張生宇

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110000)

土壤水滲透量分析和計算對于探索作物需水規(guī)律至關(guān)重要。當前，國內(nèi)有許多學者展開土壤水滲透量的觀測試驗分析[1- 4]，該方法可較好的對土壤水滲透量進行準確觀測，這種方式不能實現(xiàn)土壤滲透水量時空分布的計算。近些年來，有學者應(yīng)用數(shù)值求解方法對土壤水滲透量的計算[5- 6]，計算精度不高，計算誤差一般在20%～30%之間。目前，解析單元方法由于可下滲水體進行分段計算，在河流水力學中得到應(yīng)用[7- 10]，計算精度較高，但在土壤水滲透量數(shù)值求解中還未得到相關(guān)應(yīng)用，為此本文引入解析單元方法，結(jié)合遼寧中部某試驗區(qū)監(jiān)測的土壤水滲透數(shù)據(jù)，分析解析單元方法在土壤水滲透量數(shù)值計算中的適用性。

1 解析單元方法計算原理

解析單元方法將土壤入滲水體當成線性匯流的水體，將整個土壤下滲水體進行分段計算，計算方程為：

(1)

式中，Q(i)—分段土壤水下滲水量，m3；Yi—不同分段的土壤水水位，m；K—計算的土壤水勢；i—分段數(shù)。

按單位分段對土壤下滲水量進行單段轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方程為：

(2)

式中，e—土壤水匯集的水量，m3。在方程求解時采用數(shù)值積分的方法進行求解，求解方程為：

(3)

式中，T—計算時段，z、z1、z2—分段計算的土壤水勢能。

2 土壤水滲透量數(shù)值模擬精度試驗

2.1 試驗區(qū)域概況

試驗區(qū)集水面積為145km2，位于遼寧省中部平原區(qū)，該試驗區(qū)對土壤水滲透量進行長系列的觀測試驗，區(qū)域多年平均降水量為600～800mm，多年平均徑流深300～400mm，試驗區(qū)土質(zhì)主要為壤土，土壤水滲透觀測數(shù)據(jù)系列長度為2002～2012年，并對月土壤下滲水量進行了觀測。本文結(jié)合區(qū)域監(jiān)測的土壤水滲透觀測試驗數(shù)據(jù)，對比解析單元方法在土壤水滲透量數(shù)值模擬的適用性。

2.2 參數(shù)無偏估計

在進行土壤水滲透量數(shù)值計算前，首先采用極大熵譜方法對解析單元方法中的計算分段參數(shù)i進行了無偏估計計算，分析結(jié)果見表1。

表1 模型參數(shù)無偏估計結(jié)果

從表1可以看出，隨著計算分段i的增加，無偏相關(guān)系數(shù)ρ均逐漸遞增，從0.023遞增到0.069，且均可通過參數(shù)上限和下限置信度水平95%的檢驗，表明當i增加到9時，參數(shù)達到最優(yōu)化，也較為合理?？梢?，當解析單元分段數(shù)越多，其參數(shù)結(jié)果越為合理，當解析單元分段數(shù)達到9段以上，其計算效果最佳，為此本文選用i=9確定為解析單元方法的數(shù)值求解的分段參數(shù)。

2.3 土壤水滲透量數(shù)值模擬結(jié)果

在進行參數(shù)無偏估計后，結(jié)合解析單元方法對試驗區(qū)年尺度和月尺度的土壤水滲透量進行預(yù)測，并結(jié)合試驗觀測的年土壤水下滲量和月土壤水下滲量對比分析解析單元方法的計算精度，結(jié)果見表2、3以及圖1。

表2 年尺度滲透水量預(yù)測結(jié)果

表3 月尺度滲透水量預(yù)測結(jié)果

圖1 解析單元方法計算土壤水滲透量和監(jiān)測土壤水滲透量相關(guān)度分析結(jié)果

從表2可以看出，采用解析單元方法預(yù)測的年土壤水滲透量和試驗觀測的各年份土壤水滲透量之間的誤差在-11.0%～-19.6%之

間，小于20%，誤差絕對值在3.6～16.3m3之間。表3為采用解析單元方法預(yù)測的月土壤水滲透量和試驗觀測的各月土壤水滲透量之間的精度結(jié)果，從表中可以看出，各月份的誤差相對值在11.5%～-18.6%之間，也均小于20%，計算誤差絕對值在0.3～1.6m3之間。從誤差對比結(jié)果可以看出，月尺度和年尺度相對誤差較為相近，但月尺度誤差絕對值好于年尺度誤差絕對值。從預(yù)測值和試驗觀測值的相關(guān)度分析結(jié)果可以看出，年尺度和月尺度相關(guān)系數(shù)分別為0.7123和0.7241，較為接近。綜上，解析單元方法在試驗區(qū)土壤水滲透數(shù)值模擬精度較高，可用于農(nóng)田水利規(guī)劃區(qū)域垂向分布的土壤水滲透量的數(shù)值模擬計算。

3 結(jié)語

本文采用解析單元方法對土壤水滲透量進行數(shù)值模擬，并結(jié)合土壤水滲透量觀測試驗數(shù)據(jù)對比分析該方法的適用性，試驗分析取得以下結(jié)論：

(1)試驗研究表明對于解析單元方法而言，解析單元分段數(shù)越多，其參數(shù)結(jié)果越為合理，解析單元分段數(shù)達到9段以上，解析求解效果最佳。

(2)解析單元法可實現(xiàn)區(qū)域土壤水非線性數(shù)值模擬求解，求解精度較高，且方法計算原理較為簡單，參數(shù)較少，適合于農(nóng)田水利規(guī)劃中土壤水分垂向分布數(shù)值模擬計算。

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