熊悅丁

(遼寧省朝陽水文局， 遼寧 朝陽 122000)

土壤水滲透量的準(zhǔn)確計算對于區(qū)域水文地質(zhì)參數(shù)分析以及墑情分析具有重要的意義[1]。目前，土壤水滲透量的分析主要分為兩種方法，第一種方式為野外觀測試驗的方式[2- 8]，對土壤水滲透量進(jìn)行觀測試驗，從而測定其土壤水滲透量，這種方式的優(yōu)點是和區(qū)域?qū)嶋H土壤水滲透量具有較高的吻合度，缺點是不能實現(xiàn)不同土質(zhì)下的區(qū)域土壤水滲透量的縱向數(shù)值求解。第二方式采用數(shù)學(xué)模型，對區(qū)域不同土質(zhì)下的土壤水滲透量進(jìn)行數(shù)值計算。這種方式的優(yōu)點是可實現(xiàn)區(qū)域不同土質(zhì)下土壤滲透水量的數(shù)值計算，缺點是需要基于土壤水觀測數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行計算精度的驗證。遼西地區(qū)土質(zhì)較為復(fù)雜，且屬于典型的干旱半干旱地區(qū)，需要對區(qū)域土壤水滲透量進(jìn)行準(zhǔn)確分析，為區(qū)域水文地質(zhì)以及墑情研判提供參考依據(jù)。為此本文結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)土壤水滲透量計算較為成熟的解析單元方法[9- 15]，對遼西地區(qū)土壤滲透量數(shù)值計算精度進(jìn)行驗證，為區(qū)域土壤水滲透量計算提供重要的方法參考。

1 土壤水滲透量計算原理

土壤水滲透量數(shù)值計算主要將下滲水體按分段進(jìn)行求解，求解方程為：

(1)

式中，Q(i)—計算的土壤滲透水量，m；Yi—計算分段內(nèi)的水頭，m；K—不同分段的水勢，m。

對不同分段內(nèi)的滲透水量進(jìn)行轉(zhuǎn)換計算：

(2)

式中，e—土壤滲透系數(shù)。

采用數(shù)值積分方法對模型進(jìn)行求解：

(3)

式中，T—計算時長，h；z、z1、z2—不同分段的水勢，m。

2 實例分析

2.1 區(qū)域概況

本文以遼西地區(qū)為研究區(qū)域，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷母珊蛋敫珊祬^(qū)，區(qū)域多年平均降水量在800mm左右，區(qū)域土壤滲透量是為區(qū)域水文地質(zhì)以及墑情分析的重要依據(jù)，為此本文以區(qū)域壤土和粘土作為研究土質(zhì)，采用透水試驗對該壤土的滲透水量進(jìn)行分析連續(xù)觀測，觀測時間主要集中在6—9月份，結(jié)合土壤水滲透量觀測數(shù)據(jù)，采用解析單元方法對該區(qū)域土壤水滲透量進(jìn)行數(shù)值求解，對方法計算精度進(jìn)行驗證。

2.2 參數(shù)無偏估計

土壤水滲透量數(shù)值計算主要將下滲水體按分段進(jìn)行求解，因此需要對其分段i進(jìn)行分析，確定最優(yōu)的分段i值，采用參數(shù)無偏估計方法對解析單元方法進(jìn)行參數(shù)的估計，兩種土壤質(zhì)地類型下的不同分段的參數(shù)無偏估計結(jié)果見表1和表2。

表1 壤土不同分段解析單元方法的參數(shù)無偏估計值

表2 粘土不同分段解析單元方法的參數(shù)無偏估計值

從壤土不同分段解析單元方法的參數(shù)無偏估計值分析結(jié)果可看出，無偏相關(guān)系數(shù)ρ隨著分段i的遞增而逐步增加，參數(shù)上限和下限值均可通過95%的置信度檢驗，當(dāng)計算分段達(dá)到10時，無偏相關(guān)系數(shù)ρ遞增趨勢有所減弱，逐步趨于穩(wěn)定變化，表明這時候分段i為解析單元的最優(yōu)求解分段，因此在進(jìn)行區(qū)域土壤水滲透量的數(shù)值化求解計算時，將分段i設(shè)置為9可以達(dá)到取得最優(yōu)解。從粘土不同分段解析單元方法的參數(shù)無偏估計值分析結(jié)果可看出，和壤土較為相似，隨著分段i的不斷增加其無偏相關(guān)系數(shù)ρ也不斷增加，粘土下的不同分段i的取值范圍下的參數(shù)上下限也均可通過95%的置信度檢驗，當(dāng)分段i達(dá)到8時，無偏相關(guān)系數(shù)ρ增幅有所減弱，逐步趨于穩(wěn)定變化，因此對于粘土而言，其解析單元方法下的最優(yōu)求解分段i值為第8個分段，因此和壤土一樣，在進(jìn)行區(qū)域粘土土壤水滲透量的數(shù)值化求解計算時，將分段i設(shè)置為8可以達(dá)到取得最優(yōu)解。

2.3 解析解驗證結(jié)果

結(jié)合滲水試驗對不同時間尺度下的土壤水滲透量進(jìn)行試驗測定，并采用解析單元方法對遼西地區(qū)年和月尺度的壤土和粘土的土壤滲透水量分別進(jìn)行數(shù)值求解，并結(jié)合滲水試驗觀測數(shù)據(jù)對求解精度進(jìn)行驗證，誤差統(tǒng)計分析結(jié)果見表3—6，并對數(shù)值計算的土壤滲透水量和試驗測定的滲透水量進(jìn)行相關(guān)性分析。

表3 不同年份壤土土壤水滲透水量計算驗證分析結(jié)果

表4 不同年份粘土土壤水滲透水量計算驗證分析結(jié)果

表5 不同月份壤土土壤水滲透水量計算驗證分析結(jié)果

表6 不同月份粘土土壤水滲透水量計算驗證分析結(jié)果

從不同年份和月份壤土土壤水滲透水量計算驗證分析結(jié)果可看出，采用解析單元方法計算的土壤滲透水量和試驗測定的滲透水量在年尺度和月尺度的計算誤差總體低于20%，且無系統(tǒng)誤差，表明采用的解析單元方法對遼西地區(qū)壤土土壤滲透水量計算具有較高的精度，這主要是因為解析單元方法針對土壤縱向分層，對不同分段的土壤水進(jìn)行計算，從而解決傳統(tǒng)方法不能考慮土壤縱向分段土壤滲透水變化特點的局限，使得其計算誤差有所降低，此外從不同時間尺度的土壤滲透水量計算誤差可看出，時間尺度越高其誤差也相對越大，時間尺度變異度對土壤滲透水量計算誤差影響較為明顯，時間尺度越小，解析單元方法的遼西地區(qū)土壤水滲透量計算誤差相對越低。從解析單元方法求解計算的土壤水滲透水量和試驗測定的土壤水滲透水量的年尺度和月尺度相關(guān)性分析結(jié)果。不同時間尺度下的相關(guān)系數(shù)均可以在0.7以上，屬于高度相關(guān)，相關(guān)方程呈現(xiàn)二次曲線變化，符合區(qū)域土壤水滲透水量的曲線變化特征。從不同年份和月份粘土土壤水滲透水量計算驗證分析結(jié)果可看出，采用解析單元方法計算的土壤滲透水量和試驗測定的滲透水量在年尺度和月尺度的計算誤差總體也可低于20%，且無系統(tǒng)誤差，表明采用的解析單元方法對遼西地區(qū)壤土土壤滲透水量計算具有較高的精度，和壤土土壤水滲透量計算精度影響相同，時間尺度越高其誤差也相對越大，時間尺度變異度對土壤滲透水量計算誤差影響較為明顯，時間尺度越小，解析單元方法的遼西地區(qū)壤土土壤水滲透量計算誤差也同樣相對越低。從解析單元方法求解計算的土壤水滲透水量和試驗測定的土壤水滲透水量的年尺度和月尺度相關(guān)性分析結(jié)果。不同時間尺度下的相關(guān)系數(shù)均可以在0.7以上，屬于高度相關(guān)，相關(guān)方程也呈現(xiàn)二次曲線變化，符合區(qū)域壤土土壤水滲透水量的曲線變化特征。

3 結(jié)論

(1)采用解析單元方法進(jìn)行遼西地區(qū)壤土和粘土土壤滲透水量數(shù)值求解時，無偏相關(guān)系數(shù)ρ隨著分段i的遞增而逐步增加，參數(shù)上限和下限值均可通過95%的置信度檢驗，當(dāng)計算分段達(dá)到9時，無偏相關(guān)系數(shù)ρ遞增趨勢有所減弱，逐步趨于穩(wěn)定變化。

(2)時間尺度越高其誤差也相對越大，時間尺度變異度對土壤滲透水量計算誤差影響較為明顯，時間尺度越小，解析單元方法的遼西地區(qū)土壤水滲透量計算誤差相對越低。

(3)不同時間尺度下的土壤滲透水量和計算的滲透水量相關(guān)系數(shù)均可以在0.7以上，屬高度相關(guān)，相關(guān)方程呈現(xiàn)二次曲線變化，符合區(qū)域土壤水滲透水量的曲線變化特征。