張生宇

(遼寧省水文局，遼寧 沈陽 110000)

土壤水滲透量分析和計(jì)算對(duì)于探索作物需水規(guī)律至關(guān)重要。當(dāng)前，國內(nèi)有許多學(xué)者展開土壤水滲透量的觀測(cè)試驗(yàn)分析[1- 4]，該方法可較好的對(duì)土壤水滲透量進(jìn)行準(zhǔn)確觀測(cè)，這種方式不能實(shí)現(xiàn)土壤滲透水量時(shí)空分布的計(jì)算。近些年來，有學(xué)者應(yīng)用數(shù)值求解方法對(duì)土壤水滲透量的計(jì)算[5- 6]，計(jì)算精度不高，計(jì)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(jìn)行分段計(jì)算，在河流水力學(xué)中得到應(yīng)用[7- 10]，計(jì)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(yàn)區(qū)監(jiān)測(cè)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(jì)算中的適用性。

1 解析單元方法計(jì)算原理

解析單元方法將土壤入滲水體當(dāng)成線性匯流的水體，將整個(gè)土壤下滲水體進(jìn)行分段計(jì)算，計(jì)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(jì)算的土壤水勢(shì)；i—分段數(shù)。

按單位分段對(duì)土壤下滲水量進(jìn)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(shí)采用數(shù)值積分的方法進(jìn)行求解，求解方程為：

(3)

式中，T—計(jì)算時(shí)段，z、z1、z2—分段計(jì)算的土壤水勢(shì)能。

2 土壤水滲透量數(shù)值模擬精度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)集水面積為145km2，位于遼寧省中部平原區(qū)，該試驗(yàn)區(qū)對(duì)土壤水滲透量進(jìn)行長系列的觀測(cè)試驗(yàn)，區(qū)域多年平均降水量為600～800mm，多年平均徑流深300～400mm，試驗(yàn)區(qū)土質(zhì)主要為壤土，土壤水滲透觀測(cè)數(shù)據(jù)系列長度為2002～2012年，并對(duì)月土壤下滲水量進(jìn)行了觀測(cè)。本文結(jié)合區(qū)域監(jiān)測(cè)的土壤水滲透觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)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(jì)

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

表1 模型參數(shù)無偏估計(jì)結(jié)果

從表1可以看出，隨著計(jì)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(yàn)，表明當(dāng)i增加到9時(shí)，參數(shù)達(dá)到最優(yōu)化，也較為合理?？梢?，當(dāng)解析單元分段數(shù)越多，其參數(shù)結(jié)果越為合理，當(dāng)解析單元分段數(shù)達(dá)到9段以上，其計(jì)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(jìn)行參數(shù)無偏估計(jì)后，結(jié)合解析單元方法對(duì)試驗(yàn)區(qū)年尺度和月尺度的土壤水滲透量進(jìn)行預(yù)測(cè)，并結(jié)合試驗(yàn)觀測(cè)的年土壤水下滲量和月土壤水下滲量對(duì)比分析解析單元方法的計(jì)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(cè)結(jié)果

表3 月尺度滲透水量預(yù)測(cè)結(jié)果

圖1 解析單元方法計(jì)算土壤水滲透量和監(jiān)測(cè)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(cè)的年土壤水滲透量和試驗(yàn)觀測(cè)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(duì)值在3.6～16.3m3之間。表3為采用解析單元方法預(yù)測(cè)的月土壤水滲透量和試驗(yàn)觀測(cè)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(duì)值在11.5%～-18.6%之間，也均小于20%，計(jì)算誤差絕對(duì)值在0.3～1.6m3之間。從誤差對(duì)比結(jié)果可以看出，月尺度和年尺度相對(duì)誤差較為相近，但月尺度誤差絕對(duì)值好于年尺度誤差絕對(duì)值。從預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)觀測(cè)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(yàn)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(jì)算。

3 結(jié)語

本文采用解析單元方法對(duì)土壤水滲透量進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合土壤水滲透量觀測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析該方法的適用性，試驗(yàn)分析取得以下結(jié)論：

(1)試驗(yàn)研究表明對(duì)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(dá)到9段以上，解析求解效果最佳。

(2)解析單元法可實(shí)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(jì)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(jì)算。

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