介質(zhì)的參數(shù)值。

解的非唯一性是數(shù)值反演方法在確定土壤水力性質(zhì)時(shí)通常存在的問題。關(guān)于如何減少數(shù)值反演方法解的非唯一性和提高參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了許多相關(guān)研究。Toorman等[9]使用數(shù)值反演法借助響應(yīng)曲面方法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行了分析，使用了出流量、壓力水頭、含水量的不同組合作為目標(biāo)函數(shù)的測(cè)量變量，結(jié)果表明如果在目標(biāo)函數(shù)中包含有壓力水頭值，對(duì)參數(shù)估計(jì)的敏感性將有一定程度的提高，此外壓力水頭的測(cè)量位置對(duì)參數(shù)估計(jì)也有影響，可以據(jù)此確定需要測(cè)定的測(cè)量變量和測(cè)量的位置。Eching等[10-11]在多步出流實(shí)驗(yàn)中累積出流量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上添加測(cè)定的土壤壓力水頭數(shù)據(jù)，以三次不同初始參數(shù)反演結(jié)果的變異系數(shù)表征解的唯一性，在反演土壤水分特征曲線和非飽和導(dǎo)水率方面取得了較好的擬合效果，驗(yàn)證了增加壓力水頭信息可以提高解的獨(dú)特性。Simunek和van Genuchten[12]應(yīng)用了張力圓盤入滲數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值反演對(duì)水力特征參數(shù)求解，通過(guò)參數(shù)與目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)曲面分析了使用哪些入滲數(shù)據(jù)可以提高解的唯一性，認(rèn)為可以適當(dāng)增加剖面的壓力水頭信息和含水量信息來(lái)提高計(jì)算準(zhǔn)確性，而加入累積入滲量信息不能改善擬合結(jié)果。張俊[13]利用數(shù)值反演方法耦合瞬時(shí)出流實(shí)驗(yàn)推求土壤水力學(xué)參數(shù)，結(jié)果顯示，一步出流實(shí)驗(yàn)增加壓力、多步出流實(shí)驗(yàn)在目標(biāo)函數(shù)中聯(lián)合累積出流量和壓力水頭信息均可以減小反演問題的非唯一性。

數(shù)值反演方法由于操作簡(jiǎn)單、快捷而被廣泛應(yīng)用，但仍需注意的是該方法在應(yīng)用使存在的唯一性和穩(wěn)定性的問題，且在實(shí)驗(yàn)室獲得的結(jié)果能否很好的在田間使用的問題。

[1]劉建立,徐紹輝,劉慧.估計(jì)土壤水分特征曲線的間接方法研究進(jìn)展[J].水利學(xué)報(bào),2004,35(2):68-76.

[2]徐紹輝,劉建立.土壤水力性質(zhì)確定方法研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(4):494-501.

[3]Gardner W R.Calculation of capillary conductivity from pressure plate outflow data[J].Soil Sci.Soc.Am.Proc.1956，20:317-320.

[4]Whisler F D,Watson K K.One-dimensional gravity drainage of uniform columnsof porous materials[J].Journal ofHydrology,1968,6(3):277-296.

[5]Zachmann D W,Duchateau P C,and Klute A.The calibration of Richards flow equation for a draining column by parameter identification1.Soil Sci.Soc.Am.J.1981.45:1012-1015.

[6]Zachmann D W,Duchateau P C,et al.Simultaneous Approximation of Water Capacity and Soil Hydraulic Conductivity by Parameter Identification1.[J].Soil Sci.,1982,134(3):157-163.

[7]Kool J B,Parker J C.Analysis of the inverse problem for transient unsaturated flow [J].Water Resources Research,1988,24(6):817-830.

[8]Russo D,Bresler E,Shani U,et al.Analyses of infiltrationeventsinrelationtodeterminingsoilhydraulic propertiesbyinverse problem methodology[J].Water ResourcesResearch,1991,27(6):1361-1373.

[9]Toorman A F,Wierenga P J and Hills R G.Parameter estimation of soil hydraulic properties from one-step outflow data[J].Water Resour.Res.,1992,28:3021-3028.

[10]Eching S O,Hopmans J W.Optimization of Hydraulic Functions from Transient Outflow and Soil Water Pressure Data[J].Soil Sci.Soc.Am.J.1993,57(5):1167-1175.

[11]Eching SO,HopmansJW and Wendroth O.Unsaturated soil hydraulic conductivity from transient multi-step outflow and soil water pressure data[J].Soil.Sci.Soc.Am.J.,1994,58:687-695.

[12]im nek J.and van Genuchten M T.Estimatingunsaturated soil hydraulic propertiesfrom tension disc infiltrometer data by numerical inversion[J].WATER RESOURCES RESEARCH，1996，32(9):2683-2696

[13]張俊,徐紹輝,劉建立,等.土壤水力性質(zhì)參數(shù)估計(jì)的響應(yīng)界面和敏感度分析[J].水利學(xué)報(bào),2005,36(4):445-451.